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摘 要：在新疆阜康白杨河矿区煤层气排采过程中，通过不同排采工艺应用数量出故障情况以及应用效果的对比，证实有杆泵排采工艺是最适合于新疆阜康白杨河示范区煤层气井井身条件和生产状况的排采工艺。
关键词：煤层气井；煤层气开发；排采工艺；抽油机；无杆泵；电潜泵
中图分类号：TE37 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）17-0191-02
引 言
自20世纪80年代初，美国首先对煤层气资源进行开采以来，世界各国竞相开展煤层气的勘探试验和工业开发。目前以美国、加拿大、澳大利亚等国商业化生产最为成功。
对于排水采气设备的设计与选型，美国普遍采用的方法是在生产工作制度中，選择多种排采方式。例如：在产水量较低的煤层气井中（日产水量<60m3），采用数控抽水机、变频调速抽水机等，保证方便、快速调整生产制度，更好的控制液面稳定降低；对于产水量大、且供液能力强的煤层气井（日产水量>60m3），生产前期的主要任务是排水降压，选择电潜泵、大直径管式泵或螺杆泵。
中国的煤层气排采技术主要借鉴美国的开发技术，并借鉴和沿用了油气行业的人工举升设备，主要包括有杆泵、螺杆泵、电潜泵和射流泵等几种举升设备。各种不同工艺的技术特点及适应性分析如下：
1 不同工艺技术特点及适应性分析
1.1 抽油机有杆泵排采工艺
（1）工艺原理
抽油机有杆泵排采工艺俗称三抽系统，地面为抽油机，井下为抽油泵，抽油杆连接地面和井下设备。抽油泵由泵筒和柱塞两大部分组成。将抽油泵下入到井筒液面以下的适当深度，泵柱塞在抽油机的带动下，在泵筒内作上下往复抽吸运动，从而达到从油管内抽吸排水、降低液柱对井底的回压，从油套环形空间采出煤层气的目的。
（2）技术特点
抽油机有杆泵排采工艺具有如下特点：
①技术成熟，适应性强，操作简单，性能可靠，成本较低；
②在排采不同阶段，根据产水量变化调整泵型，并可通过调速电机调频，根据各井情况选择适当的排采强度，因此它的工作深度和排量都能适应大部分煤层气井的排液要求；
③其抽深和排量又能覆盖大多数气井，且通过调频电机调节冲程和冲次，容易实现排量的任意调节。
1.2 螺杆泵排采工艺
（1）工艺原理
螺杆泵系统由地面驱动设备和井下螺杆泵组成，螺杆泵的核心是定子和转子。生产时，不同时刻定子和转子的接触形式是不同的，两点式接触和接触线呈弧线式交替出现，沿着螺杆泵的长度，定子和转子之间会有多个密闭的空间。生产时，转子转动，它们形成的密闭的空间会随着转子的转动不断变换位置，逐渐沿着螺杆泵轴向方向推进，密闭空间内的液体也会随着它向地面排出，而在下端不断形成的密闭空间会陆续的带着液体向上移动，如此循环，实现举升。
（2）技术特点
螺杆泵排采工艺具有如下技术优势：
①地面设备结构简单，占地面积小，非常适应复杂地形，排量和扬程也较适合煤层气井的排水要求；
②投资费用和操作费用较低；
③受固体颗粒和气体影响较小；
④负载稳定，系统效率高。
同时也具有如下工艺缺点：
①定子寿命影响着螺杆泵系统的使用效果；
②在井下出粉出砂较多时，容易卡泵，造成杆柱扭断、脱扣等，检泵困难；
③泵下面万向节不能很好消除偏心距造成的泵身振动，井内震动大；
④一般用于产量小的井或者后期地层供液能力不足时，摩擦产生热量散失慢，致使泵体温度升高，会发生“烧泵”现象。
1.3 电潜泵排采工艺
（1）工艺原理
电潜泵排采工艺是将电潜泵机组装置通过油管下入井下，多级离心泵装置进行高速旋转将地层流体从泵口排出，井中流体就会从油管中排出。流体的排出，使得环空液面高度下降，煤层压力也跟着下降，当煤层压力下降到低于煤层气的解吸压力时，吸附在煤层中的甲烷就会解吸，扩散、渗流产出，进而完成油管排水，套管采气。
（2）技术特点
电潜泵排采工艺具有如下技术优势：
①排量大、扬程高，无脉冲，运转平稳；
②可形成较大的生产压差，理论上可将气井采至枯竭；
③设备结构简单，易损件少，运转周期长，操作和维修工作量小；
④调节性能好，运转可靠；
⑤适合斜井、水平井等井斜角大的情况。
电潜泵工艺同时也具有如下缺点：
①电潜离心泵系统成本相对较高，一次性投入费用大；
②容易烧泵。由于液面低，电机无法散热，导致烧泵情况发生；
③气体含量高时，将会引起气体干扰或气锁；
④腐蚀、砂、垢等对机组寿命影响较大；
⑤对供电系统要求高。
1.4 射流泵排采工艺
（1）工艺原理
射流泵是水力泵的一种类型，它没有运动件，工作时由地面柱塞泵提供高压水作为动力液，通过内管进入射流泵泵芯，由泵芯的喷嘴喷出，在喷嘴和喉管之间产生负压，将地层流体吸入泵筒，通过动力液和采出液之间的能量转换将地层流体举升至井口。
（2）技术特点射流泵排采工艺具有如下优点：
①没有运动部件，不存在偏磨；
②防卡、携煤粉能力强，可正向洗井解堵，方便快捷；
③采用地面投捞修泵换泵，维修简单，时间短，费用低；
④丛式井组可共用一套地面系统，能节约投资费用。
该工艺的缺点如下：
①举升效率较低，通常小于25%，造成能耗大； ②地面系统复杂，设备庞大，建设周期长，维护费用较高；
③防气效果相对较差，为防止气蚀，射流泵排水采气要求较高的吸入压力和较高的沉没度。
2 阜康示范区排采工艺现状
截止2017年12月30日，阜康示范区共有排采井51口，投入排采的有50口井，目前所使用的排采工艺全部为抽油机有杆泵，期间零星使用过螺杆泵、水力无杆泵和电潜泵。经过使用对比，为了方便管理、降低排采维护人员，降低排采成本，后全部弃用。
由于本示范区产水差异较大，各井产水量从小于1m3/d到最大344m3/d，在有杆泵的泵径选择方面，根据实际生产的需要，选择了44mm、56mm、70mm、83mm、95mm等不同型号的有杆泵，不同泵径使用数量分布情况可见图1。
由于泵径的变大，抽油机的载荷也相应增加，故示范区的抽油机包括了4型、5型、6型等不同型号。目前各机型使用情况是4型20台，5型16台，6型16台，不同抽油机使用情况可见图2。
3 阜康白杨河排采工艺适应性分析
阜康白杨河矿区具有总体地质构造简单（基本呈南倾单斜构造），地层倾角大，煤层多、厚度大等特点。根据示范区的地形条件和煤层特点，以及考虑到通过示范工程试验新工艺、新技术进行技术储备的需要，示范工程总体设计采用了以丛式井为主的开发井型，并试验U型井和顺煤层L型井；考虑到示范区煤层多，层间距大，为了控制靶点井距，丛式井采用了直井、三段制定向井和五段制定向井等不同的井身结构；另外，在完井方式上主要采用下套管射孔完井的方式，并在U型井和顺煤层L型井试验筛管完井的方式。
不同井型和不同的完井方式对于排采工艺的要求也不一样。阜康示范工程建设过程中，采用了以有杆泵为主的排采工艺，并试验了螺杆泵、水力无杆泵和电潜泵等不同工艺。不同排采工艺应用及试验效果情况如下：
（1）有杆泵
有杆泵工艺是煤层气常用的排采工艺之一，具有技术成熟，使用可靠等优点。本次示范工程前后共有51口井采用该工艺技术，应用的井型包括丛式井、顺煤层L型井和U型井，完井方式包括了套管射孔完井和筛管完井。在丛式井中应用的井身结构包括了直井、三段制和五段制定向井。有杆泵应用情况见表1。
从目前排采情况看，使用有杆泵的井生产稳定，设备运行状况良好。从修井情况看（见图3），尽管有些井出现了卡泵和不出水等情况造成修井，修井率为51%；但总的来说要远低于螺杆泵，检泵周期也明显较螺杆泵的检泵周期长很多。另外，从设备运行的稳定性、可靠性方面看，也不会出现因某种故障造成无法满足排采制度要求的情况。
总体来看，有杆泵排采工艺基本能满足本区不同井型、不同井身质量情况、不同产水量井的排采需要，稳定可靠，适用性好。
（2）螺杆泵
螺杆泵排采工艺前后试验了10口井，因频繁出现卡泵、脱泵问题，检泵周期短，平均检泵周期仅41.1d，对排采连续性的影响较大，后将螺杆泵全部更换为有杆泵的排采方式，修井检泵情况明显减少，排采连续性得到改善，排采效果也逐渐显现。通过试验证实螺杆泵排采工艺在示范工程区适应性较差。
（3）水力无杆泵
水力无杆泵是一种新型的排采设备，其最大的优点是没有运动部件，不存在偏磨问题。而FSL-X井是示范工程试验的1口顺煤层L型井，采用筛管完井的方式。该井井斜角大，煤粉多，为了防止偏磨造成频繁卡泵，在该井试验了水力无杆泵排采工艺。在前期使用的105d左右设备运行较稳定，基本满足排采要求，后期由于设备本身故障造成运行不稳定，造成流压波动大，不能满足井的正常排采降压要求。总体看，该排采工艺虽然能解决定向井或大斜度井杆管偏磨的问题，但是由于该工艺是近年刚研发的新工艺，还存在运行不稳定，易出故障等问题，不能很好满足煤层气井“连续、稳定、缓慢”的排采要求，不能很好地适应本示范工程煤层气井排采的需要。
（4）电潜泵
电潜泵具有排量大、不存在杆管偏磨问题等优点，特别适合于排量大的井。示范区的FS-XX井处于地层转折部位，产水量异常大，采用常规的抽油机+有杆泵的方式，换大泵后最大排水量约100m3/d，但仍不能满足正常的排采降液要求，因此在该井试验了电潜泵排采工艺。该工艺于2015年7月9日投入使用，日产水量最高达到344m3/d。使用该工艺排采后，FS-XX井流压能够按照排采制度要求缓慢下降，排采初期效果较好，但逐渐无法满足排采要求，至2016年6月4日，电潜泵无法正常启动，检泵作业，发现油管大量结垢（见图4），排采效果一般。
4 结 论
通过不同排采工艺应用数量、出故障情况以及应用效果的对比，证实有杆泵排采工艺是最适合于新疆阜康白杨河示范区煤层气井井身条件和生产状况的；对于极少数产水量异常大的井，电潜泵排采工艺可以作为一个备选方案，但是需要考虑井下结垢问题对电潜泵正常使用的影响。
参考文献
[1]赵 金，张遂安.煤层气井底流压生产动态研究[J].煤田地质与勘探，2013，4.
[2]万玉金，曹 雯.煤层气单井产量影响因素分析[J].天然气工业，2005，25（1）：124～126.
[3]王生维，王峰明，等.新疆阜康白杨河矿區急倾斜煤层的煤层气开发井型[J].煤炭学报，2014，39（9）：1914～1918.
收稿日期：2018-5-15
关键词：煤层气井；煤层气开发；排采工艺；抽油机；无杆泵；电潜泵
中图分类号：TE37 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）17-0191-02
引 言
自20世纪80年代初，美国首先对煤层气资源进行开采以来，世界各国竞相开展煤层气的勘探试验和工业开发。目前以美国、加拿大、澳大利亚等国商业化生产最为成功。
对于排水采气设备的设计与选型，美国普遍采用的方法是在生产工作制度中，選择多种排采方式。例如：在产水量较低的煤层气井中（日产水量<60m3），采用数控抽水机、变频调速抽水机等，保证方便、快速调整生产制度，更好的控制液面稳定降低；对于产水量大、且供液能力强的煤层气井（日产水量>60m3），生产前期的主要任务是排水降压，选择电潜泵、大直径管式泵或螺杆泵。
中国的煤层气排采技术主要借鉴美国的开发技术，并借鉴和沿用了油气行业的人工举升设备，主要包括有杆泵、螺杆泵、电潜泵和射流泵等几种举升设备。各种不同工艺的技术特点及适应性分析如下：
1 不同工艺技术特点及适应性分析
1.1 抽油机有杆泵排采工艺
（1）工艺原理
抽油机有杆泵排采工艺俗称三抽系统，地面为抽油机，井下为抽油泵，抽油杆连接地面和井下设备。抽油泵由泵筒和柱塞两大部分组成。将抽油泵下入到井筒液面以下的适当深度，泵柱塞在抽油机的带动下，在泵筒内作上下往复抽吸运动，从而达到从油管内抽吸排水、降低液柱对井底的回压，从油套环形空间采出煤层气的目的。
（2）技术特点
抽油机有杆泵排采工艺具有如下特点：
①技术成熟，适应性强，操作简单，性能可靠，成本较低；
②在排采不同阶段，根据产水量变化调整泵型，并可通过调速电机调频，根据各井情况选择适当的排采强度，因此它的工作深度和排量都能适应大部分煤层气井的排液要求；
③其抽深和排量又能覆盖大多数气井，且通过调频电机调节冲程和冲次，容易实现排量的任意调节。
1.2 螺杆泵排采工艺
（1）工艺原理
螺杆泵系统由地面驱动设备和井下螺杆泵组成，螺杆泵的核心是定子和转子。生产时，不同时刻定子和转子的接触形式是不同的，两点式接触和接触线呈弧线式交替出现，沿着螺杆泵的长度，定子和转子之间会有多个密闭的空间。生产时，转子转动，它们形成的密闭的空间会随着转子的转动不断变换位置，逐渐沿着螺杆泵轴向方向推进，密闭空间内的液体也会随着它向地面排出，而在下端不断形成的密闭空间会陆续的带着液体向上移动，如此循环，实现举升。
（2）技术特点
螺杆泵排采工艺具有如下技术优势：
①地面设备结构简单，占地面积小，非常适应复杂地形，排量和扬程也较适合煤层气井的排水要求；
②投资费用和操作费用较低；
③受固体颗粒和气体影响较小；
④负载稳定，系统效率高。
同时也具有如下工艺缺点：
①定子寿命影响着螺杆泵系统的使用效果；
②在井下出粉出砂较多时，容易卡泵，造成杆柱扭断、脱扣等，检泵困难；
③泵下面万向节不能很好消除偏心距造成的泵身振动，井内震动大；
④一般用于产量小的井或者后期地层供液能力不足时，摩擦产生热量散失慢，致使泵体温度升高，会发生“烧泵”现象。
1.3 电潜泵排采工艺
（1）工艺原理
电潜泵排采工艺是将电潜泵机组装置通过油管下入井下，多级离心泵装置进行高速旋转将地层流体从泵口排出，井中流体就会从油管中排出。流体的排出，使得环空液面高度下降，煤层压力也跟着下降，当煤层压力下降到低于煤层气的解吸压力时，吸附在煤层中的甲烷就会解吸，扩散、渗流产出，进而完成油管排水，套管采气。
（2）技术特点
电潜泵排采工艺具有如下技术优势：
①排量大、扬程高，无脉冲，运转平稳；
②可形成较大的生产压差，理论上可将气井采至枯竭；
③设备结构简单，易损件少，运转周期长，操作和维修工作量小；
④调节性能好，运转可靠；
⑤适合斜井、水平井等井斜角大的情况。
电潜泵工艺同时也具有如下缺点：
①电潜离心泵系统成本相对较高，一次性投入费用大；
②容易烧泵。由于液面低，电机无法散热，导致烧泵情况发生；
③气体含量高时，将会引起气体干扰或气锁；
④腐蚀、砂、垢等对机组寿命影响较大；
⑤对供电系统要求高。
1.4 射流泵排采工艺
（1）工艺原理
射流泵是水力泵的一种类型，它没有运动件，工作时由地面柱塞泵提供高压水作为动力液，通过内管进入射流泵泵芯，由泵芯的喷嘴喷出，在喷嘴和喉管之间产生负压，将地层流体吸入泵筒，通过动力液和采出液之间的能量转换将地层流体举升至井口。
（2）技术特点射流泵排采工艺具有如下优点：
①没有运动部件，不存在偏磨；
②防卡、携煤粉能力强，可正向洗井解堵，方便快捷；
③采用地面投捞修泵换泵，维修简单，时间短，费用低；
④丛式井组可共用一套地面系统，能节约投资费用。
该工艺的缺点如下：
①举升效率较低，通常小于25%，造成能耗大； ②地面系统复杂，设备庞大，建设周期长，维护费用较高；
③防气效果相对较差，为防止气蚀，射流泵排水采气要求较高的吸入压力和较高的沉没度。
2 阜康示范区排采工艺现状
截止2017年12月30日，阜康示范区共有排采井51口，投入排采的有50口井，目前所使用的排采工艺全部为抽油机有杆泵，期间零星使用过螺杆泵、水力无杆泵和电潜泵。经过使用对比，为了方便管理、降低排采维护人员，降低排采成本，后全部弃用。
由于本示范区产水差异较大，各井产水量从小于1m3/d到最大344m3/d，在有杆泵的泵径选择方面，根据实际生产的需要，选择了44mm、56mm、70mm、83mm、95mm等不同型号的有杆泵，不同泵径使用数量分布情况可见图1。
由于泵径的变大，抽油机的载荷也相应增加，故示范区的抽油机包括了4型、5型、6型等不同型号。目前各机型使用情况是4型20台，5型16台，6型16台，不同抽油机使用情况可见图2。
3 阜康白杨河排采工艺适应性分析
阜康白杨河矿区具有总体地质构造简单（基本呈南倾单斜构造），地层倾角大，煤层多、厚度大等特点。根据示范区的地形条件和煤层特点，以及考虑到通过示范工程试验新工艺、新技术进行技术储备的需要，示范工程总体设计采用了以丛式井为主的开发井型，并试验U型井和顺煤层L型井；考虑到示范区煤层多，层间距大，为了控制靶点井距，丛式井采用了直井、三段制定向井和五段制定向井等不同的井身结构；另外，在完井方式上主要采用下套管射孔完井的方式，并在U型井和顺煤层L型井试验筛管完井的方式。
不同井型和不同的完井方式对于排采工艺的要求也不一样。阜康示范工程建设过程中，采用了以有杆泵为主的排采工艺，并试验了螺杆泵、水力无杆泵和电潜泵等不同工艺。不同排采工艺应用及试验效果情况如下：
（1）有杆泵
有杆泵工艺是煤层气常用的排采工艺之一，具有技术成熟，使用可靠等优点。本次示范工程前后共有51口井采用该工艺技术，应用的井型包括丛式井、顺煤层L型井和U型井，完井方式包括了套管射孔完井和筛管完井。在丛式井中应用的井身结构包括了直井、三段制和五段制定向井。有杆泵应用情况见表1。
从目前排采情况看，使用有杆泵的井生产稳定，设备运行状况良好。从修井情况看（见图3），尽管有些井出现了卡泵和不出水等情况造成修井，修井率为51%；但总的来说要远低于螺杆泵，检泵周期也明显较螺杆泵的检泵周期长很多。另外，从设备运行的稳定性、可靠性方面看，也不会出现因某种故障造成无法满足排采制度要求的情况。
总体来看，有杆泵排采工艺基本能满足本区不同井型、不同井身质量情况、不同产水量井的排采需要，稳定可靠，适用性好。
（2）螺杆泵
螺杆泵排采工艺前后试验了10口井，因频繁出现卡泵、脱泵问题，检泵周期短，平均检泵周期仅41.1d，对排采连续性的影响较大，后将螺杆泵全部更换为有杆泵的排采方式，修井检泵情况明显减少，排采连续性得到改善，排采效果也逐渐显现。通过试验证实螺杆泵排采工艺在示范工程区适应性较差。
（3）水力无杆泵
水力无杆泵是一种新型的排采设备，其最大的优点是没有运动部件，不存在偏磨问题。而FSL-X井是示范工程试验的1口顺煤层L型井，采用筛管完井的方式。该井井斜角大，煤粉多，为了防止偏磨造成频繁卡泵，在该井试验了水力无杆泵排采工艺。在前期使用的105d左右设备运行较稳定，基本满足排采要求，后期由于设备本身故障造成运行不稳定，造成流压波动大，不能满足井的正常排采降压要求。总体看，该排采工艺虽然能解决定向井或大斜度井杆管偏磨的问题，但是由于该工艺是近年刚研发的新工艺，还存在运行不稳定，易出故障等问题，不能很好满足煤层气井“连续、稳定、缓慢”的排采要求，不能很好地适应本示范工程煤层气井排采的需要。
（4）电潜泵
电潜泵具有排量大、不存在杆管偏磨问题等优点，特别适合于排量大的井。示范区的FS-XX井处于地层转折部位，产水量异常大，采用常规的抽油机+有杆泵的方式，换大泵后最大排水量约100m3/d，但仍不能满足正常的排采降液要求，因此在该井试验了电潜泵排采工艺。该工艺于2015年7月9日投入使用，日产水量最高达到344m3/d。使用该工艺排采后，FS-XX井流压能够按照排采制度要求缓慢下降，排采初期效果较好，但逐渐无法满足排采要求，至2016年6月4日，电潜泵无法正常启动，检泵作业，发现油管大量结垢（见图4），排采效果一般。
4 结 论
通过不同排采工艺应用数量、出故障情况以及应用效果的对比，证实有杆泵排采工艺是最适合于新疆阜康白杨河示范区煤层气井井身条件和生产状况的；对于极少数产水量异常大的井，电潜泵排采工艺可以作为一个备选方案，但是需要考虑井下结垢问题对电潜泵正常使用的影响。
参考文献
[1]赵 金，张遂安.煤层气井底流压生产动态研究[J].煤田地质与勘探，2013，4.
[2]万玉金，曹 雯.煤层气单井产量影响因素分析[J].天然气工业，2005，25（1）：124～126.
[3]王生维，王峰明，等.新疆阜康白杨河矿區急倾斜煤层的煤层气开发井型[J].煤炭学报，2014，39（9）：1914～1918.
收稿日期：2018-5-15