射流泵在多分支水平煤層氣井排采中的應用分析

張世春，仇澤強， 賈沛強

（1.陜西省煤層氣開發(fā)利用有限公司， 陜西 西安 710119； 2.陜西省煤層氣工程技術(shù)研究中心， 陜西 西安 710119）

彬長區(qū)塊煤層氣開發(fā)在低煤階煤層氣開發(fā)探索出了一條可行的開發(fā)模式，實現(xiàn)了低煤階煤層氣的商業(yè)化開發(fā)。彬長區(qū)塊煤層氣開發(fā)實踐表明，煤粉是影響煤層氣井能否長期、持續(xù)、穩(wěn)定高產(chǎn)的主要因素之一，如果由于關井、卡泵、修井等造成排采間斷或終止，會使得煤層氣井地層壓力波動，解吸得煤層氣可能被重新吸附，裂隙容易被水再次充填，阻礙氣流流動，煤粉滯留在煤層孔隙通道中造成儲層不可逆的傷害，嚴重影響煤層氣井產(chǎn)量，煤層氣井的排采設備選擇是保障煤層氣井長期、穩(wěn)定和連續(xù)排采的前提條件。排采裝置的選擇主要取決于井型、完井方式、井深、井底壓力、水的流速及氣的流速等原因。目前，梁式泵和螺桿泵這兩種裝置在彬長區(qū)塊應用比較普遍，但是有桿泵不適用于斜井及多分支水平井的排采作業(yè)，會造成過量的管桿磨損和設備故障問題，在不同開發(fā)環(huán)境及其他因素影響下煤層氣井仍存在排采技術(shù)和裝備上的突破。針對具體井型及排采過程中存在的吐煤粉及吐砂、卡泵、油桿及油管的偏磨問題導致頻繁修井，無法對煤層氣井進行連續(xù)、穩(wěn)定的排采，借鑒高煤階煤層氣開發(fā)的探索經(jīng)驗及常規(guī)油氣開發(fā)中的技術(shù)及裝備，大膽突破常規(guī)排采方式，采用射流泵在該區(qū)域進行了試排采[1-2]。使用射流泵在該區(qū)塊的多分支水平井中進行排采，取得了較好的排采效果，實現(xiàn)了該井的穩(wěn)定連續(xù)生產(chǎn)。

1 射流泵設計及應用優(yōu)勢

1.1 射流泵選擇

多水平分支煤層氣井采用射流泵時需要考慮泵的排量滿足煤層氣井的產(chǎn)液量，與煤層氣井的排采協(xié)調(diào)，選取的泵需要有足夠的舉升壓力使得產(chǎn)出液能夠攜帶至地面，選擇的泵在不出現(xiàn)氣蝕時的工作效率達到最高，耗能最小，功率最低。

根據(jù)地層參數(shù)、水文條件及鄰近井的產(chǎn)液參數(shù)確定該井的產(chǎn)液區(qū)間。射流泵的環(huán)空管中排出的混合液流量等于吸入流量和動力液流量之和，噴嘴的大小和地面設備施加于動力液的壓力決定了動力液的流量大小，動力液的流量大小直接決定影響到混合液排出地面的水力壓頭大小。當動力液壓力增加時，泵的舉升壓頭增加，同時由于動力液流量也要增加，排出管柱壓力上升。只有當泵的舉升壓頭與排出管柱壓力相等時，泵和煤層氣井的排采工作才能協(xié)調(diào)，所以選泵時需要迭代計算。迭代計算進行選擇射流泵規(guī)格，對不同型號的噴嘴和喉管組合都進行計算，把發(fā)生氣蝕最大的設備組合排除掉，根據(jù)最小氣蝕面積再從剩余組合中進行優(yōu)選，確定最佳的工作參數(shù)組合。當煤層氣井的產(chǎn)液量、管柱尺寸大小、井下設備類型、動力液壓力確定后，就可設計射流泵。根據(jù)地面泵功率、壓力、動力液流量選擇地面柱塞泵型號。

1.2 射流泵結(jié)構(gòu)設計及技術(shù)參數(shù)

選取一口多水平分支井采用同心管射流泵進行試排采。依據(jù)DFS-X 井的井身參數(shù)， 一開井深131.95 m，最大井斜0.2°，二開井深625.00 m，造斜點246.00 m，三開進尺3 733.00 m。其中直井段井斜角≤2.0°，目的煤層頂板垂深527.5 m, 井深651.2 m，井斜角達到36°。DFS-X 井未設計排采井，直接通過工程井進行排采，由于該井井身從地面至目的煤層井斜角過大，采用常規(guī)螺桿泵或抽油機進行抽采下泵難度大、排采過程中容易產(chǎn)生偏磨問題，無法保證連續(xù)穩(wěn)定的排采[3]。

射流泵結(jié)構(gòu)簡單（見圖1），可以用于該井的試排采。同心管中動力液管采用?48.3 mm 油管，混合液管采用?73 mm 油管。井下工具由?73 mm×0.1 m 絲堵+?73 mm×10 m 尾管+?73 mm×3.0 m篩管+?98 mm×1.2 m 射流泵泵筒+?73 mm 油管組成，其中射流泵使用的泵筒直徑為98 mm，泵筒長度1.2 m，嘴直徑1.84 mm，喉管直徑3.12 mm。地面部分設備主要為10 m3液罐，額定壓力20 MPa 的柱塞泵，柱塞泵額定排量6 m3·h-1，電機及變頻器功率為37 kW。

1.3 射流泵技術(shù)特點及優(yōu)勢

同心管射流泵利用高速流動的流體作為工作動力來傳遞能量, 整個舉升過程通過壓能和動能的轉(zhuǎn)換完成,不像其他類型的泵一樣,必須有機械能量和流體能量的轉(zhuǎn)換[4]。地層產(chǎn)出液攜帶地層煤粉通過尾管被吸入到井下射流泵的噴嘴、喉管之間，并隨動力液一起進入喉管，在喉管內(nèi)動力液和產(chǎn)出液混合形成混合液，增壓后的混合液沿?48 mm 油管和?73 mm 油管之間的環(huán)空到達地面。

利用同心管射流泵進行煤層氣井排采，一是攜帶煤粉能力強，排采中可以攜帶出粒徑小于2.8 mm的細微煤粉和部分大顆粒煤粉。動力液通過射流泵噴嘴的排量可通過地面進行調(diào)節(jié)，當調(diào)節(jié)環(huán)空射流泵吸入流速大于管內(nèi)煤粉顆粒的沉降速度時,進入環(huán)空的煤粉能夠帶出井筒。二是不易卡泵，吸入口位于煤層底板之下，管柱吸入口有篩管保護，保護射流泵喉管不被大顆粒煤粉堵住，確保排水采氣連續(xù)進行，可解決煤粉卡泵或黏性細微煤粉黏糊在泵口的問題。三是設備無桿、無運動件，無偏磨問題，設備使用時間長，相對其他設備延長檢泵周期1年及以上，可適應斜井、水平井的排采；四是維護方便，作業(yè)免修期長，不需要起下管柱，井下工具維護點少，可采用液力反循環(huán)起泵檢修，維修時間短，維護成本較低[5-7]。

2 采出液處理流程

煤層氣井排采出的采出液可作為射流泵的動力液，采出液通過動力管柱進入井底，與地層液混合后沿?48 mm 油管和?73 mm 油管之間的環(huán)空到達地面的固液分離罐[8]。煤粉會在固液分離罐中進行沉降，部分液體又可作為動力液沿著管柱進入井筒中，循環(huán)進行流動，固液分離罐中隨著排采液體的增加，多余液體會溢流排到排采水儲備池中。動力液泵采用柱塞泵進行加壓，輸出壓力一般控制在10～12 MPa 之間。

3 射流泵排采的效果分析

3.1 射流泵排采工藝實施效果

DFS-X 井從2018年開始進行射流泵排采作業(yè)。采取定壓排采和定產(chǎn)排采相結(jié)合的模式，前期采用定壓排采平穩(wěn)降低井下壓力，待出現(xiàn)套壓產(chǎn)氣時再定產(chǎn)排采。柱塞泵加壓后動力液壓力維持在10～12 MPa之間，穩(wěn)產(chǎn)階段日產(chǎn)氣量在1 500～2 500 m3·d-1，日產(chǎn)水量 6～10 m3·d-1，該井已連續(xù)排采400 多天，產(chǎn)氣穩(wěn)定，排采效果較好。DFS-X 井生產(chǎn)曲線見圖2。

圖2 DFS-X 井生產(chǎn)曲線

3.2 減少卡泵風險，延長修井周期

彬長區(qū)塊屬低孔低滲儲層，DFS-X 井在連續(xù)排采過程中，有大量煤粉運移產(chǎn)出，但通過底部篩管的保護，部分大顆粒煤粉并未進入環(huán)空，地層產(chǎn)出液所攜帶的小顆粒煤粉由動力液和產(chǎn)出液混合形成混合液一同運移至地面，并在固液分離罐中沉降，未產(chǎn)生卡泵等問題。

在排采過程中有一次修井作業(yè)，修井原因為射流泵配件在運行過程中的磨損所造成，但由于射流泵的安裝自由性，以及檢泵的方便性，在配件充足的情況下，能以最快的速度完成檢修，該作業(yè)無須起下管柱，只需反向注入動力液即可從井筒帶出射流泵的泵芯進行更換，能在較短時間內(nèi)恢復該井的正常生產(chǎn)工作。

同時，由于該地區(qū)地質(zhì)特性，在采用射流泵在多分支水平井中進行排采，對比該區(qū)塊其他排采設備后發(fā)現(xiàn)，射流泵排采過程中，出現(xiàn)修井的情況更少，極大地減少了修井出現(xiàn)的可能性及修井的作業(yè)時長，能在較短時間內(nèi)恢復生產(chǎn)，為該井的連續(xù)作業(yè)生產(chǎn)提供了保障。采用射流泵進行排采避免了煤粉卡泵問題，解決了排采中管桿的偏磨導致的管漏及斷桿問題，延長了煤層氣井在排采過程中的檢泵周期[9]。

3.3 有效穩(wěn)定液面，實現(xiàn)連續(xù)排采

絕大多數(shù)煤層氣儲層具有弱含水,供液能力差的特點,尤其在排采中后期,產(chǎn)液量變低,使得在排采過程中,動液面下降變快,導致井底流壓無法控制，此時就需要調(diào)整泵掛，間斷正常生產(chǎn)；同時,低產(chǎn)液量無法滿足帶出煤粉所需要的流速,使得煤粉在井筒沉降,容易引起卡泵現(xiàn)象,嚴重的需要進行檢泵作業(yè)。生產(chǎn)中遇到以上問題都會影響連續(xù)排采，影響煤層氣井的排采效果[10-11]。

DFS-X 井利用射流泵進行排采，射流泵所注入的高速流體，能滿足地層流體所攜帶煤粉運移的流速，減少卡泵等現(xiàn)象的發(fā)生，同時，隨著排采的進行，動液面的不斷下降，射流泵注入的液體能夠很好地穩(wěn)定液面，保證井下液面的勻速下降，給地層產(chǎn)出液帶來充足的能量，繼而讓井底混合流體能夠不斷被舉升至地面。

通過對比DFS-X井與該區(qū)塊其他井動液面高度可看出，DFS-X 井在采用射流泵排采后，相對于其他井地下液面保持較穩(wěn)定，對于該井的連續(xù)生產(chǎn)起到了良好的作用。

4 結(jié) 論

1）射流泵以水為動力液，經(jīng)過柱塞泵的加壓，利用能量守恒的原理，將井下的煤粉、煤塊和液體舉升至地面，通過調(diào)整射流泵的噴嘴和喉管的匹配，能滿足排采的要求，通過調(diào)整變頻器的頻率即可實現(xiàn)動力液壓力的微調(diào)控制。

2）射流泵無桿和運動部件，所以這種排采工藝能夠適應大斜度井、水平井的要求，泵體可以下放到90 度的位置，從而最大限度地減少液面對產(chǎn)氣量的影響。并且避免了桿管偏磨、卡泵埋泵的問題。

3）射流泵排采工藝的最大特點是易損部件集中在泵芯里，而泵芯的起下僅僅依靠動力液的反循環(huán)就能實現(xiàn)，起下方便檢修簡單，不需要再上修井機作業(yè)。