液力驅動無桿泵排采技術在保-平10水平分支井的應用

閆永維，李志廣，劉 凱，李風濤，張子佳

(1.中國石油大港油田 石油工程研究院，天津 300280； 2.中石油煤層氣有限責任公司 工程技術研究院，西安 710000)

保-平10井是中石油煤層氣忻州分公司位于山西保德縣的一口水平分支井，通過總結該井近年的生產情況，存在4方面的問題：①供液不穩定。日產液由2020-02-08的5.65 m3/d降至2020-07-24的0.45 m3/d，動液面由2020-02-08的596.45 m變化至2020-07-24的586.54 m；②易卡泵停機。該井于2017-08-18因供液不足檢泵完成，隨后正常啟抽，有效排采839 d后，于2019-12-05日發現卡泵停機。作業隊需首先對該井實施解卡作業，若解卡成功則作業車仍需高沖次試抽1～2 h，緩解煤粉沉淀對泵閥的影響。若解卡失敗則進行檢泵作業。于2020-07-29發現卡泵停機，下沖程距離上死點30 cm處卡泵，需要檢泵；③泵掛水平段桿管偏磨嚴重。保-平10水平井原井內為?73 mm平式油管配套?38 mm×3 m多級分段桿式抽油泵，下泵深度為650 m；④產氣量波動大。2020-02-08—2020-07-24日產氣在356～1 225 m3/d之間波動。該井后期動液面585 m，泵掛深度650 m,但產液僅為0.45 m3/d。針對煤層氣保-平10水平井使用有桿泵排采工藝，桿管偏磨、排采泵效率低、能耗高、檢泵周期短等問題，經過反復論證，在上下行程換向、井口限壓、煤粉自清潔、自攜液舉升4個方面進行創新設計，形成了具有煤層氣特色的液力驅動無桿泵排水采氣工藝技術。

1 液力驅動無桿泵排采方案設計

地面動力泵液壓驅動井下活塞上下往復運動，帶動井下抽油泵排液(如圖1)。空心桿輸送動力液，油管與空心桿環空為產出液通道，套管與油管環空為氣體通道，地面換向閥控制井下抽油泵的換向。上行程時，動力液進入液缸，下行程時，進入液缸的動力液返回水箱，動力液反復利用，與產出液不混合。活塞行至液缸最上端時，柱塞從泵筒內脫出，動力液通道與產出液通道打通，能夠沖洗煤粉，防止煤粉堵泵，同時解決抽油泵氣鎖問題。隨著產氣量的上升，產水量的下降，達到自噴產氣時，上提桿式泵0.5 m，上、下插入密封均脫出，氣攜水走空心桿，實現速度管自噴。

圖1 液力驅動無桿泵排采4種狀態

2 井液力驅動排采結構組成

液力驅動排水采氣裝置主要由地面動力站撬裝(如圖2)和井下設備組成。

圖2 液力驅動無桿泵排采地面流程

地面動力站撬裝主要由動力泵、換向閥、節流閥、蓄能器、電控柜、水箱、補液閥、定壓閥等組成。

井下設備主要由液壓缸、特種桿式泵等組成，在上下行程換向、井口限壓、煤粉自清潔、自攜液舉升4個方面進行創新設計，采用井口限壓產生液力反饋并驅動無桿泵下行程，避免水平井桿管偏磨。

3 液力驅動排采管柱設計

保-平10水平分支井液力驅動排采管柱由內、外管組成，外層管柱結構組合由下至上依次為：?73 mm平式母絲堵+?73 mm×9.6 m平式油管+?73 mm篩管×1.5 m+?73 mm篩管×1.5 m+?73 mm液力驅動式管式泵外管(內懸掛?38 mm泵筒)9.6 m+?102 mm液力驅動式管式泵總成(包括空心桿插入密封總成+液缸總成+柱塞總成)10 m+?73 mm平式油管400 m+?73 mm回音標+?73 mm平式油管240 m+?73 mm平式油管懸掛器，如圖3所示。

圖3 保-平10水平分支井管柱結構

內層空心桿管柱結構組合由下至上依次為：密封插管1.4 m+插管變扣0.2 m+?36 mm空心抽油桿及短節640.8 m+懸掛密封管2.4 m。插管變扣設有錐形坐落臺階，坐落密封在空心桿插入密封總成臺階上，調節?36 mm空心桿長度，在錐形坐落臺階上壓全部載荷，坐好井口錨定密封提升裝置， 懸掛密封管高出井口錨定密封提升裝置上端面0.2～0.3 m。

4 液力驅動排采工作程序

調節蓄能器壓力，動力端蓄能器I調節至4 MPa，無桿泵出口回壓端蓄能器II調節至2 MPa。連接管線灌水排除管路中的氣體。采氣樹密封懸掛部位端口與撬裝動力管線連接好，產液出口端通過小四通，其中一個出口與回壓蓄能器II連接，小四通另一個出口連接定壓閥，底部連接水箱，使泵內灌滿水。液缸灌滿水，換向閥調至左位狀態。調節出口端定壓閥壓力初始狀態為2 MPa，無桿泵出口回壓即為2 MPa。通過換向電機調節換向閥換向時間，即調節沖次。換向閥的沖次定好后，通過調節動力泵的排量即可調節無桿泵在行程。開始試驗，先啟動換向閥電機，看換向閥運行狀態，觀察換向閥是否為設定的換向時間。換向閥運行正常后，調節換向閥出口端節流閥為全開狀態，開啟動力泵，進行試驗。測量節流閥出口的回液量，即可判斷無桿泵及液缸的行程。測量定壓閥的出液量，即可得出無桿泵在該沖程、沖次下的日產液量。

剛開始時無桿泵出口端蓄能器II未蓄能，無桿泵前幾個行程未能到達下死點。隨著無桿泵不斷地抽吸，無桿泵出口端壓力逐漸升高，換向后，液缸回液通過節流閥直接排向水箱，幾個行程后，無桿泵便能回到下死點，正常工作。通過調節無桿泵出口蓄能器的壓力、定壓閥的壓力及換向閥出口節流閥的流量，即可調節液缸下行程的時間。

5 問題解決情況及后期自噴生產

本次保-平10井采用液力驅動?70 mm/?38 mm無桿泵排采，泵掛在主井眼的深度為650 m，泵掛處井斜接近80°，于2020-09-03開機啟動，沖次為2 min-1，控制柜變頻器的頻率調到20 Hz時產液量可達到15 m3/d,初期產氣量500 m3/d，可有效解決前言中提出的4個問題(如表1)。隨著產氣量的上升，產水量的下降，保-平10井選用KG36型空心抽油桿為內層管，當達到自噴產氣量1 400 m3/d時，上提桿式泵2 m，空心桿最下端的插入頭脫出，泵上端的橋通主體實現內外連通，氣攜水在空心桿內流動，實現速度管自噴(自噴條件如表2所示)，降低生產成本，提高煤層氣生產經濟效益。

表1 解決方案

表2 速度管攜液自噴條件(入口溫度為40 ℃時，最小實現自攜液所需產氣量的理論值)

續表2

6 結語

針對煤層氣保-平10水平井使用有桿泵排采工藝中桿管偏磨、排采泵效率低、能耗高、檢泵周期短等問題，在上下行程換向、井口限壓、煤粉自清潔、自攜液舉升4個方面進行創新設計，形成了具有煤層氣特色的液力驅動無桿泵排水采氣工藝技術。液力驅動無桿泵排水采氣技術在中石油煤層氣忻州分公司的保-平10井得到成功應用，標志著液力驅動無桿泵排水采氣工藝在煤層氣水平井上首次應用成功，工藝適用范圍廣、一次性投入低、運行維護費用低、節能環保效果好，具有廣闊的應用前景。隨著該項技術的規模推廣應用，將會產生顯著經濟與社會效益。