頁巖氣井電潛泵排采工藝研究與應用
——以涪陵頁巖氣田為例

陳曉宇

(中國石化江漢油田分公司,湖北潛江 433124)

目前常用的強排工藝主要有氣舉排采、射流泵排采、機抽排采、電潛泵排采4種。氣舉排采受氣源影響大,限制了措施的推廣,射流泵和機抽排采下入深度受限,對深井適應性較差。綜合對比表明,電潛泵排采工藝對涪陵深層中高水氣比氣井適應性最高,為解決垂深3 500 m以深的高產水頁巖氣井生產難題,故開展電潛泵排水采氣工藝研究與應用。

1 電潛泵排采工藝原理

電潛泵排采舉升系統由井下、地面及電力傳送三部分組成(圖1)。井下部分主要有多級離心泵、氣液分離器、電機、保護器和井下監控裝置;地面部分主要有降壓變壓器、變頻控制器、接線盒及井口裝置;電力傳送部分主要為電纜。

圖1 電潛泵排采舉升系統示意

當控制器開關處于合閘狀態時,地面電網輸入電流經降壓變壓器后,由電纜傳送到電機,由于電機軸與離心泵軸連為一體,電機會帶動離心泵的葉輪高速旋轉,從井筒中穿過氣液分離器到達葉輪的液體,在離心力的作用下,從葉輪中心沿葉片間的流道甩向葉輪四周。通過導輪的流道被引向次一級葉輪,因為液體受葉片的作用力,使壓力和速度同時增加,液體在逐次流過各級葉輪、導輪后,壓能增加,逐個泵級疊加可獲得一定的泵揚程,將井下積液排出井口至地面管線[6-8]。

2 電潛泵排采工藝優化設計

2.1 電潛泵排采工況分析

對應用電潛泵排水采氣工藝的頁巖氣井生產規律進行摸索,一般將氣井生產劃分為生產初期、氣水同產期和穩定生產期三個階段,每個階段的特點如下。

生產初期:井筒內液面較高,需要電潛泵強排水迅速降低井筒積液,以最快速度恢復該氣井的產能,此時產液量較大,產氣較少。

氣水同產期:在強排一段時間后,氣井的供液和排液量達到動態平衡,井底流壓降低到設計目標后,進入到氣水同產階段。

穩定生產期(高氣液比):還需要繼續排液,使該井井底保持較低壓力,保證地層與井底的生產壓差,從而保持該井產氣量,避免井液積累在井筒而影響生產,也避免水淹情況的發生。

對工程有影響的基巖裂隙、溶隙水主要指分布于場區灰巖溶隙、裂隙、溶洞內的淺層水體，在場區內局部分布。受裂隙、溶隙或溶洞、巖性組合、高程等因素控制。地塊地下水較貧瘠，久晴，無地下水；久雨，局部存在上層滯水，但由于擬建場地地勢總體較平緩，雨季施工基坑底部將可能局部出現積水、涌水，建議在基坑等低洼處做好排水措施。

電潛泵排水采氣設計考慮初期強排水,中期氣水同采,后期穩定生產的不同工況,結合氣井井斜數據、地層溫度和鄰井產氣、產水等數據,使用專業電潛泵設計軟件進行模擬分析,從而選定電潛泵機組。泵掛深度一般原則上在保證井下機組作業通過性和運行穩定性的前提下盡量下深,以達到最大限度降低井底流壓和擴大生產壓差的目的,保證該井的日產氣量。

2.2 電潛泵排采關鍵技術

跟常規氣井不同,頁巖氣井存在以下難點:①氣井生產時,出液量及產量變化較為劇烈;②井筒內存在砂及其他固體顆粒,易對離心泵產生磨損;③揚程要求高,頁巖氣井電潛泵工藝垂深一般為3 000～3 500 m;④存在游離氣進入離心泵,產生氣鎖現象,對高氣液比工況適應性要求高。

2.2.1 氣液分離技術

主要包括多級分離及組合分離兩種技術。多級分離是較大氣泡在第一級分離,中等體積氣泡在第二級分離,較小體積氣泡在第三級分離;組合分離是指采取兩個分離流程組合,將逆流式、旋轉式或渦流式等不同類型的井下氣水分離器組合,這樣氣體分離效率可以提升至90%。

2.2.2 離心泵含氣處理

為了增強離心泵對氣體的適應性,現場采用組合泵形式,即氣體壓縮泵+多相流泵+寬幅泵。

首先,氣體壓縮泵將氣泡壓縮,與產出水充分混合進入泵筒,入泵自由氣體積含量小于75%,改善離心泵工作環境,防止產生氣鎖現象;其次,MVP多相流泵采用分離葉片和超大平衡孔,能更好地處理高氣液比流體,陡峭的葉片角度可實現大動量傳遞,單級揚程高,最大可適應自由氣體體積含量小于70%,專用于高氣液比井;最后,寬幅泵的排量范圍控制在6～460 m3/d,不僅完全適應氣井出水量逐步減少,從開始的幾百立方米遞減到幾十立方米甚至幾立方米,同時寬幅泵滿足入泵自由氣體體積小于30%情況下運行。

2.2.3 井筒砂及顆粒影響處理

大規模體積壓裂所用支撐劑或其他地層固體顆粒在生產過程中存在隨壓裂液或地層水部分排出的現象,固體顆粒會造成卡泵從而導致過載,其磨損和沖蝕作用會導致泵本體和葉輪損壞,從而縮短電潛泵使用壽命。

采取措施包括兩類:一是在氣體分離器吸入口加裝濾網裝置,避免橋塞碎屑或其他固體顆粒進泵影響井下機組的使用壽命;二是選用流道較寬、對固體顆粒適應性較強的泵,同時配置高強度耐磨軸提高離心泵的耐磨性。

2.2.4 遠程智能監控技術

利用油壓變送器、套壓變送器、井下7參數傳感器對電潛泵井的油壓、套壓、泵入口壓力、泵出口壓力、電機頻率、電機溫度等參數進行監測,通過GPRS模塊對數據和指令進行傳輸,通過電潛泵控制柜執行調整指令。

通過監控工作站,可查看電潛泵井的運行參數以及開關井狀態,并可遠程調整電潛泵運行頻率或啟停泵,同時控制柜通過限電流運行、定頻運行+電流/扭矩三種運行模式可實現自動解氣鎖。

3 現場應用實例

為了進一步評價電潛泵排水采氣工藝在高產水井的適用性,對JD-2、YC-1、YC-2井先后進行了現場試驗,現以JD-2井為例,介紹電潛泵在該井的應用情況。

3.1 JD-2井基本情況

JD-2井于2017年11月17日完鉆,完鉆井深5 778 m,完鉆層位為奧陶系上統五峰組,該井壓裂施工總液量39 539.68 m3,測試返液26 m3/h,返排率9.52%,JD-2井于2018年6月投產,投產初期主要通過放噴排液,產水量高達81 m3/h,放噴激活后采用套管試采,在氣井產能衰減和高產水雙重影響下,套管短期內連續生產,后因與管網壓力持平關井,進入間開階段,整體生產效果較差。截至2019年3月,氣井累計產氣329.6×104m3,累計產水11 547.6 m3。

3.2 電潛泵排采工藝應用情況

JD-2井作為首口電潛泵試驗井,先后進行了兩次作業,相關作業深度見表1。

表1 電潛泵加深前后基礎數據

2019年4月進行下油管及第一次下入電潛泵作業,2019年4月至2020年5月期間,平均日產氣1.42×104m3,平均日產水27.09 m3,生產時率較自噴階段增加48.1%,期間最高排水量為106m3/d,最高產氣量為4.07×104m3/d。

2021年2月完成加深電潛泵作業后,在2021年2月至2021年11月期間,平均日產氣1.42×104m3,平均日產水19.26 m3,生產時率進一步提高,達到93.67%。在垂深3 500 m以深、高低產水條件下,電潛泵排采工藝均展現出良好的適應性(表2)。

表2 JD-2井各階段生產情況

4 結論

1)井下氣液分離、變頻防氣鎖、遠程智能監測等技術提高了電潛泵在頁巖氣井不同返排階段的適應能力。

2)電潛泵排水采氣工藝能夠有效降低井下流壓,擴大生產壓差,保證氣井連續穩定生產,且能夠滿足垂深3 500 m以深的排采要求,有效解決了深層常壓高產水井甚至水淹井的生產問題。