煤層氣地面開發是壹個長期性的過程,為了減少煤粉產出對煤層氣持續高效生產造成影響,減少因煤粉聚集而造成的井下事故性停產等,需要在煤層氣井生產中進行精細的排采管理與日常巡檢工作,最大限度地降低煤粉產出對生產效益造成的負面影響。根據韓城區塊煤層氣地面排采特征,在煤層氣井日常巡檢過程中,需要進行壹系列的數據記錄和排采狀況檢查工作。其中包括測定油套環空中動液面深度和套壓、抽油機上沖程和下沖程的電流、日產水量、日產氣量、排出液含煤粉狀況及抽油機的示功圖監測等。
根據大量的生產經驗,煤粉產出壹般會在煤層氣井排采生產中具有壹定的預兆性特征,體現在排出液量的變化、上沖程和下沖程的電流值的無規律變化及抽采系統出現故障等。因此,煤粉產出的預防工作與其治理措施同等重要。為了防患於未然,將煤粉傷害程度控制在最小,在煤層氣地面生產中需要采取合理有效的預防措施,做到提前預警,進而采取相應處理措施,減輕或避免產出愈來愈多的煤粉而造成煤層氣井生產間斷,甚至停產(姚征等,2015a)。
由於排出液中的煤粉是煤儲層產出的煤粉通過抽油機的抽汲提升煤層水(和/或相鄰地層水),並由抽油泵經油管自下而上運移至地面而導出的。因此,地面排出液中所反映的煤粉含量具有壹定滯後性,其含量未能及時準確地表現出煤儲層產出煤粉的強度。而對抽油機示功圖、上沖程和下沖程的電流值進行跟蹤監測,當示功圖的懸點載荷值變化幅度較大、封閉曲線圖形波動較大或電流呈無規律跳躍式變化等現象出現時,則極有可能表明存在煤粉產出。故監測抽油機示功圖、分析抽油機上沖程和下沖程的電流值變化是相對合理有效的預警指示方法。下面對示功圖的監測進行介紹。
示功圖是由載荷隨位移的變化關系曲線所構成的封閉曲線圖(胡廣傑等,2008),其橫坐標代表位移(單位:m),縱坐標代表載荷(單位:N)。反映抽油機懸點載荷隨其位移變化規律的圖形為光桿示功圖(周繼德,2005;文浩等,2002),是指抽油機在壹個完整工作沖程中的光桿載荷變化圖,是檢查抽油泵工作狀況是否穩定良好的有效方法之壹(圖7-40,圖7-41)。
圖7-40 抽油泵示意圖
如表7-5、表7-6所示,示功圖在抽油機上、下沖程中具有不同狀態特征。由於生產中存在慣性載荷,單向沖程將增大。下死點A0處存在的向下最大慣性力使抽油桿伸長,故表現為上沖程吸入過程線延長。上死點C0處存在的向上最大慣性力使抽油桿縮短,故表現為下沖程排出過程線延長。由於抽油桿在井筒液體中的振動,加載、卸載結束後會出現短暫波動,且波幅不斷減小(文浩等,2002)。因此,生產中示功圖並非理論形狀A0B0C0D0,而為左上角與右下角的載荷線具有延長與波動特征的不規則四邊形ABCD(圖7-41)。
圖7-41 理論示功圖與實際示功圖
D—位移;Sp—柱塞沖程;Spr—光桿沖程;L—載荷;Lpr—光桿所受靜載荷;Plc—泵以上液柱重力;Psr—抽油桿在液體中的重力
表7-5 抽油機示功圖上沖程階段特征
表7-6 抽油機示功圖下沖程階段特征
由於煤粉產出會造成繞絲篩管堵塞而引起出液量不足、凡爾失靈引起抽油泵漏失及卡泵等,因此,識別及分析這些示功圖的特征是有效預警煤粉產出的基礎。
(1)供液不足:泵筒內無法充滿液體會導致煤層氣井排水不暢。煤粉大量產出會導致排水不暢的發生。由於煤粉附著在繞絲篩管表面,使地層水無法暢通進入抽油泵,導致泵筒內水面降低,故下沖程的懸點載荷不能正常卸載,只有當活塞遇到水面時才能迅速卸載。泵筒內水體未充滿程度越嚴重,卸載線越往左移,即圖7-42中D1→D2→D3的變化過程。此類故障示功圖呈“刀把”狀,排水不暢程度越大,卸載線越滯後,即“刀把”越長(周繼德,2005;文浩等,2002;楊洋,2008;張楠,2009)。
然而,當氣錨無法有效分離氣體時,部分氣體會進入泵筒內,氣體的壓縮與膨脹會占據泵筒空間,導致泵效降低,其示功圖形狀同樣呈“刀把”狀。與氣體影響造成的上沖程加載與下沖程卸載的雙重滯後效應不同,煤粉產出導致的排水不暢不會影響上沖程加載過程。因此,對比分析上沖程加載狀態可識別煤粉相關排水不暢故障。
圖7-42 供液不足情況下的示功圖
煤粉在繞絲篩管表面的覆蓋率決定了繞絲篩管的過水面積及泵筒內水面高度,進而決定了示功圖下沖程卸載線滯後幅度,即覆蓋面積越大,水面高度越低,滯後幅度越強,兩者之間具有壹定正相關性。本書定義卸載線左移水平距離S為“刀把”長度,卸載線滯後幅度R為S與A0D0的比值,依R值將排水不暢強度由輕及重劃分為四級:Ⅰ級(R≤25%)、Ⅱ級(25%＜R≤50%)、Ⅲ級(50%＜R≤75%)、Ⅳ級(R＞75%)。通過監測示功圖中卸載線滯後幅度,可及時辨別井下狀況。當產水量降低、示功圖卸載線開始滯後,此時尚處於Ⅰ級可控階段,需立即采取措施,避免排水不暢故障持續嚴重化而達到Ⅲ級或Ⅳ級。
(2)遊動凡爾漏失:遊動凡爾漏失主要影響示功圖上沖程狀態。上沖程中,隨著柱塞的提升,泵筒內壓力逐漸降低。柱塞上端的液柱高壓迫使上端液體經遊動凡爾漏失縫隙進入下端泵筒內,液體產生的上托力會使懸點載荷加載緩慢。上托力隨活塞提升加快而相對減小,直至活塞上行速度大於漏失強度。如圖7-43所示,加載線偏差夾角θ越大,上行線收縮越強,代表漏失程度越嚴重。此類故障示功圖呈左上角和右上角缺失,加載線弧度增大(周繼德,2005;文浩等,2002;張楠,2009)。
圖7-43 遊動凡爾漏失情況下的示功圖
煤粉在凡爾處沈澱膠結會造成凡爾漏失,影響抽油泵吸水/排水效果。漏失故障中示功圖卸載/加載線與正常載荷線間的偏差夾角θ的大小可顯示此類故障的嚴重程度。本書以載荷線偏差夾角θ為準,將凡爾漏失故障強度由輕及重劃分為四級:Ⅰ級(0°＜θ≤10°)、Ⅱ級(10°＜θ≤20°)、Ⅲ級(20° ＜θ≤30°)、Ⅳ級(θ＞30°)。通過監測示功圖,可查明夾角θ大小,確定凡爾漏失強度等級。通過對煤粉堆積進行沖洗、稀釋、排除,將偏差夾角θ控制在15°以內,可及時有效緩解煤粉傷害,保證煤層氣井連續穩定生產。
(3)固定凡爾漏失:通常固定凡爾漏失僅對示功圖下沖程造成影響。下沖程時,固定凡爾漏失會減慢泵筒內增壓速度,延緩卸載過程。在活塞下行速度大於凡爾漏失強度後,泵筒內將持續增壓至大於液柱壓力,遊動凡爾方能打開而卸去液柱載荷。懸點以最小載荷繼續下行,直至活塞下行速度小於漏失速度的瞬間。如圖7-44所示,下沖程卸載線偏差夾角θ越大,下行線收縮越強,漏失程度越嚴重。此故障示功圖呈左下角與右下角缺失,卸載線弧度增大(張楠,2009)。
圖7-44 固定凡爾漏失情況下的示功圖
(4)凡爾全漏失:凡爾全漏失為固定凡爾與遊動凡爾漏失綜合影響的結果。因此,此故障中上沖程加載與下沖程卸載均不能有效完成,如圖7-45所示,此類井下故障的典型示功圖壹般呈橢圓條帶狀,漏失程度越嚴重,曲線收縮越強,形狀越窄(胡廣傑等,2008;張楠,2009)。
圖7-45 凡爾全漏失情況下的示功圖
(5)卡泵:煤粉持續沈積於泵筒會導致卡泵故障。柱塞卡在泵筒內某壹位置時,懸點移動只表現為抽油桿的變形,示功圖形狀與柱塞卡停位置有關。上沖程階段懸點把壓彎的抽油桿拉直,懸點載荷首先緩慢增加,然後抽油桿受拉彈性伸長,載荷急劇升高。下沖程階段抽油桿柱恢復彈性形變後被壓縮彎曲(胡廣傑等,2008;張楠,2009)。因此,在卡停位置前後,懸點以不同強度加載與卸載,示功圖中上、下沖程載荷線具有不同斜率(圖7-46)(姚征等,2015a)。
圖7-46 卡泵情況下的示功圖