环空射流泵排采工艺在煤层气井中的适用性研究

陈凤官，綦耀光，王 渭，明 友，王 勤，吴建军

（1.合肥通用机械研究院，合肥230031；2.中国石油大学（华东）机电工程学院，山东青岛266555；3.中石油煤层气有限责任公司，北京100028）

环空射流泵排采工艺在煤层气井中的适用性研究

陈凤官1，綦耀光2，王 渭1，明 友1，王 勤1，吴建军3

（1.合肥通用机械研究院，合肥230031；2.中国石油大学（华东）机电工程学院，山东青岛266555；3.中石油煤层气有限责任公司，北京100028）

目前，煤层气井的排水采气工艺采用了油田的有杆泵系统，存在泵阀打不开、卡泵、杆管偏磨等问题，制约了煤层气的开发。环空射流泵排采工艺具有许多优点，已在油田成功应用，特别适用于煤层气井。应结合煤层气井特点，简化地面设备，降低初期投资；改进射流泵结构，提高在小排量时的效率。

煤层气井；排水采气；射流泵；适用性

我国有丰富的煤层气资源［1］，大部分储藏于中西部地区，开采煤层气对拉动中西部地区的经济发展有重要意义［2］。受到排水采气工艺技术和设备的限制，我国的煤层气资源开发还处在初级阶段，如何合理、经济、高效地开采煤层气，成为当前普遍关注的问题。

射流泵排采技术经过几十年的发展，不断地完善，已在油气田广泛应用［3－4］，在井身结构复杂、高温、高气液比、出砂［5］和腐蚀等井［6］的排采中发挥了重要作用，还可应用于油气井的特殊作业［7－9］，但在煤层气井中还未应用。本文旨在分析煤层气井排采要求的特殊性，结合射流泵排采技术特点，分析研究水力射流泵排采工艺对于煤层气井排采的适用性。

1 我国煤层气井排采技术现状

1.1 工艺的特殊要求

煤层气主要以吸附状态储存于煤层中，它的吸附是1种物理吸附，且是1个可逆过程，所以煤层气的排采是排水降压的连续过程［10］。我国煤层气井普遍为异常低压，需要采用人工举升方法把地层水从煤层气井中排出，使井底压力降至煤层气解吸压力以下，从而形成解析流动过程。

该工艺具有4个特点：

1） 沉没度低 在常规油气开采中，抽油泵的沉没度都是在几百米以上；煤层气排采由于储层的特殊性，沉没度通常在几十米，这就直接影响到作业的生产压差。由于泵的沉没度不同，泵作业时所承受的沉没压力存在很大区别，泵腔变化范围有明显区别，所以泵阀打开所赋予的条件存在很大差别。

2） 排液量小 常规油气与煤层气排采存在区别，煤层气排采除前期排液量较大外，在稳产期和产量递减期，排出液量＜10m3／d，而常规油气排采中排液＞20m3／d。

3） 出煤粉 由于受沉没压力和排液量的影响，液体的流速存在很大差别。当排液量很小时，液体的流速不足以携带煤粉上升，则造成煤层气排采作业过程中煤粉沉降。由此而引起卡泵现象，从而造成检泵周期短，需进行修井作业。某煤层气井排采曲线如图1所示，从图1可以看出该井修井周期短，且每次作业后，产量无法达到之前的水平。

图1 某煤层气井排采曲线

4） 稳压排采、连续降压 这是由煤层气的解吸渗流规律所决定的。井底流压和排采强度将直接影响到煤层气井的产量和长期产能，部分煤层气项目失败的主要原因就是在排采环节控制不好。

1.2 现有排采设备存在的问题

我国煤层气开采目前仍处于初级阶段，排采设备主要是采用常规有杆抽油系统，螺杆泵、电潜泵等还处于试验阶段，存在4个问题：

1） 目前，煤层气井场普遍使用有杆泵系统，对低压、低沉没度条件的适应性很差，泵阀打开条件难以正常满足。由于井液中含有自由游离气，有杆泵容易产生气锁。此外，在小排量条件下，有杆泵系统无法达到有效排煤粉的条件。井筒中的煤粉引起卡泵，造成修井作业（如图2），严重影响了煤层气井的连续生产。

2） 试验中的电潜泵由于其固有特点，决定了其仅适合于较大排量的煤层气井，而螺杆泵在小排量条件下极易出现干烧现象。

3） 煤层气井的井眼轨迹相对较差，往复式排采方式适应性差，容易引起杆管偏磨。另外，现有的有杆泵排采对定向井的适应性也较差。

4） 煤层气井的主要排采液是地层水，矿化度较高，容易产生水垢并加快设备的腐蚀。从生产现场可以看出排采设备的腐蚀很严重。

图2 煤层气井现场作业后的沉淀池

2 射流泵排采系统的组成及工作原理

射流泵是1种特殊的水力泵［11］，结构简单，没有运动件，它主要由喷嘴、吸入管、喉管（混合段）、扩散管等组成。射流泵排采装置系统主要由井下射流泵机组、井口装置、地面动力装置、地面管汇等组成［9］，如图3所示。

图3 常规油气井射流泵排采系统组成

地面泵（或其它有压液体源）提供高压动力液通过喷嘴，其压能转换成动能；由于紊动扩散和卷吸作用，将其周围的井液吸入喉管，2股流体在喉管内充分混合，然后进入扩散管通过降低流速而把部分动能转换成压能，混合液获得压力足以将自身从井下举升至地面。

为与环形多喷嘴射流进行区别，笔者提出了环空射流泵的概念，即：动力液经过环空喷射，而吸入液从中心吸入。

与中心射流泵相比，对于环形多喷嘴射流泵及环空射流泵，由于其吸入流道与排出流道处于同1个轴线，对于液固混合物的排采具有较强的适应性。因此，后两者较适合煤层气井排采液排煤粉的要求。环形多喷嘴射流泵与环空射流泵相比，后者具有结构简单、对偏心不敏感、不易堵塞、安装方便等优点（结构如图4）。表1为几种不同型式射流泵的特点比较。

图4 环空射流泵排采系统井下结构

表1 几种射流泵的优缺点比较

图5～6分别为环空射流泵的基本特性曲线及效率曲线［12］，反映的是射流泵的几何尺寸（面积比）、流量比、压力比以及效率η相互关系。根据射流泵的无量纲特性曲线，可以通过地面泵参数的调节，灵活地控制煤层气井的排水采气过程；或者可以更换自由式射流泵的不同型号，从而实现煤层气井不同生产时期的需要。

图5 环空射流泵的基本特性曲线

图6 环空射流泵的效率曲线

3 煤层气井采用射流泵排采工艺的优点

1） 与其他排采方式相比，环空射流泵排采系统对自由气敏感性小。由于没有运动件，井下设备有较高的可靠性，维修费用低；若喷嘴、喉管等主要部件采用耐磨、抗腐蚀的材料，可以有效解决煤层气井出煤粉及井液矿化度高等问题。

2） 由于不存在传动杆，对煤层气井较差的井眼轨迹适应性很强，并可应用于定向井、水平井等。

3） 环空射流泵排采系统能适应的深度和排量的变化范围较大，现场可以很方便地通过调节地面泵参数或匹配不同的井下泵组合，从而满足各个区域煤层气井不同的生产要求。并且可以较强地适应煤层气井的异常低压、低沉没度等井况。

4） 作为水力泵，射流泵排采系统的地面设备有中心站式和独立井场式2种。中心站式可以处理密度集中的井网系统，具有无法比拟的经济和管理优势，不仅可以集中管理，而且大幅降低了投资成本，从而获得较高的经济效益；独立井场式可整体撬装，具有较高的机动性。

5） 对于我国煤层气井，射流泵的低泵效缺点已不再突出，因为煤层气井并非以采出液量为目标，只要能持续、稳定地生产即可。

通过类比常规天然气藏射流泵排采系统的经济效益［3］，分析煤层气井应用射流泵排采的经济效益，如表2所示。煤层气的售价约为1.3元／m3，每年生产时间按300d计算，大约需要半年多可收回成本。煤层气井普遍生产周期＞10a，经济效益显著。

表2 煤层气井射流泵排采经济效益分析

4 结论

1） 射流泵排采工艺完全能够满足煤层气井排采工艺的要求，可以解决目前排采生产中存在的问题，有着广阔的前景，推荐进行先导性试验。

2） 提高小排量射流泵系统的效率将是今后的研究方向。射流泵的设计过程很复杂，应简化工艺流程，降低设备等级，便于现场应用。

3） 我国煤层气藏渗透率普遍很低，几乎都需要进行压裂作业，开展煤层气井的压裂与排采一体化研究有着广阔的发展前景。射流泵排采系统对此有着较强的适应性，应深入研究。

4） 应简化煤层气井排采设备地面流程。国内煤层气井多数分布在中西部地区，交通不方便，不利于大设备的运输，故应合理布置排采装置的地面流程，简化排采装置的地面设备。

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Study on Applicability of Annular Jet Pump Dewatering Gas Production in CBM Wells

CHEN Feng－guan1，QI Yao－guang2，WANG Wei1，MING You1，WANG Qin1，WU Jian－jun3
（1.Hefei General Machinery Research Institute，Hefei 230031，China；2.College of Mechanical and Electrical Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，China；3.PetroChina Coalbed Methane Co.，Ltd.，Beijing100028，China）

At present，the rod pumping system were used in CBM wells for dewatering gas production，and there were many problems，the valve can’t be open，pump stuck，rod and tubing partialwear，which restricted the development of CBM.The annular jet pump dewatering processhas many advantages，which has been successfully applied in the oil field，and it is especially suitable for CBM wells.What should be done is to combine with the characteristics of CBM wells，simplify the ground equipment，reduce the initial investment，and to optimize the structure of the jet pump，improve the efficiency for small displacement.

CBM wells；dewatering gas production；jet pump；applicability

1001－3482（2012）06－0046－04

TE935

A

2011－12－21

陈凤官（1986－），男，江苏东台人，硕士，助理工程师，主要研究方向为阀门产品及流体机械设计及理论，E－mail：cfg0546＠gmail.com。