機(jī)抽排水采氣配套新技術(shù)的研究與應(yīng)用

摘 要

摘要：排水采氣是氣藏生產(chǎn)中后期維持氣井生產(chǎn)的重要措施之一，其工藝較多，對于產(chǎn)水量小于100m3/d、產(chǎn)層深度小于3000m的低壓氣藏，機(jī)抽排水采氣具有不增加對地層回壓、理論上可將氣
摘要：排水采氣是氣藏生產(chǎn)中后期維持氣井生產(chǎn)的重要措施之一，其工藝較多，對于產(chǎn)水量小于100m3/d、產(chǎn)層深度小于3000m的低壓氣藏，機(jī)抽排水采氣具有不增加對地層回壓、理論上可將氣采至枯竭等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，但由于常規(guī)有桿泵排水采氣工藝存在泵掛深度淺、泵效低、檢泵周期短等問題，限制了機(jī)抽排水采氣的應(yīng)用。通過對機(jī)抽排水采氣配套的防腐防氣整筒式金屬柱塞陶瓷泵閥泵、組合式井下高效多相分離器、抽油泵承載閥等配套裝備的研發(fā)和對整個(gè)機(jī)抽排水采氣系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使泵效與檢泵周期得到了較大提高。針對宋8井機(jī)抽排水采氣存在的主要問題，提出了合理的配套技術(shù)方案與措施。結(jié)果表明，應(yīng)用新的配套技術(shù)后泵效在70%以上、檢泵周期超過4個(gè)月，明顯高于常規(guī)機(jī)抽排水采氣技術(shù)水平，較好地滿足了機(jī)抽排水采氣的需要。
關(guān)鍵詞：排水采氣；配套；技術(shù)；泵效；深度；周期
1 機(jī)抽排水采氣應(yīng)用概況
機(jī)抽排水采氣是氣田進(jìn)入中后期維持氣井生產(chǎn)的重要措施之一，具有工藝井不受采出程度的影響、理論上能把天然氣采至枯竭、特別適合低壓井等特點(diǎn)。
目前，川渝地區(qū)機(jī)抽排水采氣工藝的應(yīng)用狀況為：①機(jī)抽排水采氣工藝設(shè)計(jì)的泵掛深度一般在2000m左右，排水量在80m3/d以下，泵效在70%以下，平均檢泵周期在100d以內(nèi)；②針對加深泵掛深度、提高機(jī)抽系統(tǒng)泵效、延長檢泵周期的配套技術(shù)實(shí)施狀況參差不齊。
2 現(xiàn)有技術(shù)的不足之處
2.1 泵掛深度淺
泵掛深度是制約機(jī)抽排水采氣應(yīng)用的主要因素，川渝地區(qū)所開展機(jī)抽排水采氣工藝井的泵掛深度多在2000m左右，不超過2500m。而在目前有桿泵抽油井中，應(yīng)用超高強(qiáng)度H級鋼質(zhì)抽油桿的油井泵掛深度已達(dá)到了4422m，應(yīng)用玻璃鋼-鋼混合桿柱的油井泵掛深度已達(dá)到了5120m[1]。超高強(qiáng)度H級抽油桿和玻璃鋼抽油桿在油井深抽方面的應(yīng)用，為機(jī)抽排水采氣井進(jìn)一步加深泵掛提供了可能性。但由于氣井機(jī)抽排水的特殊性，需要對桿柱組合進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)加深泵掛深度的目的。
2.2 泵效低
排水采氣井氣液(水)比較高，抽油泵屬往復(fù)式容積泵，氣體對泵效的影響較大。氣、水的黏度遠(yuǎn)低于原油，在泵閥和泵筒處極易漏失，也是造成泵效低的原因之一。川渝地區(qū)機(jī)抽排水采氣井的泵效多在30%～70%之間，泵效低制約了機(jī)抽排水采氣工藝的應(yīng)用。
2.3 免修期短
油井的檢泵周期平均在半年左右，但機(jī)抽排水采氣井受柱塞磨損、井下裝置腐蝕、砂垢卡泵影響，檢泵周期一般較短。
3 機(jī)抽排水采氣配套技術(shù)
3.1 增加泵掛深度的配套技術(shù)
3.1.1 深抽減載裝置
深抽減載裝置是一種增產(chǎn)、節(jié)能的新型裝備，其作用是將上沖程由抽油桿和抽油機(jī)懸點(diǎn)承擔(dān)的部分載荷通過該裝置轉(zhuǎn)移到油管上，從而減小了桿柱與懸點(diǎn)載荷，有利于進(jìn)一步加深下泵深度[2]。深抽減載裝置是由減載機(jī)構(gòu)(圖1-a)和深并抽油泵兩部分組成。其工作原理為：上沖程時(shí)，減載機(jī)構(gòu)的柱塞Ⅰ、柱塞Ⅱ及深井泵柱塞隨抽油桿柱一起向上運(yùn)動，與此同時(shí)，油管液柱壓力、減載呼吸孔處的套管壓力在柱塞Ⅱ上下產(chǎn)生的壓力差對抽油桿柱產(chǎn)生一個(gè)向上的合力，將作用在抽油桿上的力轉(zhuǎn)移到與減載裝置相連的油管柱上，實(shí)現(xiàn)了減載裝置的減載作用；下行程時(shí)，減載裝置游動組件隨抽油桿一起向下運(yùn)動，此時(shí)深井泵游動閥打開，固定閥關(guān)閉，完成排液過程。
3.1.2 玻璃鋼抽油桿
玻璃鋼是一種纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料，它具有抗拉強(qiáng)度高、重量輕、彈性好、耐腐蝕、能實(shí)現(xiàn)超沖程工作等顯著優(yōu)點(diǎn)。玻璃鋼抽油桿的密度(1.92～2.05g/cm3)只有鋼桿密度(7.85g/cm3)的四分之一。應(yīng)用玻璃鋼抽油桿可以大大降低抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷，實(shí)現(xiàn)深抽深采。鑒于玻璃鋼抽油桿柱不能承受壓力，桿柱下部一般采用鋼柱或加重桿組成玻璃鋼-鋼混合桿柱。玻桿的彈性模量為0.5×105MPa左右，也僅為鋼桿彈性模量(2.1×105MPa)的四分之一。通過優(yōu)化抽油機(jī)工作參數(shù)和合理設(shè)計(jì)組合桿柱，可使抽油泵柱塞獲得超沖程，實(shí)現(xiàn)增液增產(chǎn)[3]。
3.2 提高泵效、延長檢泵周期的配套技術(shù)
3.2.1 防腐防氣整筒式金屬柱塞陶瓷泵閥泵
抽油泵是機(jī)抽系統(tǒng)中的三抽設(shè)備之一，也是機(jī)抽系統(tǒng)的核心與關(guān)鍵部件。根據(jù)抽油泵的組裝方式可以將抽油泵分為：組合泵、整筒泵兩類。根據(jù)抽油泵柱塞的密封方式可以將抽油泵分為：軟密封柱塞抽油泵、金屬密封柱塞抽油泵。由于組合泵制造、加工、運(yùn)輸時(shí)存在種種不便，目前組合泵已基本上被淘汰，而軟柱塞泵由于耐磨性差，往往檢泵周期較短。
排水采氣井較油井而言有以下的特殊性：氣液比較油井高、氣水混合液的黏度低導(dǎo)致的泵筒處易漏失、天然氣和地層水中往往含有H2S、CO2、Cl-等腐蝕雜質(zhì)。應(yīng)用表面采用鍍鉻泵筒、噴焊鎳基合金柱塞和陶瓷泵閥的防腐防氣整筒式金屬柱塞泵，具有較強(qiáng)的防腐、防氣及耐磨性能，有助于改善目前常規(guī)抽油泵存在的問題，提高泵效和延長檢泵周期。
3.2.2 組合式井下高效多相分離器
排水采氣井氣液比高，氣體對泵效的影響很大。為了消除氣體對機(jī)抽排水采氣的影響，開發(fā)了組合式新型高效井下多相分離器(圖1-b)。該分離器底部是重力式分離器，頂部是螺旋式分離器。該組合提高了螺旋式分離器排氣開關(guān)閥的可靠性，防氣、防砂性能優(yōu)良。組合式井下高效多相分離器的工作原理：上沖程時(shí)，混合液體沿分離器與套管間環(huán)空上升到達(dá)進(jìn)液孔時(shí)，由于換向作用，密度小不易換向的部分大直徑氣泡繼續(xù)向上運(yùn)動進(jìn)入油套環(huán)形空間，砂子則沉入井筒底部沉砂口袋中，形成第一次分離，第一次分離后，上沖程時(shí)沿重力分離段外管和中心管間環(huán)空下行的流體，經(jīng)過多級分離杯的分離，液體沿中心管上行氣體積聚在環(huán)空中；下沖程時(shí)，抽油泵停止進(jìn)液，積聚在環(huán)空中的氣體上行并從進(jìn)液孔進(jìn)入油套環(huán)空，砂粒則沉降進(jìn)入下部沉砂管中，形成第二次分離。上沖程時(shí)，沿重力分離段中心管上行的含少量氣泡的液體進(jìn)入螺旋分離段，由于螺旋葉片的導(dǎo)向而強(qiáng)迫進(jìn)行離心運(yùn)動，密度較大的液體進(jìn)入螺旋段四周最后經(jīng)泵排出，密度小的氣體在螺旋心管中積聚；下沖程時(shí)，中心管中的氣體在密度差的作用下上行并頂開排氣閥進(jìn)入油套環(huán)空，形成第三次分離。
3.2.3 承載閥
為了防止抽油泵氣鎖和防止油管內(nèi)臟物沉降至泵筒造成的卡泵，研發(fā)了排水采氣使用的承載閥裝置(圖1-c)，其主要的功能是：①下沖程時(shí)承載閥機(jī)械啟閉作用形成負(fù)壓，便于泵內(nèi)氣體的排出以消除氣體影響，進(jìn)而提高泵效；②防止停泵和下沖程時(shí)，油管內(nèi)的臟物回落入泵筒引起卡泵，延長檢泵周期。
承載閥的工作原理：下沖程開始的瞬間，固定閥在自重作用下關(guān)閉，游動閥受氣體的影響仍處于關(guān)閉的狀態(tài)。隨著柱塞和閥桿的繼續(xù)下行，承載閥下部與柱塞之間形成負(fù)壓，在負(fù)壓的作用下上下游動閥及時(shí)打開，便于泵內(nèi)氣液轉(zhuǎn)移至柱塞以上泵筒中，從而消除氣體對泵效的影響，與此同時(shí)，承載閥的關(guān)閉阻止了下行程時(shí)泵上部井液中的固相顆粒進(jìn)入泵筒而影響泵的正常工作；上沖程時(shí)，游動閥關(guān)閉，環(huán)形承載閥在閻桿帶動下很快開啟，隨著柱塞的上行，即把柱塞上部泵筒內(nèi)的井液排出泵筒，同時(shí)在沉沒壓力作用下固定閥開啟，柱塞下部泵筒內(nèi)吸入井液。如此反復(fù)運(yùn)行，達(dá)到不斷吸、排液的目的。
3.3 機(jī)抽排水采氣工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件研制
根據(jù)排水采氣井的地質(zhì)資料、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、測井資料等數(shù)據(jù)，在目前較為成熟的理論研究成果的基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步對機(jī)抽井的理論研究工作，研制出了“機(jī)抽排水采氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件”。該軟件分為機(jī)抽井校核、機(jī)抽井設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)抽井設(shè)計(jì)、機(jī)抽井管理、機(jī)抽井診斷、實(shí)測系統(tǒng)效率計(jì)算、軟件幫助7大子系統(tǒng)[4～5]。應(yīng)用該軟件，在供排協(xié)調(diào)條件下對機(jī)一桿一泵系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與參數(shù)、設(shè)備等的優(yōu)選，其優(yōu)化設(shè)計(jì)流程如圖2所示。
 

4 應(yīng)用實(shí)例
4.1 宋8井概況及存在的問題
川南宋8井，產(chǎn)層井段為2605～2616m，產(chǎn)層中部井深2610m，井底壓力為6.05MPa。該井實(shí)施機(jī)抽排水采氣以來，先后檢泵7次，但生產(chǎn)一直不正常，產(chǎn)氣量僅為0.4×104～0.7×104m3/d，排水量一直很小，一般排水量為4～12m3/d，且每次檢泵后正常抽出水時(shí)間在20d左右。通過分析，宋8井機(jī)抽排水采氣存在的問題主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①抽油泵采用軟密封深井泵，耐磨能力差，密封膠皮容易脫落，容易磨損，壽命低，且無防氣能力，易發(fā)生氣鎖，泵效低；②原采用的油氣分離器氣液分離效果差，易使大量游離氣進(jìn)泵，使泵效降低；③宋8井處于氣田開采后期，地層出砂嚴(yán)重，實(shí)施機(jī)抽排水采氣工藝以來地層大量地出砂，原有的油氣分離器分砂效果差，易使砂粒進(jìn)入泵筒，發(fā)生卡泵；④油管中的砂、垢等物易落入泵筒，引起卡泵。
4.2 配套的技術(shù)方案與措施
該井井下配套裝置采用前述Ф44mm防腐防氣整筒式金屬柱塞泵、組合式井下高效多相分離器、承載閥裝置。井下桿管柱結(jié)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，在現(xiàn)有抽油機(jī)條件下，采用Ф25.4mm×820m+Ф22.2mm×800m+Ф19.1mm×700m的D級抽油桿方案(圖3)。但由于機(jī)抽井少，桿柱調(diào)節(jié)困難，仍采用原井桿柱(即泵掛2200m)，且由于配套抽油桿短節(jié)缺失，上部Ф25.4mm抽油桿與光桿之間采用臨時(shí)加工的普通平扣短節(jié)代替。
 

4.3 宋8井機(jī)抽排水采氣效果
配套技術(shù)實(shí)施后機(jī)抽系統(tǒng)一次性復(fù)抽成功，并且保持穩(wěn)定排水。連續(xù)生產(chǎn)121d后，因抽油桿與光桿間的普通平扣短節(jié)處發(fā)生斷裂而停機(jī)檢泵，起出井下配套工具，經(jīng)檢查井下工具完好，完全可以繼續(xù)使用。本周期，共產(chǎn)水3973.34m3，平均日產(chǎn)水32.54m3，平均泵效為68%；扣除停電時(shí)間，按實(shí)際抽汲時(shí)間計(jì)算，則平均日產(chǎn)水為38.45m3，平均泵效為74%。顯然，無論其日產(chǎn)水量、平均泵效還是檢泵周期，顯著高于原裝備水平。
5 結(jié)論與認(rèn)識
1) 機(jī)抽排水采氣具有不增加對地層的回壓、理論上可將天然氣采至枯竭等優(yōu)點(diǎn)，是低壓產(chǎn)水氣井有效的排水采氣手段。
2) 隨著H級超高強(qiáng)度抽油桿、玻璃鋼抽油桿、深抽減載裝置的使用，目前排水采氣井的允許泵掛深度可進(jìn)一步加深，機(jī)抽的適用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。
3) 防腐防氣整筒式金屬柱塞陶瓷泵閥泵、承載閥、井下多相分離器的配套使用，很好地解決了機(jī)抽排水采氣系統(tǒng)柱塞易磨損、泵效低、易氣鎖、易砂卡的問題。
4) 宋8井應(yīng)用配套技術(shù)裝備后，泵效、檢泵周期、排水量得到較大提高，其使用的配套技術(shù)裝備值得推廣應(yīng)用。
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(本文作者：楊志 欒國華 梁政 鄧雄 廖云虎 西南石油大學(xué))