煤层气井桥式无污染连续冲灰工艺研究

刘建伟 崔金榜 段宝玉 吕 莉

(华北油田公司采油工艺研究院, 河北 062552)

沁水煤层气田是我国发现的第一个高阶煤煤层气田, 主要采用直井/丛式井压裂排采和多分支水平井开发技术。煤层气井在完井、排采等开发过程中会产生大量的煤粉煤屑, 部分井出灰很严重 (图1) , 仅靠日常生产排出的水不能将煤粉全部排出,未排出的煤粉及大颗粒固体将沉降聚集在口袋里。排采时间越长, 聚积的煤粉越多, 生产管柱被埋的几率就越高。目前山西沁水煤层气开发中清除井底口袋堆积煤粉主要采用的是冲煤粉方法和捞煤粉方法。冲砂工艺的缺点是正冲或反冲时, 循环水不断地冲刷和渗入煤层, 必然会造成近井地带的污染,部分煤层气井漏失严重, 直接冲砂会使大量的水进入煤层。捞砂工艺的缺点： 一是捞砂泵在装满砂子后必须将全套管柱提出, 把砂排净后再下放管柱,对于砂埋严重的井, 多次起下管柱使这种工艺费时, 成本高; 二是对于大斜度井用下放上提油管柱顿击砂面的方法不适宜。为此研究出一种煤层气井桥式无污染连续冲洗煤灰工艺。该工艺主要用于清除煤层气井的口袋堆积物, 可实现一次管柱连续冲砂20m 以上, 而且能有效的保护煤层。

1 工艺原理

结合沁水煤层气直井套管完井的具体井况, 包括井身结构、井深及埋砂颗粒等设计了本套冲灰工艺管柱, 主要由桥式无污染冲灰分流器和可伸缩式冲灰喷管组成。利用皮碗和封隔器封隔煤层, 采用1．900″油管与油管通过上过桥、下过桥组成小环空, 形成皮碗与封隔器之间油管内的水力封闭循环, 以避免注入水和返排水对于煤层的冲刷和污染。下过桥接可伸缩式冲灰喷管, 在冲灰作业过程中可以随冲灰面的不断下降而自动伸长, 避免了常规捞砂频繁上提下放管柱的作业程序和管柱与井壁之间的摩擦, 同时也避免了管柱下行时不断解封和座封封隔器的作业程序, 实现了连续冲灰的目的。

2 工艺管柱

煤层气井桥式无污染连续冲灰工艺管柱主要由桥式无污染冲灰分流器和可伸缩式冲灰喷管组成,如图1 所示。

图1 煤层气井桥式无污染连续冲灰工艺管柱

2．1 桥式无污染冲灰分流器

桥式无污染冲灰分流器主要由上过桥、皮碗座(皮碗) 、油管短节、上插管、特殊接头、下插管、封隔器和下过桥组成。

各部分的作用为： 上、下过桥内有贯通的侧孔和上下通孔, 可以改变注入水和返排水的水流通道; 皮碗用于封隔煤层顶部; 油管短节用于皮碗座和特殊接头、特殊接头和封隔器之间的连接; 封隔器用于封隔煤层底部; 上插管连接上过桥并插入特殊接头中, 形成进液通道; 下插管连接特殊接头并插入下过桥, 为注入水进入下部可伸缩式冲灰喷管提供通道。

整体作用为： 利用皮碗和封隔器封隔煤层, 采用1．900“油管与”油管通过上过桥、下过桥组成小环空, 形成皮碗与封隔器之间油管内的水力封闭循环, 以避免注入水和返排水对于煤层的冲刷和污染。

2．2 可伸缩式冲灰喷管

由四根不同直径的钢管相互套装组成, 包括提升部分、变扣部分、伸缩部分、摩擦部分、限位部分和喷射部分, 喷管全部伸展后总长达32．7m, 配合管柱后可以完成冲洗煤层气井40～50m 口袋的要求。

可伸缩式冲灰喷管具体设计：

提升部分用于连接可伸缩式冲灰喷管和油管柱, 还可用于起下整个喷管; 变扣用于连接提升部分短节与伸缩部分; 伸缩部分具有能在水压作用下伸展, 而在碰到射流无法破坏的坚硬井底时, 继续下放管柱便回缩的功能; 摩擦部分的材质是耐油橡胶, 在管与管发生相对运动时产生摩擦, 具有延缓喷管伸缩的作用; 限位部分用于限位密封橡胶、伸缩部分和固定喷嘴; 密封部分的材质是耐油橡胶,具有密封间隙、防止注入水渗漏的作用; 喷射部分具有将注入水发散产生射流的作用。

整体作用为： 油管柱底部接可伸缩式冲灰喷管, 在冲灰作业过程中可以随冲灰面的不断下降而自动伸长, 避免了常规捞砂频繁上提下放管柱的作业程序和管柱与井壁之间的摩擦, 同时也避免了管柱下行时不断解封和座封封隔器的作业程序。

3 地面循环系统

地面循环系统包括控制柜、电机、离心泵、带有滤网的罐车、连接管线和压力计。

控制柜保障电机稳定运行; 电机带动离心泵提供动力来源; 罐车装载冲灰水, 提供动力液来源,罐内装有滤网, 可将返排水过滤后循环使用; 连接管线用于离心泵、罐车和冲灰管柱之间的连接; 压力计安装在泵的出口处, 用于显示供液压力, 监视循环系统是否发生堵塞。

4 参数计算

砂粒沉降速度计算公式如下：

冲砂液最低排量计算公式如下：

当套管内冲砂液流速为0．3m/s 时, 由于返排液通道主要是油套环形空间, 通道小于套管, 返排液流速为0．3×0．1242/ (0．124- 0．073)2=0．3×5．9=1．77m/s, 足够携带细砂级别的颗粒返排, 以下离心泵和电机功率都按该排量计算。

电机功率计算方法如下：

离心泵轴功率N1= QH/367/η= 13．04 ×250/367/0．65=13．66 (KW)

电机功率N2= N1×1．1 = 5．92 ×1．1 = 15．03(KW)

前述公式中符号说明如下：

νt——悬浮于冲砂液中的球形砂粒的沉降末速, m/s;

d——球形砂粒直径, m;

ρs——砂粒的密度, g/cm3;

ρl——冲砂液的密度, g/cm;

Qmin——冲砂洗井所需的最低排量, m3/h;

A ——冲砂液上返流动时的最大截面积, m2;

νlmin——保持砂粒上升所需要的最低液流速度, m/s;

Q——冲砂液排量, m3/h;

hj——沿程水头损失, MPa;

λ——沿程流动阻力系数;

l ——管道长度, m;

d——管道直径, m;

ν——冲砂液流速, m/s;

H——扬程, m;

η——功率因数。

充满水后, 进水与出水通道组成U 形管, 冲灰压力即为摩阻压力损失, 约2～3MPa, 则所需泵的出口压力为4MPa。

综上, 本工艺可选用出口压力4MPa、排量25m3/h 离心泵, 15KW 电机。

5 结论

桥式无污染连续冲灰工艺是一种新型的煤层气井冲砂工艺, 可形成油管内的水力封闭循环, 避免了常规冲砂的注入水和返排水对于煤层的冲刷和污染, 能将粗砂及以下级别的煤屑等固体颗粒有效排出, 适用于套管完井的作业井, 可用于煤层气井冲灰作业, 也适用于油气井冲砂作业, 以及管内封闭水力或气体密闭循环的井下作业环境。

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