煤層氣井示功圖影響因素、異常類型及治理技術(shù)研究

梁春紅 王 寶 趙晨光 宋振坤 賈慧敏 王思佳

(1.中國石油華北油田山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西 048000；2.中國石油華北油田煤層氣成莊作業(yè)分公司，山西 048000)

1 煤層氣井抽油泵正常工作示功圖特征

如圖1所示，理論示功圖為一個規(guī)則的平行四邊形，橫坐標(biāo)為位移(m)，縱坐標(biāo)為載荷(KN)，反映抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷隨位移的變化情況。其中線段ab、cd分別為加載和卸載曲線，反映懸點(diǎn)載荷增加或降低的過程；線段bc、da分別反映上沖程、下沖程曲線。線段a-b-c-d表示加載、上沖程、卸載、下沖程一個完整的沖程。

Sz為抽油泵柱塞沖程;Sg為抽油機(jī)光桿沖程;Pz為懸點(diǎn)靜載荷;P1為抽油桿柱在液體中重力；P2柱塞上液柱重力;Pz為懸點(diǎn)靜載荷；a為下死點(diǎn)；c為下死點(diǎn)。圖1 理論示功圖

圖2 煤層氣井抽油泵正常工作時實(shí)際示功圖

研究區(qū)塊煤層埋深一般在800m以淺，煤層氣井日產(chǎn)水量在0～150m3之間，其中主要產(chǎn)氣井日產(chǎn)水量分布在0～15m3之間，水量較小，懸點(diǎn)載荷一般在15～25KN之間；沖程一般在0.8～2.8m之間，沖程隨煤層氣單井日產(chǎn)水量的增加而增加。如圖2所示，煤層氣井抽油泵正常工作時示功圖整體上為一個平行四邊形，四邊形完全充滿。由于生產(chǎn)過程中存在振動載荷、慣性載荷，因此加載、卸載以及運(yùn)行過程中位移線會略有波動，但整體上煤層氣井動載荷可以忽略，因此實(shí)際示功圖與理論示功圖非常接近。

2 煤層氣井示功圖影響因素

煤層氣井示功圖主要受煤粉、產(chǎn)液量、氣體的影響，示功圖是否正?？梢詮恼w形狀、充滿度以及線段平滑程度等三個方面來判斷。

2.1 煤粉影響

煤層氣井中煤粉主要來源于構(gòu)造作用對煤層的構(gòu)造破壞和鉆井、作業(yè)過程中對煤巖機(jī)械破壞，煤粉隨著煤層氣井排出水運(yùn)移到井底、泵筒中，對抽油泵運(yùn)行狀況具有重要影響。

煤層氣井投產(chǎn)初期，煤粉主要來源于鉆井、壓裂等作業(yè)過程，此時煤粉影響形成的示功圖如圖3所示，整體上為平行四邊形，但每個邊都有鋸齒狀波動。這主要由于，在該階段煤層產(chǎn)水量較大，攜帶煤粉能力較強(qiáng)，煤粉進(jìn)入泵筒與油管之間空隙中，使泵筒運(yùn)行過程中增加額外的摩擦載荷，出現(xiàn)載荷突增情況。由于煤粉分布不均勻，摩擦載荷時大時小，導(dǎo)致示功圖呈鋸齒狀波動。煤粉越多、顆粒越大，影響程度越大鋸齒波動越明顯。

圖3 煤粉影響示功圖

在煤層氣井解吸產(chǎn)氣初期，氣泡未形成連續(xù)氣流，氣泡流攜煤粉能力較強(qiáng)，導(dǎo)致煤粉產(chǎn)出增多。而氣泡流持續(xù)時間較短，一般為7～15天。隨著煤層氣解吸量增加，形成氣、水兩相流，產(chǎn)水量大幅降低，攜帶煤粉能力急劇下降。此時，氣泡流階段形成的大量煤粉逐漸在篩管、凡爾甚至泵筒內(nèi)沉積，導(dǎo)致泵效降低，產(chǎn)水異常。

2.2 煤層供液量影響

如圖4所示，示功圖顯示煤層氣井供液不足，主要特征是平行四邊形右下角缺失，呈 “刀把形”。這是由于煤層向井筒中供液量不足，液體不能充滿泵筒，活塞下行一段距離后才能觸及液面，卸載延遲。煤層產(chǎn)液量越小，平行四邊形右下角缺失面積越多，即“刀把”越長。

圖4 供液不足示功圖

當(dāng)煤層氣井產(chǎn)水量較小時，攜帶煤粉能力較低，大量煤粉沉積在泵筒中，尤其沉積在游動凡爾和固定凡爾處，導(dǎo)致凡爾不能正常關(guān)閉，形成漏失，大大降低泵效，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致抽油泵不出液，導(dǎo)致煤層氣井流壓回升，氣量下降。

2.3 氣體影響

氣體進(jìn)入泵筒會導(dǎo)致氣鎖發(fā)生，造成抽油泵無效往復(fù)運(yùn)動，凡爾不能正常打開，井筒中水量不能正常產(chǎn)出。當(dāng)套壓較高時，油管和套管環(huán)空中的氣體極易膨脹而進(jìn)入泵筒，造成泵筒氣鎖。現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，套壓高于2MPa時，氣體極易進(jìn)入泵筒導(dǎo)致氣鎖發(fā)生。煤層氣井排采后期，動液面降至煤層以下接近泵吸入口位置，氣體極易進(jìn)入泵筒中。因此，煤層氣井在鉆井過程中就應(yīng)該留足“口袋”，將泵下入煤層底板以下15～20m的位置，即使液面降至煤層以下，泵仍然有一定的沉沒度，可以有效防止氣鎖發(fā)生。

3 煤層氣井示功圖異常類型及治理方法

3.1 凡爾漏失

凡爾漏失主要是由于煤粉在凡爾處沉積導(dǎo)致凡爾球與閥座密封不嚴(yán)，包括固定凡爾漏失、游動凡爾漏失和雙凡爾漏失三種情況。

其中游動凡爾漏失如圖5(a)所示，特點(diǎn)是左下尖、右上圓，表現(xiàn)為加載延緩、卸載提前。由于游動凡爾漏失，上沖程時液體滲漏，加載緩慢；上沖程還未完成，液體滲漏至柱塞下面，造成頂托，壓力提前卸載。這類功圖在煤層氣不正常井中較為常見，當(dāng)煤層氣井產(chǎn)水量較低或者排采不連續(xù)時，煤粉極易沉積在游動凡爾處，造成游動凡爾不能完全閉合。固定凡爾漏失如圖5(b)所示，特點(diǎn)是左下圓，右上尖，表明卸載緩慢。主要是由于柱塞下行過程中，液體從固定凡爾漏失，不能形成有效憋壓，導(dǎo)致卸載緩慢。固定凡爾漏失在煤層氣井中極為少見。雙凡爾漏失如圖5(c)所示，特點(diǎn)為一個窄條，不能加載,也不能卸載，泵完全失效。雙凡爾漏失在煤層氣井中相對多見。尤其是在大幅調(diào)氣后，或是套壓有大幅波動后，引起井筒中煤粉激動，大量煤粉瞬時進(jìn)入泵筒，造成雙凡爾漏失。

該類異常井治理方法為快抽、碰泵或檢泵作業(yè)?？斐榫褪鞘钩橛蜋C(jī)最高沖次運(yùn)轉(zhuǎn)，快速提放活塞，使活塞上行速度大于游動凡爾漏失速度，提高加載速度，用較高壓力的液體沖洗游動凡爾閥座上的煤泥，這對于游動凡爾漏失井有效。碰泵就是通過抽油泵柱塞與固定凡爾罩撞擊產(chǎn)生震動，去除凡爾處煤泥，這對于游動凡爾和固定凡爾漏失嚴(yán)重的井較為有效。一般凡爾漏失井，先進(jìn)行快抽，無效后進(jìn)行碰泵，可以快抽、碰泵循環(huán)兩次，無效時進(jìn)行檢泵作業(yè)。該類不正常井主要是由于煤粉沉積引起的，有效清除煤粉是預(yù)防和治理的關(guān)鍵，應(yīng)根據(jù)出煤粉情況進(jìn)行定期洗井，及時清除井筒和泵筒中的煤粉；另外保證排采連續(xù)，避免煤粉沉積。

圖5 煤層氣井凡爾漏失理論示功圖

3.2 氣鎖

氣鎖是由于泵筒內(nèi)存在氣體，上下沖程中氣體發(fā)生壓縮和膨脹，泵筒內(nèi)壓力始終小于液柱壓力，固定凡爾和游動凡爾無法打開。其示功圖如圖6所示，呈“軟刀把形”，由于柱塞到下死點(diǎn)處，泵筒余隙中還殘存一定氣體，上沖程中氣體膨脹固定凡爾滯后打開，下沖程中氣體壓縮，卸載變慢。

圖6 煤層氣井氣鎖理論示功圖

煤層氣井開發(fā)進(jìn)入后期，動液面降至煤層附近，井底流壓完全等于套壓，容易發(fā)生氣鎖現(xiàn)象。研究區(qū)塊85%的井動液面降至煤層以下，部分井套壓在0.5MPa以上，該類井最容易發(fā)生氣鎖。該類井可以通過使動液面適度回升，然后快抽的方式進(jìn)行解決。具體實(shí)施步驟是，第一，調(diào)慢沖次，恢復(fù)動液面至煤層30m以上，這樣一方面可以避免氣體繼續(xù)進(jìn)入泵筒，另一方面形成一定的液柱壓力，使液體更多的進(jìn)入泵筒；第二，將抽油機(jī)沖次調(diào)至最高，現(xiàn)場實(shí)施快抽，使液體充滿泵筒，排出泵腔內(nèi)氣體；第三，逐步調(diào)整沖次，使供出液平衡，保證液面恢復(fù)至煤層附近。如此，重復(fù)2～3次，如果不能恢復(fù)正常則進(jìn)行檢泵作業(yè)。

(a)H1-1井故障時功圖；(b)H1-1井碰泵后功圖圖7 H1-1井故障前后示功圖

(a)H1-2井氣鎖時示功圖；(b)H1-2井氣鎖解除后示功圖圖8 H1-2井氣鎖治理前后示功圖對比

4 現(xiàn)場應(yīng)用情況

4.1 凡爾漏失治理

H1-1井2012年投產(chǎn)，目前產(chǎn)氣量650m3/d，產(chǎn)水量1.3m3/d，套壓、流壓均為0.24MPa，處于排采后期，水中含有煤粉。排采過程中，該井氣量突降，現(xiàn)場核實(shí)產(chǎn)液量減少為0.5m3/d，實(shí)測示功圖7顯示最大載荷為31.5kN， 最小載荷為13.1kN，顯示加載延緩、卸載提前，判定為游動凡爾漏失。決定先采用快抽方式進(jìn)行治理，將沖次由0.12次/分逐步提高至5次/分，快抽20分鐘后不出液，又提高至8次/分，快抽20分鐘仍不出液，表明快抽無效。

然后采用碰泵措施，首先下調(diào)防沖距，使抽油泵柱塞觸及固定凡爾罩，然后以沖次1次/分進(jìn)行碰泵，碰泵30分鐘后開始出液，液體中含有大量煤粉。1小時后，出液量恢復(fù)至故障前的1.3m3/d，水質(zhì)變清，有少量煤粉，氣量上升至650m3/d，再次監(jiān)測示功圖顯示為平行四邊形，充滿度較好，表明泵效提高、泵況改善。

4.2 氣鎖治理

H1-2井2012年投產(chǎn)，目前產(chǎn)氣量1400m3/d，產(chǎn)水量0.6m3/d，套壓、流壓均為0.3MPa，處于排采后期，液面降至煤層底板以下，煤層全部裸露。上調(diào)氣量150m3后瞬時大幅下降，現(xiàn)場核實(shí)無液，快抽、碰泵無效。示功圖8顯示該井氣鎖，為了消除氣鎖影響，采取“沖次調(diào)慢+快抽”的方式進(jìn)行治理，先將沖次調(diào)慢至0.2次/分，密集監(jiān)測動液面回升情況，動液面回升到煤層以上20m時，提高沖次至8次/分快抽出液，最后逐步調(diào)節(jié)沖次，使液面達(dá)到平衡值。通過整改后該井套壓、日氣量、日產(chǎn)水恢復(fù)正常值，復(fù)測示功圖為較規(guī)則平行四邊形，表明抽油泵恢復(fù)正常。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 劉春花,劉新福,周超,等.煤層氣井有桿泵排水采氣設(shè)備示功圖[J].煤田地質(zhì)與勘探.2014,42(5):38-43.

[2] 賈慧敏.高煤階煤巖孔隙結(jié)構(gòu)分形特征研究[J].石油化工高等學(xué)校學(xué)報,2016,29(1):53-56.

[3] 姚征,曹代勇,熊先鉞,等.基于示功圖監(jiān)測的煤粉相關(guān)井下故障預(yù)警[J].煤炭學(xué)報,2015,40 (7):1595-1600.