摘要：深部煤层气的勘探开发日益成为国内非常规天然气科研工作者及相关企业的关注重点。深部煤层普遍具有煤质较碎、埋藏深、孔隙度低、渗透率低、成熟度较高的特点，排采时频繁吐粉导致卡泵、断杆等故障停机。笔者基于武乡南研究区煤储层地质特征及排采中存在的问题，通过长期研究螺杆泵设备配套人工回注水实施排采的方法，取得了可行的实用效果。配套使用人工回注水设施具有以下优势：维持排采设备连续稳定运行；运行成本低；操作简便；恢复运行时效快，气量基本不受影响。配套使用人工回注水设施为武乡南研究区煤层气稳定连续生产运行提供了一中较为合适的解决方案，值得在深部煤层气排采设备中广泛推广应用。

　　关键词：武乡南；深部煤层气；排采；人工回注水设施

　　1背景

　　煤层气作为一种清洁能源在正我国迅速发展，而深部煤层气日益成为勘探开发的重点，深部煤储层普遍具有埋藏深、孔隙度低、渗透率低、含气饱和度低、煤质成熟度较高的特点。为了扩大煤层气解析范围提高煤层气产量，L型水平井及U型水平井成为煤层气开发的主要生产井型，而这两种水平井多采用螺杆泵设备进行排采。

　　如何连续稳定地将深部煤层气排采产出，实现效益最大化，排采设备的使用是关键。在开发过程中，普遍存在吐煤粉较严重，而煤粉不能有效全部排出，导致煤粉会不断地沉降聚集在泵筒内，最终导致卡泵或断杆停机。为了探索出一种更加适合武乡南研究区的煤层气排采设备，针对煤层低孔低渗低饱和高成熟度的特点及存在的问题，从排采设备入手，通过螺杆泵配套人工回注水设施在深部煤层气水平井排采中的应用进行了探讨。

　　2武乡南研究区煤储层特征及排采存在的问题

　　2.1煤储层特征

　　武乡南研究区主要开发3#上煤和15#煤。3#上煤层位于山西组中下部，平均埋深1 344 m，平均煤厚1.6 m。3#上煤层呈灰黑色～黑色，层状构造，内生裂隙较发育，条带状结构，煤体结构为碎裂煤、碎粒煤。煤岩组成以半亮煤、镜煤为主，镜煤多呈薄层状或透镜状。3#煤的孔隙率平均14.3%；煤层注入/压降试井渗透率在0.02 mD左右。

　　15#煤组位于太原组下部，平均埋深1 517 m，平均煤厚3.5 m。呈灰黑色-黑色，层状构造，条带状结构，煤体结构为碎裂煤、碎粒煤。煤岩成分以亮煤为主。15#煤的孔隙率平均10.9%。煤层注入/压降试井渗透率为0.01 mD。

　　因此，3#上煤及15#煤均属中-深部煤层，为较高变质程度的烟煤和高变质程度的无烟煤，具有低孔低渗的特征。

　　2.2排采存在的问题

　　武乡南研究区深部煤层主要以水平井勘探开发为主，排采设备多采用螺杆泵进行排采，螺杆泵排采前期日出液量在25~40 m3，可保障煤粉随液正常排出，持续稳定降低液面，保持螺杆泵正常运行。随着排采进行，出液量逐渐减少，日出液量在5 m3以下时，运移煤粉能力随之降低。

　　由于煤层埋藏较深，排采后期产液量逐渐减少，煤粉不能有效排出，运移煤粉能力随之降低，导致煤粉会不断地沉降聚集在泵筒内，最终导致卡泵或断杆停机，影响螺杆泵运行寿命，最终无泵效停机运行。频繁的冲煤粉、更换螺杆泵和油杆等修井作业，不仅增加了材料和维修运行成本，难以保证煤层气水平井的连续缓慢稳定的排采方针，同时影响了当前产气量和井的寿命和最终产量，这严重制约了武乡南研究区深部煤层气排采生产的效率并加重了生产成本。

　　3配套人工回注水设施工作原理

　　排采后期产液量逐渐减少，运移煤粉能力随之降低，需要从地面回注清水至井内，对螺杆泵设备配套使用人工回注水装置可维持排采设备连续产液能力并携带适量煤粉排出地面。

　　人工回注水设施工作原理如图1所示，当螺杆泵设备正常运行时，将井下产液抽取至水箱，关闭3个阀门，煤粉等杂质通过滤网分级过滤沉淀，清水经溢流管排出地面。

　　当日产液量较小时，低于正常产液量，煤粉不能随产液有效排出，通过调节3个阀门，根据需要返排入井液量的大小，进行回注水量，产出液从水箱经注水管和铝塑管直至井下铝塑管的底部，即下泵深度位置，回注水从铝塑尾部进入油管与套管的环空，螺杆泵运行抽汲，地层液和回注水进入泵桶内，经油管排出至地面的采油树的排液管，整个流程实现人工回注，以此进行产液-回注循环。

　　当日产液量较小时且套压较大时，由于套管内压力的影响，自然回注水未能注入井内，此时，打开并调节阀门2，启动柱塞泵，利用柱塞泵进行短暂打压回注水数分钟，将回注水经柱塞泵打压进入连接的软管至铝塑管内，打压进入的回注水与井下铝塑管原有的回注水沟通后，可实现回注效果。此时，回注水形成连续的回注水通道，可关闭柱塞泵，继续回注水。

　　4人工回注水装置使用有效果—以X井为例

　　X井为武乡南研究区的一口水平井，开发3#上煤层，水平段长505 m，钻遇率93%。排采初期采用螺杆泵设备未配套使用人工回注水设施如图2所示，日产液量11 m3，部分煤粉等颗粒物随排采液排出地面，但井筒内及泵筒内仍有大量集聚。运行305 d内，日产液量逐渐减小，因煤粉在泵筒内不断沉降聚集而导致发生1次抽油杆断裂和2次卡泵现象，因停机检泵及解卡作业，累计停机500 h。

　　自加装配套使用人工回注水设施后，作业人员可根据排采排采水量的大小调节阀门，水箱内返排液经铝塑管返排至井内，改变油管及油杆间环空液体流速，稳定日产液量，降低煤粉在泵筒内沉降速率，提高煤粉排出量。其产出液一部分经回注水设施返排入井内，即回注液，另一部分经回注水设施的溢流口排出地面，即实际产出液，产液量等于回注液量+实际产液量。如图3所示，日产液量平均保持在11 m3，煤粉等颗粒物可随排采液有效地排出地面。在配套使用人工回注水设施运行的361 d内，螺杆泵连续稳定运行，设备的连续运转率极大地提高，稳定了气量正常产出。

　　4.1维持排采设备连续稳定运行

　　可维持排采设备连续稳定出液能力并携带适量煤粉排出，有效分离返排液与煤粉，将适量煤粉随液排出，提高排采设备连续运行率。

　　4.2降低运行成本

　　设备成本低，一套该设施成本约3万元，且用电负荷低，稳定性高可连续长期使用。提高了螺杆泵的运转率和连续运转周期。单口生产井频繁冲砂洗井检泵更换螺杆泵和油杆等修井作业，不仅修井作业施工成本高昂，并且消耗材料等费用。

　　4.3操作简便

　　该设施工作原理易懂，操作简便，排采工人短期培训后即可上手操作回注水设施。

　　4.4恢复运行时效快，气量基本不受影响

　　因吐粉导致产液量及产气量异常时，通过调节阀门开关及柱塞泵，可使排采设备快速恢复稳定运行，气量恢复约3 h。而冲砂洗井作业气量恢复较慢约5 d以上。频繁修井会影响井的寿命和产气量，每次修井都需要重新解吸建立平衡，而采用该套设备既稳定了当前产量也延长了井的寿命和最终产量。

　　5结语

　　针对武乡南研究区深部煤层气水平井排采作业存在的吐粉严重、煤粉未能有效排出地面、排采过程易卡泵断杆等问题，采用配套的人工回注水设施后，以上问题取得了明显成效，配套使用该设施具有维持排采设备连续稳定运行、降低运行成本、确保煤层气稳定产出及该设施操作简便，恢复运行时效快的特点，为当前深部区域煤层气稳定连续生产运行提供了合适的解决方案。因此，深部煤层气水平井螺杆泵排采配套使用人工回注水设施的具有一定的可实施性，值得在深部煤层气水平开发中广泛推广应用。

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