煤層氣井橋式無污染連續沖灰工藝研究

劉建偉 崔金榜 段寶玉 呂 莉

(華北油田公司采油工藝研究院, 河北 062552)

沁水煤層氣田是我國發現的第一個高階煤煤層氣田, 主要采用直井/叢式井壓裂排采和多分支水平井開發技術。煤層氣井在完井、排采等開發過程中會產生大量的煤粉煤屑, 部分井出灰很嚴重 (圖1) , 僅靠日常生產排出的水不能將煤粉全部排出,未排出的煤粉及大顆粒固體將沉降聚集在口袋里。排采時間越長, 聚積的煤粉越多, 生產管柱被埋的幾率就越高。目前山西沁水煤層氣開發中清除井底口袋堆積煤粉主要采用的是沖煤粉方法和撈煤粉方法。沖砂工藝的缺點是正沖或反沖時, 循環水不斷地沖刷和滲入煤層, 必然會造成近井地帶的污染,部分煤層氣井漏失嚴重, 直接沖砂會使大量的水進入煤層。撈砂工藝的缺點： 一是撈砂泵在裝滿砂子后必須將全套管柱提出, 把砂排凈后再下放管柱,對于砂埋嚴重的井, 多次起下管柱使這種工藝費時, 成本高; 二是對于大斜度井用下放上提油管柱頓擊砂面的方法不適宜。為此研究出一種煤層氣井橋式無污染連續沖洗煤灰工藝。該工藝主要用于清除煤層氣井的口袋堆積物, 可實現一次管柱連續沖砂20m 以上, 而且能有效的保護煤層。

1 工藝原理

結合沁水煤層氣直井套管完井的具體井況, 包括井身結構、井深及埋砂顆粒等設計了本套沖灰工藝管柱, 主要由橋式無污染沖灰分流器和可伸縮式沖灰噴管組成。利用皮碗和封隔器封隔煤層, 采用1．900″油管與油管通過上過橋、下過橋組成小環空, 形成皮碗與封隔器之間油管內的水力封閉循環, 以避免注入水和返排水對于煤層的沖刷和污染。下過橋接可伸縮式沖灰噴管, 在沖灰作業過程中可以隨沖灰面的不斷下降而自動伸長, 避免了常規撈砂頻繁上提下放管柱的作業程序和管柱與井壁之間的摩擦, 同時也避免了管柱下行時不斷解封和座封封隔器的作業程序, 實現了連續沖灰的目的。

2 工藝管柱

煤層氣井橋式無污染連續沖灰工藝管柱主要由橋式無污染沖灰分流器和可伸縮式沖灰噴管組成,如圖1 所示。

圖1 煤層氣井橋式無污染連續沖灰工藝管柱

2．1 橋式無污染沖灰分流器

橋式無污染沖灰分流器主要由上過橋、皮碗座(皮碗) 、油管短節、上插管、特殊接頭、下插管、封隔器和下過橋組成。

各部分的作用為： 上、下過橋內有貫通的側孔和上下通孔, 可以改變注入水和返排水的水流通道; 皮碗用于封隔煤層頂部; 油管短節用于皮碗座和特殊接頭、特殊接頭和封隔器之間的連接; 封隔器用于封隔煤層底部; 上插管連接上過橋并插入特殊接頭中, 形成進液通道; 下插管連接特殊接頭并插入下過橋, 為注入水進入下部可伸縮式沖灰噴管提供通道。

整體作用為： 利用皮碗和封隔器封隔煤層, 采用1．900“油管與”油管通過上過橋、下過橋組成小環空, 形成皮碗與封隔器之間油管內的水力封閉循環, 以避免注入水和返排水對于煤層的沖刷和污染。

2．2 可伸縮式沖灰噴管

由四根不同直徑的鋼管相互套裝組成, 包括提升部分、變扣部分、伸縮部分、摩擦部分、限位部分和噴射部分, 噴管全部伸展后總長達32．7m, 配合管柱后可以完成沖洗煤層氣井40～50m 口袋的要求。

可伸縮式沖灰噴管具體設計：

提升部分用于連接可伸縮式沖灰噴管和油管柱, 還可用于起下整個噴管; 變扣用于連接提升部分短節與伸縮部分; 伸縮部分具有能在水壓作用下伸展, 而在碰到射流無法破壞的堅硬井底時, 繼續下放管柱便回縮的功能; 摩擦部分的材質是耐油橡膠, 在管與管發生相對運動時產生摩擦, 具有延緩噴管伸縮的作用; 限位部分用于限位密封橡膠、伸縮部分和固定噴嘴; 密封部分的材質是耐油橡膠,具有密封間隙、防止注入水滲漏的作用; 噴射部分具有將注入水發散產生射流的作用。

整體作用為： 油管柱底部接可伸縮式沖灰噴管, 在沖灰作業過程中可以隨沖灰面的不斷下降而自動伸長, 避免了常規撈砂頻繁上提下放管柱的作業程序和管柱與井壁之間的摩擦, 同時也避免了管柱下行時不斷解封和座封封隔器的作業程序。

3 地面循環系統

地面循環系統包括控制柜、電機、離心泵、帶有濾網的罐車、連接管線和壓力計。

控制柜保障電機穩定運行; 電機帶動離心泵提供動力來源; 罐車裝載沖灰水, 提供動力液來源,罐內裝有濾網, 可將返排水過濾后循環使用; 連接管線用于離心泵、罐車和沖灰管柱之間的連接; 壓力計安裝在泵的出口處, 用于顯示供液壓力, 監視循環系統是否發生堵塞。

4 參數計算

砂粒沉降速度計算公式如下：

沖砂液最低排量計算公式如下：

當套管內沖砂液流速為0．3m/s 時, 由于返排液通道主要是油套環形空間, 通道小于套管, 返排液流速為0．3×0．1242/ (0．124- 0．073)2=0．3×5．9=1．77m/s, 足夠攜帶細砂級別的顆粒返排, 以下離心泵和電機功率都按該排量計算。

電機功率計算方法如下：

離心泵軸功率N1= QH/367/η= 13．04 ×250/367/0．65=13．66 (KW)

電機功率N2= N1×1．1 = 5．92 ×1．1 = 15．03(KW)

前述公式中符號說明如下：

νt——懸浮于沖砂液中的球形砂粒的沉降末速, m/s;

d——球形砂粒直徑, m;

ρs——砂粒的密度, g/cm3;

ρl——沖砂液的密度, g/cm;

Qmin——沖砂洗井所需的最低排量, m3/h;

A ——沖砂液上返流動時的最大截面積, m2;

νlmin——保持砂粒上升所需要的最低液流速度, m/s;

Q——沖砂液排量, m3/h;

hj——沿程水頭損失, MPa;

λ——沿程流動阻力系數;

l ——管道長度, m;

d——管道直徑, m;

ν——沖砂液流速, m/s;

H——揚程, m;

η——功率因數。

充滿水后, 進水與出水通道組成U 形管, 沖灰壓力即為摩阻壓力損失, 約2～3MPa, 則所需泵的出口壓力為4MPa。

綜上, 本工藝可選用出口壓力4MPa、排量25m3/h 離心泵, 15KW 電機。

5 結論

橋式無污染連續沖灰工藝是一種新型的煤層氣井沖砂工藝, 可形成油管內的水力封閉循環, 避免了常規沖砂的注入水和返排水對于煤層的沖刷和污染, 能將粗砂及以下級別的煤屑等固體顆粒有效排出, 適用于套管完井的作業井, 可用于煤層氣井沖灰作業, 也適用于油氣井沖砂作業, 以及管內封閉水力或氣體密閉循環的井下作業環境。

[1] 王一兵, 孫平, 鮮保安, 等．沁水煤層氣田開發技術及應用效果 [J] ．天然氣工業, 2008, 28 (3) ： 90- 92．

[2] 楊振威, 曾凡芝, 熊曉波． 撈砂泵作業工藝技術[J] ．油氣井測試, 2005, 14 (1) ： 47- 48．

[3] 賴楓鵬, 李治平, 岑芳, 等．水平井水力沖砂最優工作參數計算 [J] ．石油鉆探技術, 2007, 35 (1) ：69- 71．

[4] 賴楓鵬, 李治平, 張志, 張明友．水力沖砂工作參數優化計算程序研究 [J ] ． 鉆采工藝, 2007, 30(2) ： 83- 84, 93- 94．

[5] 竇國仁．再論泥沙起動流速 [J] ．泥沙研究, 1999,(6) ： 1- 9．

[6] 沈燕來, 等．沖砂洗井水力計算方法綜述 [J] ．水動力學研究與進展, 1998, A 輯13 (3) ： 347- 353．

[7] 王彌康, 等．管內單相流體沿程摩阻系數分析[J] ．油氣儲運, 1998, 17 (7) ： 22- 26．

[8] 萬仁溥, 羅英?。捎图夹g手冊 [M] ．石油工業出版社, 2009．