煤層氣井回注水排采技術理論研究及在FX井的應用

摘" 要：本文通過對煤層氣井回注水排采技術理論及在抽油機排采井——FX井的應用研究，總結分析了在FX井的使用情況，該技術很好的解決了弱含水煤層極低產水量的排采難題，不但能讓設備在合理范圍內連續、長久正常運行，實現煤層氣井排采“連續、平穩、緩慢、長期”的原則[1-2]，同時還延長了檢泵周期，對貴州低產水量煤層氣井的排采提供了一定的技術參考，值得在貴州低產水煤層氣井中推廣使用。

關鍵詞：煤儲層；弱含水；低產水；回注水；排采

1.引言

弱含水是貴州煤層的一大特點，該特點導致部分煤層氣井排采期間產水量很低，甚至超出了設備正常的運轉范圍，出現排采設備不能滿足煤層氣井“連續、平穩、緩慢、長期”的排采要求，如何讓產水量很低的煤層氣井的排采設備能連續、長久正常運轉，滿足排采要求，是一個需要解決的技術難題。煤層氣井回注水排采技術的出現，很好地解決了該難題，該技術在2016年遵義FX井的應用中，獲得了較好效果。

2.煤層氣井回注水排采技術說明

煤層氣井回注水排采技術，即在煤層氣井煤儲層產水量很低，導致排出水很難將排采管柱內的固相雜質從井底攜帶到地面和無法讓排采設備正常運行時，通過地面回注水設備帶壓從井口向油套環空注水，控制注水流量和注水量，進而控制流壓變化，保持抽油泵和井底壓力計一定的沉沒度，實現排采設備在額定運行速度范圍內穩定、長久運轉。通過調控抽排水量與注水量和煤儲層產出水量的關系，控制井底流壓在一定周期內相對穩定或實現一定的降幅，讓排采總體達到“連續、平穩、緩慢、長期”的目標，這是該技術控制的核心。同時，在油管不變的情況下，排水流量增大的同時也增大了排水流速，進而增大了攜帶固相雜質的能力，減少了固相雜質在泵筒及整個油管柱內的淤積，一定程度延長了檢泵周期。該技術的實施設備具有操作簡單、成本低、影響小的優勢。

工藝方面，該技術通過控制柜實現對電機、注水流量、注入壓力等相關參數的集中顯示和控制。水從儲水箱出發，沿進水管線，經過濾器進入柱塞泵增壓后通過止回閥、流量計、壓力表探頭、注水管線進入井內油套環空。控制柜通過電源開關和調頻裝置控制電機的啟停、轉速，實現柱塞泵的啟停和注水流量大小的控制，并對壓力、流量和井底流壓的變化進行監測和分析，及時調整注水設備運行工況，從而更好地完成注水施工。變頻電機的使用，能實現對注水流量的精細控制。水注入井口，在重力的作用下沿著油管外壁和套管內壁向下流動，最終到達井下與井底的水混合，再通過抽油泵沿著油管抽排到地面。地面和井下工藝示意圖如圖1和圖2所示[3]。

回注水設備中，控制柜控制柱塞泵的啟停、運行速度、注水流量等，是整個系統的“大腦”；變頻異步防爆電機提供動力，帶動柱塞泵工作，是整個系統的“心臟”；柱塞泵增加注水壓力，使水克服井內套壓注入井內油套環空；流量計監測注水流量值，為調整注入流量提供依據；壓力表監測注水壓力，輔助控制；儲水箱儲存施工用水；過濾器濾除水中固相雜質，凈化水質，防止二次污染和影響柱塞泵運行；止回閥防止注水過程中水流回流；高壓管線對水進行導流；接頭連接管線和井口等；安全閥防止注水管中壓力超壓。

3.FX井基本情況

3.1地質構造特征

FX井是遵義一煤層氣區塊部署的煤層氣評價井，所在勘查區大地構造位于上揚子臺東部，經歷了多期構造運動的疊加，形態復雜。區域內發育一條近東西向延伸、傾向310°左右、傾角60°至70°的正斷層，另在區內西部和北部發育一些小的斷層。除煤層外，地層巖性致密，孔隙不發育，裂縫特征不明顯。

FX井綜合解釋煤層11層8.8m，煤層含氣量較高，目標層位龍潭組X1#、X2#、X3#煤層含氣量分別為21.0m3/t，21.6m3/t，20.8m3/t，測井滲透率分別為0.09mD、0.30mD、0.12mD。本區為正常地層壓力和正常地溫梯度區。煤質特征方面，該區塊煤顏色為黑色，塊狀構造為主，結構為條帶狀，以金剛光澤為主，少部分為玻璃、絲絹光澤，階梯狀斷口為主，其次為貝殼及參差狀斷口。宏觀煤巖成分以半亮煤為主，夾少量光亮煤。顯微組分鏡質組含量平均為81.63%，惰質組含量平均為18.37%。可采煤層顯微硬度平均為41.6kg/mm2，鏡質組最大反射率平均為3.561%，為高階煤，以原生結構為主。

3.2井身結構

FX井完鉆井深712m，最大井斜1.33°，方位角273.09°，所在井深325.00m，產層套管外徑139.70mm、壁厚9.17mm，入井深度709.12m，人工井底697m。

3.3儲層改造情況

壓裂改造了龍潭組的3層煤，累計儲層厚度4m，深度范圍642.2至692.7m。壓裂液體系為活性水，共注入壓裂液1237.6m3，用砂50m3，施工排量6至8m3/min，停泵壓力11.3至18.6MPa，具體情況見表1。

3.4 排采管柱結構和排采設備

FX井于2015年11月完成新井下泵施工開始排采，管柱結構中，回音標深度102.86m、Φ38mm管式泵深度663.17m、壓力計深度664.16m、復式高效脫氣篩管深度672.69m、絲堵深度682.08m。地面排采設備為抽油機，型號CYJ4-1.5-9HY，沖程0.9m、1.2m、1.5m，沖次0至6r/min；配套電機為變頻異步電機，型號YVF2-1602-6，功率7.5kW，恒轉矩范圍5至50Hz。根據廠家意見，最低運轉沖次0.028r/min，再低有設備故障風險。

4.FX井排采情況

4.1 排采簡述

FX井于2015年11月30日以沖程0.9m、沖次0.48r/min開抽，日產水0.49m3/d；同年4月16日見套，臨界解吸壓力3.40MPa；產水0.58m3/d；23天后放氣試產；34天后出現抽油泵故障，進行檢泵致排采中斷，抽油泵故障前產水已降至0.27m3/d，經14天完成檢泵恢復排采。59天后開始回注水排采，檢泵后至2016年12月12日，排采生產正常，至此共累計排采379天，最高日產氣1058m3/d，累計產氣156319m3，累計產水160.76m3，返排率27.6%，在實施回注水排采的情況下，產水量0.006m3/d，已極低。

4.2 排采技術難題的研究分析

FX井開抽時產水量和沖次便均較低，分別為1.29m3/d、0.48r/min，之后逐步下降，至抽油泵故障時分別為0.23m3/d、0.30r/min。檢泵恢復排采后，產水量仍較低，分別為0.30m3/d、0.45r/min，并存在進一步下降趨勢，判斷此后隨著排采的進行，當產水量降低至排采設備的最低沖次無法連續運轉時，需采用其他技術手段輔助控制流壓，以保持產氣量的穩定，當時，重點在間抽排采和回注水排采中進行了研究。

同時，在FX井檢泵期間，抽油桿和油管無彎曲變形、腐蝕及抽油桿扶正器和油管扶正器完好，無偏磨情況；活塞及泵完好，活塞表面無磨損和腐蝕；活塞防砂槽中有固結的煤粉，管式泵游動凡爾處、泵筒內有少量煤粉和細砂混合物、泵筒以上1根油管內流體近似“面糊”狀，粘稠且為黑色，固定球座被煤粉和細砂混合物完全充填等，結合排采歷史，深入分析抽油泵故障原因，判定煤粉和細砂混合物進入了泵筒內，由于排采期間泵筒內水流量小、流速慢，密度較大的固相雜質逐漸在固定閥內沉積，影響到固定球閥正常工作，當逐步增多到一定量時，固定球已無法與固定球座實現密封，開始泵漏，繼而固定球被卡死無法正常活動而致抽油泵故障。檢泵期間，根據以上情況判定該井當前Φ38mm管式泵較大，更換為Φ28mm管式泵，以便在相同沖次下，將泵內液體流速提高，以更好地將固相雜質攜帶至抽油泵以上避免抽油泵故障。同時表明在當前生產制度下該井出砂、出煤粉較為嚴重，應適當調整生產制度，以緩慢、穩定為主，適當穩定井底流壓生產，堅持穩定排水，通過排水疏通儲層煤粉，擴大解吸面積，提高滲透率，為后期高產、穩產提供有利條件。

根據FX井所處地質條件和換泵前排采歷史分析，即使在更換抽油泵為Φ28mm管式泵的情況下，隨著該井產水量的下降，仍將遠低于該井抽油機額定沖次。

4.3 排采技術難題解決對策的確定

鑒于FX井以上情況，若采用常規間抽排采技術，根據同區塊鄰井間抽經驗，間抽可能存在流壓控制不連續、不平穩的情況，導致產氣量下降，且間抽停抽期間會使固相雜質沉降，增加了抽油泵故障的風險。因此，在進一步深入研究排采理論和規律的基礎上，根據排采控制井底流壓這一核心本質，結合排采經驗和FX井存在的煤儲層產水量低及相應引起的一系列技術難題，進行技術研究和綜合比較，最終采取回注水排采技術來解決該井產水量低的排采技術難題。

5. 煤層氣井回注水排采技術在FX井的應用

2016年8月24日，FX井沖次降到0.28r/min，之后無法通過降低抽油機沖次來實現井底流壓平穩、緩慢、連續下降的控制。于是從2016年8月24日開始，對FX井實施回注水排采，主要根據該井流壓和液面深度，制定回注水排采制度，當液面下降到接近泵筒下端（663.23m）時開始注水，控制流壓降幅以符合相應排采階段要求，注水0至2次/d、0.05至0.1m3/次，注水流量0.3m3/h，回注水用FX井返出液或清水加入氯化鉀進行配置，沖次正常情況下控制在0.28r/min。

至2016年12月，共實施回注水排采111天，共對FX井實施回注水113次，共注水5.95m3，期間沖次總體維持在0.28r/min，流壓從0.95MPa降至0.28MPa，期間產氣量較為穩定，日均1009m3/d，最高1058m3/d，最低938m3/d；回注水排采期間，泵效明顯上升，出水口有少量煤粉等固相雜質排出。回注水排采期間排采情況見圖5。

在實施回注水期間，抽油機和抽油泵運轉連續、穩定；抽油泵、壓力計維持一定沉沒度，泵效穩定、流壓監測準確；煤粉等固體雜質能更好從泵筒、油管中排出，未發生檢泵情形，較好延長了檢泵周期；流壓降幅合理控制，壓降漏斗持續擴大；產氣量長期維持較高水平。綜合判斷，回注水排采技術讓FX井實現了“連續、平穩、緩慢、長期”的排采要求，初步判斷該技術對產氣量基本無負面影響。

6.結論

①貴州部分煤層氣井因儲層產水量低，排采設備無法在額定轉速下運轉，繼續降低轉速存在損傷排采設備的風險。

②煤層氣井過低的排水量導致攜帶固相雜質的能力弱，長時間將積累大量固相雜質懸浮在抽油泵中及泵筒頂部的油管內，嚴重時會造成固定閥無法正常工作，導致抽油泵抽不出液而故障，影響排采的連續和穩定等。

③煤層氣井回注水排采技術能較好解決低產水煤層氣井在現有排采設備下無法實現“連續、平穩、緩慢、長期”排采的問題，并增強了固相雜質排出能力，大大降低了抽油泵故障的風險，延長了檢泵周期。

④煤層氣井回注水排采技術的實施成本低、操作簡便、運行時效快、易于控制。

⑤從煤層氣井回注水排采技術在FX井的實施情況看，初步判斷該技術對煤層氣井產氣量基本無負面影響。

⑥目前，煤層氣井回注水排采技術在貴州實施的井少、周期較短，注水制度還可進一步優化，若長時間實施，是否存在其他影響還需要進一步的研究。

參考文獻：

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