射流泵在多分支水平煤层气井排采中的应用分析

张世春，仇泽强， 贾沛强

（1.陕西省煤层气开发利用有限公司， 陕西 西安 710119； 2.陕西省煤层气工程技术研究中心， 陕西 西安 710119）

彬长区块煤层气开发在低煤阶煤层气开发探索出了一条可行的开发模式，实现了低煤阶煤层气的商业化开发。彬长区块煤层气开发实践表明，煤粉是影响煤层气井能否长期、持续、稳定高产的主要因素之一，如果由于关井、卡泵、修井等造成排采间断或终止，会使得煤层气井地层压力波动，解吸得煤层气可能被重新吸附，裂隙容易被水再次充填，阻碍气流流动，煤粉滞留在煤层孔隙通道中造成储层不可逆的伤害，严重影响煤层气井产量，煤层气井的排采设备选择是保障煤层气井长期、稳定和连续排采的前提条件。排采装置的选择主要取决于井型、完井方式、井深、井底压力、水的流速及气的流速等原因。目前，梁式泵和螺杆泵这两种装置在彬长区块应用比较普遍，但是有杆泵不适用于斜井及多分支水平井的排采作业，会造成过量的管杆磨损和设备故障问题，在不同开发环境及其他因素影响下煤层气井仍存在排采技术和装备上的突破。针对具体井型及排采过程中存在的吐煤粉及吐砂、卡泵、油杆及油管的偏磨问题导致频繁修井，无法对煤层气井进行连续、稳定的排采，借鉴高煤阶煤层气开发的探索经验及常规油气开发中的技术及装备，大胆突破常规排采方式，采用射流泵在该区域进行了试排采[1-2]。使用射流泵在该区块的多分支水平井中进行排采，取得了较好的排采效果，实现了该井的稳定连续生产。

1 射流泵设计及应用优势

1.1 射流泵选择

多水平分支煤层气井采用射流泵时需要考虑泵的排量满足煤层气井的产液量，与煤层气井的排采协调，选取的泵需要有足够的举升压力使得产出液能够携带至地面，选择的泵在不出现气蚀时的工作效率达到最高，耗能最小，功率最低。

根据地层参数、水文条件及邻近井的产液参数确定该井的产液区间。射流泵的环空管中排出的混合液流量等于吸入流量和动力液流量之和，喷嘴的大小和地面设备施加于动力液的压力决定了动力液的流量大小，动力液的流量大小直接决定影响到混合液排出地面的水力压头大小。当动力液压力增加时，泵的举升压头增加，同时由于动力液流量也要增加，排出管柱压力上升。只有当泵的举升压头与排出管柱压力相等时，泵和煤层气井的排采工作才能协调，所以选泵时需要迭代计算。迭代计算进行选择射流泵规格，对不同型号的喷嘴和喉管组合都进行计算，把发生气蚀最大的设备组合排除掉，根据最小气蚀面积再从剩余组合中进行优选，确定最佳的工作参数组合。当煤层气井的产液量、管柱尺寸大小、井下设备类型、动力液压力确定后，就可设计射流泵。根据地面泵功率、压力、动力液流量选择地面柱塞泵型号。

1.2 射流泵结构设计及技术参数

选取一口多水平分支井采用同心管射流泵进行试排采。依据DFS-X 井的井身参数， 一开井深131.95 m，最大井斜0.2°，二开井深625.00 m，造斜点246.00 m，三开进尺3 733.00 m。其中直井段井斜角≤2.0°，目的煤层顶板垂深527.5 m, 井深651.2 m，井斜角达到36°。DFS-X 井未设计排采井，直接通过工程井进行排采，由于该井井身从地面至目的煤层井斜角过大，采用常规螺杆泵或抽油机进行抽采下泵难度大、排采过程中容易产生偏磨问题，无法保证连续稳定的排采[3]。

射流泵结构简单（见图1），可以用于该井的试排采。同心管中动力液管采用Ø48.3 mm 油管，混合液管采用Ø73 mm 油管。井下工具由Ø73 mm×0.1 m 丝堵+Ø73 mm×10 m 尾管+Ø73 mm×3.0 m筛管+Ø98 mm×1.2 m 射流泵泵筒+Ø73 mm 油管组成，其中射流泵使用的泵筒直径为98 mm，泵筒长度1.2 m，嘴直径1.84 mm，喉管直径3.12 mm。地面部分设备主要为10 m3液罐，额定压力20 MPa 的柱塞泵，柱塞泵额定排量6 m3·h-1，电机及变频器功率为37 kW。

1.3 射流泵技术特点及优势

同心管射流泵利用高速流动的流体作为工作动力来传递能量, 整个举升过程通过压能和动能的转换完成,不像其他类型的泵一样,必须有机械能量和流体能量的转换[4]。地层产出液携带地层煤粉通过尾管被吸入到井下射流泵的喷嘴、喉管之间，并随动力液一起进入喉管，在喉管内动力液和产出液混合形成混合液，增压后的混合液沿Ø48 mm 油管和Ø73 mm 油管之间的环空到达地面。

利用同心管射流泵进行煤层气井排采，一是携带煤粉能力强，排采中可以携带出粒径小于2.8 mm的细微煤粉和部分大颗粒煤粉。动力液通过射流泵喷嘴的排量可通过地面进行调节，当调节环空射流泵吸入流速大于管内煤粉颗粒的沉降速度时,进入环空的煤粉能够带出井筒。二是不易卡泵，吸入口位于煤层底板之下，管柱吸入口有筛管保护，保护射流泵喉管不被大颗粒煤粉堵住，确保排水采气连续进行，可解决煤粉卡泵或黏性细微煤粉黏糊在泵口的问题。三是设备无杆、无运动件，无偏磨问题，设备使用时间长，相对其他设备延长检泵周期1年及以上，可适应斜井、水平井的排采；四是维护方便，作业免修期长，不需要起下管柱，井下工具维护点少，可采用液力反循环起泵检修，维修时间短，维护成本较低[5-7]。

2 采出液处理流程

煤层气井排采出的采出液可作为射流泵的动力液，采出液通过动力管柱进入井底，与地层液混合后沿Ø48 mm 油管和Ø73 mm 油管之间的环空到达地面的固液分离罐[8]。煤粉会在固液分离罐中进行沉降，部分液体又可作为动力液沿着管柱进入井筒中，循环进行流动，固液分离罐中随着排采液体的增加，多余液体会溢流排到排采水储备池中。动力液泵采用柱塞泵进行加压，输出压力一般控制在10～12 MPa 之间。

3 射流泵排采的效果分析

3.1 射流泵排采工艺实施效果

DFS-X 井从2018年开始进行射流泵排采作业。采取定压排采和定产排采相结合的模式，前期采用定压排采平稳降低井下压力，待出现套压产气时再定产排采。柱塞泵加压后动力液压力维持在10～12 MPa之间，稳产阶段日产气量在1 500～2 500 m3·d-1，日产水量 6～10 m3·d-1，该井已连续排采400 多天，产气稳定，排采效果较好。DFS-X 井生产曲线见图2。

图2 DFS-X 井生产曲线

3.2 减少卡泵风险，延长修井周期

彬长区块属低孔低渗储层，DFS-X 井在连续排采过程中，有大量煤粉运移产出，但通过底部筛管的保护，部分大颗粒煤粉并未进入环空，地层产出液所携带的小颗粒煤粉由动力液和产出液混合形成混合液一同运移至地面，并在固液分离罐中沉降，未产生卡泵等问题。

在排采过程中有一次修井作业，修井原因为射流泵配件在运行过程中的磨损所造成，但由于射流泵的安装自由性，以及检泵的方便性，在配件充足的情况下，能以最快的速度完成检修，该作业无须起下管柱，只需反向注入动力液即可从井筒带出射流泵的泵芯进行更换，能在较短时间内恢复该井的正常生产工作。

同时，由于该地区地质特性，在采用射流泵在多分支水平井中进行排采，对比该区块其他排采设备后发现，射流泵排采过程中，出现修井的情况更少，极大地减少了修井出现的可能性及修井的作业时长，能在较短时间内恢复生产，为该井的连续作业生产提供了保障。采用射流泵进行排采避免了煤粉卡泵问题，解决了排采中管杆的偏磨导致的管漏及断杆问题，延长了煤层气井在排采过程中的检泵周期[9]。

3.3 有效稳定液面，实现连续排采

绝大多数煤层气储层具有弱含水,供液能力差的特点,尤其在排采中后期,产液量变低,使得在排采过程中,动液面下降变快,导致井底流压无法控制，此时就需要调整泵挂，间断正常生产；同时,低产液量无法满足带出煤粉所需要的流速,使得煤粉在井筒沉降,容易引起卡泵现象,严重的需要进行检泵作业。生产中遇到以上问题都会影响连续排采，影响煤层气井的排采效果[10-11]。

DFS-X 井利用射流泵进行排采，射流泵所注入的高速流体，能满足地层流体所携带煤粉运移的流速，减少卡泵等现象的发生，同时，随着排采的进行，动液面的不断下降，射流泵注入的液体能够很好地稳定液面，保证井下液面的匀速下降，给地层产出液带来充足的能量，继而让井底混合流体能够不断被举升至地面。

通过对比DFS-X井与该区块其他井动液面高度可看出，DFS-X 井在采用射流泵排采后，相对于其他井地下液面保持较稳定，对于该井的连续生产起到了良好的作用。

4 结 论

1）射流泵以水为动力液，经过柱塞泵的加压，利用能量守恒的原理，将井下的煤粉、煤块和液体举升至地面，通过调整射流泵的喷嘴和喉管的匹配，能满足排采的要求，通过调整变频器的频率即可实现动力液压力的微调控制。

2）射流泵无杆和运动部件，所以这种排采工艺能够适应大斜度井、水平井的要求，泵体可以下放到90 度的位置，从而最大限度地减少液面对产气量的影响。并且避免了杆管偏磨、卡泵埋泵的问题。

3）射流泵排采工艺的最大特点是易损部件集中在泵芯里，而泵芯的起下仅仅依靠动力液的反循环就能实现，起下方便检修简单，不需要再上修井机作业。