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煤層氣排水生產 選泵是重中之重!

煤層氣生產 選泵很重要!

煤層氣井的有效排水采氣工藝一直是業界難題,傳統型的潛油電泵和螺桿泵系統均具有一定的局限性,比如前者易受井液中固相顆粒影響而發生阻塞事故,后者的地面電機運轉噪聲較大,當作業井場距離住宅區較近時,常引起居民的不滿。本文在分析潛油電泵和螺桿泵系統優缺點后,創新性地提出了電潛螺桿泵系統,耦合了潛油電機和螺桿泵,形成了諸多技術優勢,讓我們通過下文一起了解學習。石油圈原創www.h29736.cn

在過去的數十年間,相關學者研發出多種人工舉升技術用來解決煤層氣井排水采氣難題。工藝的核心理念是降低靜水壓力,釋放氣體,增加產能。目前,電潛螺桿泵(以下簡稱ESPCP)的研究受到普遍關注,它利用電潛泵(以下簡稱ESP)的潛油電機直接驅動螺桿泵(以下簡稱PCP)舉升液體,集合了無桿采油系統、井下電機驅動和螺桿泵的優點。

螺桿泵和潛油電機的結合使系統工作平穩安靜,效率更高、使用壽命更長。用于排水采氣井的ESPCP井下布署位置往往距離地面較近,當井場臨近居民區或其他易受影響的區域時,該系統安靜運行的特征優勢便會凸顯出來。

煤層氣井排水采氣工程向來是困擾業界的難題,這是由于煤層位置遠低于地下水位,深度一般遠超2000英尺。傳統型的離心泵或油田ESP日最大排水量不會超過250桶。

為了解決這個難題,部分運營商超速運行離心泵,期間需要周期性啟停離心泵避免過載現象發生。實際上,這樣的操作模式不僅效率低下,并且會縮短泵和電機的使用壽命。此外,大多數離心泵在這種模式下流通通道會變窄,易導致阻塞事故。那么問題來了,究竟哪種離心泵才適用于這類低效煤層氣井呢?答案就是ESPCP,它將ESP和PCP的技術優勢完美地結合在一起,很好地解決了這個工程難題。石油圈原創www.h29736.cn

PCP系統石油圈原創www.h29736.cn

PCP是一種內嚙合的密閉式泵,主要工作部件由具有雙頭螺旋空腔的襯套(定子)和在定子腔內與其嚙合的單頭螺旋螺桿(轉子)組成。這樣的結構設計使系統的容積流率正比于旋轉速率,同時也正比于泵送液體所獲得的低水平剪切力。

它的工作原理是靠空腔排油,即轉子與定子間形成的一個個互不連通的封閉腔室,當轉子轉動時,封閉空腔沿軸線方向由吸入端向排出端方向運移。封閉腔在排出端消失,空腔內的原油也就隨之由吸入端均勻地擠到排出端。

同時,又在吸入端重新形成新的低壓空腔將原油吸入。這樣,封閉空腔不斷地形成、運移和消失,原油便不斷地充滿、擠壓和排出,從而把井中的原油不斷地吸入,通過油管舉升到井口。系統內部流速低,容積保持不變,壓力穩定,因而不會產生渦流和攪動。

由于轉子嚙合密封于定子腔內,使PCP在不同有效深度且低流速下的工作效率仍較高。此外,由于煤層氣井井液中可能存在壓裂砂、煤粉或其他較大的固體顆粒,PCP系統的低剪切速率更利于泵送井液。石油圈原創www.h29736.cn

PCP系統平穩、協調統一的工作特性使其在不同的含氣量或流速下更具可操作性。此外,在低流速下高泵效也有利于降低系統運行功率需求。Franklin Electric公司最近研究發現,液面深度范圍在900~1300英尺的氣井中應用ESPCP系統時,系統所需功率可低至600~3000瓦,大大節約了作業成本。

然而,事物都具有兩面性。PCP系統也具有一定的自身局限性,一般使用地面電機長驅動軸帶動運轉,這種模式容易引起諸多問題。電機運轉噪聲較大,當作業井場距離住宅區較近時,常引起居民的不滿。此外,如果待治理氣井為水平井,長驅動軸下井過程中需要襯套與軸承等機械構件的協調作用才能較好地貼合井軌跡,從而到達目的井段。這樣的操作會磨損泵軸,增加了運營成本。

ESPCP系統石油圈原創www.h29736.cn

ESPCP的研制,耦合ESP的潛油電機和螺桿泵機構,成功彌補單一PCP短板的同時也帶來了一些系統優勢。比如說,無需搭配變速箱,消除了安全運行的隱患。螺桿泵對控制命令的反應速度變得更加快捷。原來的地面電機驅動時,扭矩需要通過長達幾千英尺的驅動軸向井下傳遞,導致電機和泵的分鐘轉速(RPM)變化存在明顯延遲;而當電機位于螺桿泵下端時,扭矩變化可即時地傳遞給泵,基本無延遲。石油圈原創www.h29736.cn

將電機布署在井下的另一個好處是可在螺桿泵上端安裝一個高強度單向閥,防止電機停止運行后井液碎屑回落至螺桿泵內部。當電機再次啟動后,只要螺桿泵和管柱選型能夠承受一定的液體流速,沉淀在單向閥的碎屑就可在液流作用下帶至地面。相對來說,傳統的地面電機長軸驅動PCP,清除碎屑需要起出泵體才可完成,增加了運營成本和非生產性時間。

由于ESPCP系統運行平穩、可防止碎屑沉積以及潛油電機和螺桿泵緊密耦合等特性,使該系統可靈活控制氣井井筒內的液面變化。地面控制柜通過電流信號控制井下潛油電機啟停,安裝在井下的液面傳感器與控制柜聯系在一起。由于ESPCP不需要安裝長驅動軸,相對增加了油管輸油尺寸并減輕了電機震動影響,這便于傳感器安裝且工作穩定、可靠性強。

ESPCP正常運轉需要一套泵控制系統,其中包括變頻器來控制電機轉速和圖形用戶界面(以下簡稱GUI),安裝調試人員和工作人員通過交互界面調控系統參數。

一家位于美國西北部的中型能源公司目前在低效煤層氣井中已成功應用14套ESPCP系統,下入深度為3300英尺。這些井次之前應用的是ESP系統,井液中的砂礫、煤粉、石蠟和無機鹽等固相顆粒不斷沉積在泵和電機部件,導致ESP經常發生阻塞事故,頻繁關停,影響正常生產。應用的第一套ESPCP系統正常運行了16個月,期間未出現阻塞停泵事故,同時煤層氣產出速率增加了一倍,效果顯著。石油圈原創www.h29736.cn

螺桿泵、電潛泵特點對比:

  1. 螺桿泵優缺點:可處理井液固相顆粒,可用于高氣體含量井,適用于高壓井況作業,工作效率高,排量較低;
  2. ESP系統優缺點:安裝位置較淺,運行平穩安靜,運行狀態監控,適用于大斜度井和水平井;
  3. ESPCP:同時具備以上兩種系統的優點。

總之,ESPCP結合了PCP和ESP的優點,其在復雜煤層氣井況下的應用也得到了驗證,在煤層氣排水領域的應用前景是非常廣闊的。

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