煤層氣井標準示功圖應用效果評價

崔建斌 吳春升 樊 彬 杜慧讓 劉 斌 屈麗彬

(中國石油華北油田分公司山西煤層氣有限公司，山西046000)

煤層氣井開發在排采工藝上借鑒了常規油氣成功的開發模式，在排采過程中起到了一定的指導意義，解決了排采過程中的問題。但是由于其排采特點與常規油氣有較大的不同，井下泵組在排采中出現的問題也與常規油氣有一定的區別。

煤層氣井井下泵組的運行狀態和排采介質上與常規油氣有較大區別，因此造成井下泵組故障的原因也與常規油氣有區別，對應的故障原因分析也不同。煤層氣井與常規油氣排采介質不同，在示功圖的應用中應考慮煤粉等固體顆粒、氣體等因素對井下泵組的影響，在示功圖判斷上應考慮體形狀、充滿度以及線段平滑程度等方面來進行故障判斷。

而目前沒有適用于煤層氣井排采應用的標準示功圖，在故障判斷上仍沿用常規油氣井標準示功圖，在對井下泵組運行狀態分析及措施調整上存在誤差，易造成無效的優化，甚至會加重井下泵組故障，縮短檢泵周期。

為了提高示功圖在煤層氣井的使用，達到示功圖進行井下泵組故障判斷的目的，建立了適用于煤層氣井的煤層氣井標準示功圖庫，并在分公司應用后取得了效果，達到了預期的目標。

1 煤層氣井標準示功圖庫

1.1 煤層氣理論示功圖

首先煤層氣井理論示功圖與常規油氣井示功圖原理一致，均為默認光桿只承受抽油桿柱與活塞截面積以上液柱的靜載荷時，在理論上所得到的示功圖。需滿足以下5個假設條件方可應用。

(1)井下泵組質量合格，工作正常。

(2)不考慮活塞在上、下沖程中，抽油桿柱所受到的摩擦力、慣性力、震動載荷與沖擊載荷等的影響，假設力在抽油桿柱中的傳遞是瞬間的，凡爾的起落也是瞬間的。

(3)泵組在工作中，不受煤粉、氣等因素的影響，認為進入泵內的液體不可壓縮。

(4)煤層氣井沒有連抽帶噴現象。

(5)煤層供液能力充足，泵能夠完全充滿。

1.2 煤層氣實測示功圖

煤層氣井理論示功圖，圖形是規則的平行四邊形。而實測示功圖，經常因同時受各種不同的因素起作用(如壓裂砂、煤顆粒、氣、水等)而使示功圖形狀變得復雜化。

因此，在分析過程中，需要根據示功圖進行全面分析，找到影響示功圖的主要因素。

煤層氣井實測示功圖分為三大類：正常示功圖，故障示功圖和不合格示功圖。

(1)正常示功圖

煤層氣井根據排采階段不同，正常功圖會發生一定的變化。在煤層氣井排采初期，沉沒度較高，泵上有足夠的沉沒度，正常示功圖表現為近似于平行四邊形，如圖1所示為類型一(泵充滿)。此類情況示功圖形狀及特點與常規油氣一致。

圖1 正常示功圖(類型一)

由于煤層氣井是一個降壓排采的過程，隨著排采進行，沉沒度會越來越低，只有5m甚至更低，產液量也大幅下降，低沉沒度和低產液對井下泵組運行有較大的影響，但是由于地層產出液均被攜帶至地面，未對單井生產造成影響，此類情況下單井生產仍處于穩定排采階段，認為井下泵組工作正常。

在此生產條件下，泵組雖處于供液不足狀態，但是就單井排采過程本身來說，未出現異常。因此，該情況下的井下泵組工作為正常，如圖2所示也為正常示功圖。

圖2 正常示功圖(類型二)

(2)故障示功圖

故障示功圖是相對于正常示功圖而言，是在正常示功圖的基礎上演變而來，正常示功圖有兩種類型，所以故障示功圖對應的也存在兩種類型。

煤層氣井生產過程中常見功圖主要有以下10中，其中以桿、管斷脫、凡爾漏失和受氣體、雜質影響較常見(表1)。

表1 煤層氣井故障示功圖種類

所有上述故障均會在類型一和類型二的正常示功圖下演變而來。

(3)不合格示功圖

不合格示功圖主要是由于人員操作不當和設備儀器故障等原因造成，該類示功圖無法用于判斷井下泵組運行情況。不合格示功圖主要包括以下幾種(圖3)：

圖3 不合格示功圖

①功圖顯示為交叉的曲線(除碰泵位置)

②加載線與減載線重疊或交叉。

③加減載沒有位移的。

④圖形混亂無法識別的。

2 煤層氣井標準示功應方法介紹

煤層氣井標準示功圖應用與常規示功圖一致，均需要遵守示功圖判斷條件和依據，是用實測示功圖與理論示功圖進行比對，按照實測示功圖圖形的變化位置和程度與生產情況相結合，完成示功圖的分析判斷。

井下泵組的工作原理為通過柱塞的上下行，使固定凡爾和游動凡爾打開、閉合，使油套環形空間內的液體進入泵腔體后再由泵腔體進入油管內，最終運移至地面。

圖4是理論示功圖,AB是增載線,A點為上沖程開始,至B點加載完畢,管柱全部載荷由光桿承受，井下泵組游動凡爾關閉固定凡爾打開，液體通過泵下固定凡爾進入泵筒，油管內的液體部分提升到地面；C點為上沖程結束下沖程開始，CD是卸載線,到D點卸載完畢,部分載荷由油管承受,此過程游動凡爾打開固定凡爾關閉,泵中的液體通過游動凡爾進人游動凡爾的上部，BC段為上行線，DA段為下行線。

圖4 理論示功圖

從密封角度分析,固定凡爾在BC段一直處于打開狀態,其密封程度對示功圖BC段的形狀無任何影響。換句話說,固定凡爾故障反映在ABCD的形狀上。

同理,ABCD的形狀代表游動凡爾的工作狀態。在實際生產過程中,抽油桿會發生一定程度的振動。上、下行程線有明顯的振動波浪,一般不會影響泵效；由于柱塞磨擦、液體粘滯力、接箍硬磨擦等附加動載荷的影響,因而示功圖的上、下行程線并不是水平的,而是與水平線有一個夾角,但二者基本平行。

實測示功圖因同時有各種不同的因素起作用，需要結合實測示功圖和生產資料進行全面分析，才能更好地使用示功圖來了解煤層氣井的工作狀態。

3 煤層氣井標準示功應用情況

在未使用煤層氣井標準示功圖之前，故障分析符合率較低，出現類型二的故障示功圖后，無法有效判斷井下故障類型，導致未采取措施或措施有效率低，下面將以兩口井為例進行說明。

①華北08井

該井實測示功圖如圖5所示。如未按照煤層氣標準示功圖進行分析判斷，則該示功圖故障類型為供液不足。結合生產曲線判斷，該示功圖為正常示功圖，無需采取措施。

圖5 華北08井實測示功圖

而采用了煤層氣井標準示功圖庫后，按照煤層氣井示功圖判斷標準，圖5所示示功圖為類型二的正常示功圖下演變而來，所以適用于類型二的示功圖判斷標準。由圖6可以看出，按照類型二示功圖判斷標準，示功圖顯示上沖程無明顯變化，下部分呈現缺失，符合類型二示功圖特征。且A′點上移至A″點，D′點上移至D″點，通過示功圖判斷為固定凡爾漏失，需要采取碰泵等措施。

圖6 類型二固定凡爾漏失

事實證明，通過采取了檢泵作業更換新泵后，該井短期恢復產水，產量下降趨勢被抑制，并有小幅回升，如圖7所示。通過合理的應用煤層氣井示功圖，可以提高措施成功率和有效地降低氣量損失，甚至提高產氣量。

圖7 華北08井生產曲線

②華北111井

該井實測示功圖如圖8所示。如未按照煤層氣標準示功圖進行分析判斷，則該示功圖故障類型為抽油桿斷脫。根據示功圖反映的故障類型，考慮該井存在偏磨，需要進行防偏磨工藝的優化治理。

圖8 華北111井實測示功圖

采用了煤層氣井標準示功圖庫后，按照煤層氣井示功圖判斷標準，圖8所示示功圖為類型二的正常示功圖下演變而來，所以適用于類型二的示功圖判斷標準。由圖8可以看出，該示功圖呈現為一條直線，但是載荷在該抽油機最大載荷附近，按照煤層氣井標準示功圖分析(圖9)，則故障類型為固定凡爾堵塞，需要進行檢泵，清理井筒雜質。

圖9 類型二固定凡爾堵塞

結合該井的生產數據和檢泵結果，該井水質較差，含有大量煤粉。在檢泵過程中未見斷脫抽油桿，且起出井下泵組后，固定凡爾被煤泥糊死，與示功圖完全對應。

4 結語

通過采用不同的示功圖判斷標準，判斷的結果不同，而故障類型不同，后期措施類型也會不同，但是只有正確的措施才可以解決井下泵組故障，恢復正常生產。因此，采用合適的標準是判斷井下泵組運行狀況的前提和有效的依據。

分公司首創煤層氣井標準示功圖，并在現場應用指導生產，取得了有效的成果，提高了單井措施成功率，并且在計劃檢泵井選井上應用，大幅提高了計劃檢泵井成功率，降低了無效檢泵費用，節約了成本，縮短了無效占井時間，達到了煤層氣井穩定排采的目的，在煤層氣井故障判斷上具有指導意義及推廣價值。