潜油电泵在煤层气丛式井中的改造研究

赵祉友，丁学光，邓 辉

（1.沁水蓝焰煤层气公司，山西 晋城 048204；2.大庆油田力神泵业有限责任公司，黑龙江 大庆 163311）

潜油电泵在煤层气丛式井中的改造研究

赵祉友1，丁学光2，邓 辉2

（1.沁水蓝焰煤层气公司，山西 晋城 048204；2.大庆油田力神泵业有限责任公司，黑龙江 大庆 163311）

有杆泵排采设备在煤层气丛式井现场排采作业中普遍存在杆管偏磨、泵效低下的问题，影响着煤层气丛式井的连续平稳运行；而电潜泵机组应用于煤层气丛式井可从根本上避免上述问题。针对煤层气丛式井的生产特性，文章对常规电潜泵机组进行了技术改造研究，包括：排量改造、通过能力改造、加深泵挂工艺改造、防气技术等。通过这些改造，可使电潜泵排采技术形成为一套完善的煤层气丛式井排采工艺技术。

电潜泵机组；煤层气丛式井；适应性改造

1 概述

丛式井具有占用土地面积少、钻井成本低、集输流程简化、便于集中管理等优点，适合于晋城矿区煤层气开发的需求。目前，晋城煤业集团在晋城矿区已施工煤层气丛式井38组，初步掌握了一套完整的工艺和技术，井网采用近菱形网格布置，每组丛式井布置3～4口定向井。采用简单的直、增、稳三段式井身剖面，最大井斜角在15°～40°，井眼曲率范围在3°～4°/100m［1］。图1是某口煤层气丛式井三维简图。

图1 某口煤层气丛式井的三维简图

目前，煤层气丛式井的排采作业，主要采用有杆泵设备。在现场排采作业中有杆泵设备普遍存在杆管偏磨、泵效低下的问题，影响着煤层气井的连续平稳运行；而电潜泵机组由于无往复摩擦部件，将其用于煤层气丛式井可从根本上避免上述问题。但是常规电潜泵直接用于煤层气井排采效果并不理想［2］。因而，针对煤层气丛式井大井斜、小排量、排量变化大、高含气等生产特性，需对常规电潜泵机组进行一系列的适应性改造研究，包括：排量改造、通过能力改造、加深泵挂工艺改造、防气技术研究等。

2 电潜泵在煤层气井的排量改造

2.1 扩大电潜泵的排量范围

整个排采周期中，煤层气井的产水量变化大，必须扩大常规电潜泵的排量范围，以适应煤层气井不同排采阶段的产水要求。排采初期，需将井中的大量压裂液排出，尽快降低煤储层压力，促使煤层气解吸。此阶段，要求电潜泵在保证不大量出煤粉、吐砂的基础上，进行快速抽排。可以通过变频器来调高离心泵的产液量，此时离心泵主要工作在特性曲线的高效区B（见图2）。

图2 潜油泵的特性曲线

排采正常生产期，煤储层压力已经降至临界解吸压力以下，根据高产稳产的生产要求，需要维持一定的动液面高度。此阶段，要求电潜泵的排量范围大，使产液量与地层的供液能力相平衡。可以通过变频调整动液面高度，离心泵工作在特性曲线的A区。

在排采后期，煤层气井的产液量大幅降低。此阶段，要求电潜泵能够实现间歇抽吸，自动保持动液面高度，防止抽空。可以通过地面控制部分的欠、过载和欠、过压保护功能，实现对机组的保护。再者，可以通过设置延时自启动功能，设置其停机一段时间，动液面恢复到一定高度后，机组自动启动而恢复运转。

由上可知，利用离心泵的固有特性和变频控制功能，可灵活控制煤层气排采过程中的产水量变化。

2.2 电潜泵的小排量改造

晋城矿区煤层气井现场的排采统计表明，煤层气井稳产后产水量普遍下降10m3/d以下［3］。为解决电潜泵初期选型偏大，因供液不足造成机组频繁欠载停机等问题，必须对电潜泵进行小排量改造。

小排量电潜泵主要采用水力性能更好的叶导轮，实现泵的高扬程、高效率、高可靠性；再者，采用变频器降频，降低电机转速，减少泵的排量，扩大排量范围。通过采取以上措施，使小排量电潜泵排量范围降至5～20 m3/d，并尽可能使电潜泵工作在特性曲线的高效区B区，可以满足大多数煤层气井各排采阶段的排采需求。

3 电潜泵用在丛式井的通过能力改造

考虑到煤层气丛式井的井斜和狗腿度，为了确保机组在定向井安全下放和正常工作，需要建立机组通过能力的评价机制，进而对机组的通过能力进行改造。对电潜泵机组通过能力的评价，包括3个条件：（1）强度条件：各部件的最大弯曲和轴向拉伸组合应力小于屈服应力，确保不发生塑性变形。（2）刚度条件：各部件的弯曲转角分别小于许用转角，确保不会引起配合误差、增加磨损。（3）摩阻力条件：油管自重产生的推力大于机组摩擦阻力，确保机组顺利下放。

通过对机组下放过程的力学分析，得到机组各部件的最大工作应力、弯曲转角、上端泵轴向力；进而结合材料屈服应力、许用转角等参数，重新选择电潜泵部件的材料，改进相关防护装置，最终达到在定向井中安全下放和正常工作的目的。

4 加深泵挂工艺的改造

为了有效降低井底流压，使煤层的储层压力降至临界解吸压力以下，这就要求煤层气井排采时泵的吸入口位置放到射孔段以下；而常规电潜泵为了保证电机表面有效散热，一般要求机组安装在射孔段之上，从而使电潜泵的下泵深度受到限制。因此，需对常规电潜泵进行加深泵挂工艺改造。根据煤层气井采用的不同套管规格，主要采用两种加深泵挂工艺技术。

4.1 φ7″及以上大套管中的加深泵挂工艺技术

对于φ7″及以上的大套管，由于其环形空间的尺寸较大，在保证过流面积的前提下，可在泵吸入口及其以下部位设计安装一个导流罩，见图3。

排采过程中，井液从煤层射孔段流出后，顺导流罩和套管间的环形空间向下流动进入导流罩内，经过电机和保护器，进入吸入口。这一过程中井液流经电机表面，达到了冷却电机的目的；增加了泵吸入口压力，可使井液脱气量减少；井液向下流动，气体向上运动，起到了气液分离的作用。

图3 机组加深泵挂示意简图

4.2 φ5.5″及以下小套管中的加深泵挂工艺技术

对于φ5.5″及以下小套管，由于受到环形空间尺寸的限制，不能采用大套管中的加深泵挂工艺技术。目前，电潜泵的耐温等级（150℃）与煤层气井井底温度（15～30℃）相比，尚有较大富余能力。基于此，计算确定电机有效散热的最小排量界限和在此排量下的下泵深度界限，直接将电潜泵下到煤层气井射孔段以下的口袋中，并让电潜泵在额定排量以下、最小排量以上运行，可以满足排采要求和减小电机运行负荷。

5 防气技术的研究

采用常规电潜泵进行排采作业，当井液中游离态的煤层气含量大于电潜泵的设计允许值时，会造成电潜泵工作性能的不稳定，排量、扬程、效率下降、机组欠载等问题，严重时还会发生气锁，最终使潜油泵停止排液，甚至损坏。基于此，必须进行相应的防气技术研究。

5.1 研制排水采气专用锥形泵

煤层气井排采中后期，产出液中含气量高，为了增强离心泵对气的适应性，可将离心叶轮和其它叶轮进行匹配组装，利用离心叶轮控制泵的产液量，利用其它叶轮对气适应性强的优势，保证泵整体不会产生气锁，保持连续工作。这种设计从下到上使叶导轮的排量和压头逐渐减小，使叶导轮流道始终处于饱和状态，有利于提高电潜泵的系统效率。

5.2 研制排水采气高效气液分离器

高效气液分离器安装在离心泵的入口端。生产过程中，气液两相流体首先进入高效分离器，使气、液分离，分离出的气体排放到油套环空，分离出的井液输送到泵入口，从而减小游离气对离心泵的影响。资料表明，气液分离器可分离气液两相总体积35%的游离气，分离效率可达90%以上。

5.3 研制排水采气专用气体处理器

气体处理器是近年来发展的新技术，可装在气液分离器和离心泵之间，也可替代气液分离器单独使用。其中安装的叶导轮抗气蚀能力强，当较大量煤层气进入气体处理器后，不会形成气锁，并强力推动气液两相流体继续向上运行，进入离心泵。虽然两相流体进入离心泵后可能会形成气锁，但是通过气体处理器的强力推动，使气锁段向上推移直至推出离心泵，从而保证整机的正常工作。

在现场应用中，可以根据煤层气井现场排采情况，优化组合上述几种防气技术，从而减小或消除煤层气对电潜泵工作的影响。

6 结束语

（1）电潜泵机组用于煤层气丛式井排采作业，可从根本上避免杆管偏磨、泵效低下等问题。（2）针对煤层气丛式井的生产特性，本文提出了对常规电潜泵机组的一系列的适应性改造方案，包括：排量改造、通过能力改造、加深泵挂工艺改造、防气技术等。（3）对常规电潜泵机组进行上述适应性改造后，可使电潜泵技术形成为一套完善的煤层气丛式井排采工艺技术；为电潜泵在煤层气开发领域的大规模应用打下坚实的基础。

[1] 王西民.煤层气丛式井钻进工艺[J].煤炭技术，2009，28（2）：130～131.

[2]董振刚，邓辉，邹玉平.煤层气井机械排采技术应用与实时监测[D].2008年煤层气学术研讨会论文集，2008：390-394.

[3] 程林峰.煤层气排采井的生产管理[J].中国煤层气，2005，2（4）：39-42.

Abstract:In drainage and production of cluster wells for coal-bed methane(CBM),beam pumping equipments have some common problems,like worn rod string and low pump efficiency,which influence the continuous and stable production of CBM.Electric submersible pumping unit can avoid those problems.Based on the production characteristics of CBM,the paper studies the reform of the conventional electric submersible pumping unit,including a set of improvements including:flow rate,carrying capability,pump setting technology,and defending gas technique,etc.Those improvements can built a set of better drainage and production technology with cluster wells for CBM.

Keywords:electric submersible pumping unit;cluster wells for coal-bed methane;adaptability reform

编辑：徐树文

Reform on Electric Submersible Pumping Unit in Cluster Wells for Coal-Bed Methane

ZHAO Zhi-you1,DING Xue-guang2,DENG Hui2
（1.Qinshui Lanyan CBM Co.,Jincheng Shanxi 048204,China;2.Lishen Pumping Co.,Daqing Oilfield,Daqing Heilongjiang,163311,China）

TE933+.3

A

1672-5050（2010）07-0046-03

2010-05-10

赵祉友（1982—），男，山东潍坊人，研究生，助理工程师，主要从事煤层气开发利用研究工作。