煤层气井示功图影响因素、异常类型及治理技术研究

梁春红 王 宝 赵晨光 宋振坤 贾慧敏 王思佳

(1.中国石油华北油田山西煤层气勘探开发分公司，山西 048000；2.中国石油华北油田煤层气成庄作业分公司，山西 048000)

1 煤层气井抽油泵正常工作示功图特征

如图1所示，理论示功图为一个规则的平行四边形，横坐标为位移(m)，纵坐标为载荷(KN)，反映抽油机悬点载荷随位移的变化情况。其中线段ab、cd分别为加载和卸载曲线，反映悬点载荷增加或降低的过程；线段bc、da分别反映上冲程、下冲程曲线。线段a-b-c-d表示加载、上冲程、卸载、下冲程一个完整的冲程。

Sz为抽油泵柱塞冲程;Sg为抽油机光杆冲程;Pz为悬点静载荷;P1为抽油杆柱在液体中重力；P2柱塞上液柱重力;Pz为悬点静载荷；a为下死点；c为下死点。图1 理论示功图

图2 煤层气井抽油泵正常工作时实际示功图

研究区块煤层埋深一般在800m以浅，煤层气井日产水量在0～150m3之间，其中主要产气井日产水量分布在0～15m3之间，水量较小，悬点载荷一般在15～25KN之间；冲程一般在0.8～2.8m之间，冲程随煤层气单井日产水量的增加而增加。如图2所示，煤层气井抽油泵正常工作时示功图整体上为一个平行四边形，四边形完全充满。由于生产过程中存在振动载荷、惯性载荷，因此加载、卸载以及运行过程中位移线会略有波动，但整体上煤层气井动载荷可以忽略，因此实际示功图与理论示功图非常接近。

2 煤层气井示功图影响因素

煤层气井示功图主要受煤粉、产液量、气体的影响，示功图是否正常可以从整体形状、充满度以及线段平滑程度等三个方面来判断。

2.1 煤粉影响

煤层气井中煤粉主要来源于构造作用对煤层的构造破坏和钻井、作业过程中对煤岩机械破坏，煤粉随着煤层气井排出水运移到井底、泵筒中，对抽油泵运行状况具有重要影响。

煤层气井投产初期，煤粉主要来源于钻井、压裂等作业过程，此时煤粉影响形成的示功图如图3所示，整体上为平行四边形，但每个边都有锯齿状波动。这主要由于，在该阶段煤层产水量较大，携带煤粉能力较强，煤粉进入泵筒与油管之间空隙中，使泵筒运行过程中增加额外的摩擦载荷，出现载荷突增情况。由于煤粉分布不均匀，摩擦载荷时大时小，导致示功图呈锯齿状波动。煤粉越多、颗粒越大，影响程度越大锯齿波动越明显。

图3 煤粉影响示功图

在煤层气井解吸产气初期，气泡未形成连续气流，气泡流携煤粉能力较强，导致煤粉产出增多。而气泡流持续时间较短，一般为7～15天。随着煤层气解吸量增加，形成气、水两相流，产水量大幅降低，携带煤粉能力急剧下降。此时，气泡流阶段形成的大量煤粉逐渐在筛管、凡尔甚至泵筒内沉积，导致泵效降低，产水异常。

2.2 煤层供液量影响

如图4所示，示功图显示煤层气井供液不足，主要特征是平行四边形右下角缺失，呈 “刀把形”。这是由于煤层向井筒中供液量不足，液体不能充满泵筒，活塞下行一段距离后才能触及液面，卸载延迟。煤层产液量越小，平行四边形右下角缺失面积越多，即“刀把”越长。

图4 供液不足示功图

当煤层气井产水量较小时，携带煤粉能力较低，大量煤粉沉积在泵筒中，尤其沉积在游动凡尔和固定凡尔处，导致凡尔不能正常关闭，形成漏失，大大降低泵效，严重的可能导致抽油泵不出液，导致煤层气井流压回升，气量下降。

2.3 气体影响

气体进入泵筒会导致气锁发生，造成抽油泵无效往复运动，凡尔不能正常打开，井筒中水量不能正常产出。当套压较高时，油管和套管环空中的气体极易膨胀而进入泵筒，造成泵筒气锁。现场统计发现，套压高于2MPa时，气体极易进入泵筒导致气锁发生。煤层气井排采后期，动液面降至煤层以下接近泵吸入口位置，气体极易进入泵筒中。因此，煤层气井在钻井过程中就应该留足“口袋”，将泵下入煤层底板以下15～20m的位置，即使液面降至煤层以下，泵仍然有一定的沉没度，可以有效防止气锁发生。

3 煤层气井示功图异常类型及治理方法

3.1 凡尔漏失

凡尔漏失主要是由于煤粉在凡尔处沉积导致凡尔球与阀座密封不严，包括固定凡尔漏失、游动凡尔漏失和双凡尔漏失三种情况。

其中游动凡尔漏失如图5(a)所示，特点是左下尖、右上圆，表现为加载延缓、卸载提前。由于游动凡尔漏失，上冲程时液体渗漏，加载缓慢；上冲程还未完成，液体渗漏至柱塞下面，造成顶托，压力提前卸载。这类功图在煤层气不正常井中较为常见，当煤层气井产水量较低或者排采不连续时，煤粉极易沉积在游动凡尔处，造成游动凡尔不能完全闭合。固定凡尔漏失如图5(b)所示，特点是左下圆，右上尖，表明卸载缓慢。主要是由于柱塞下行过程中，液体从固定凡尔漏失，不能形成有效憋压，导致卸载缓慢。固定凡尔漏失在煤层气井中极为少见。双凡尔漏失如图5(c)所示，特点为一个窄条，不能加载,也不能卸载，泵完全失效。双凡尔漏失在煤层气井中相对多见。尤其是在大幅调气后，或是套压有大幅波动后，引起井筒中煤粉激动，大量煤粉瞬时进入泵筒，造成双凡尔漏失。

该类异常井治理方法为快抽、碰泵或检泵作业。快抽就是使抽油机最高冲次运转，快速提放活塞，使活塞上行速度大于游动凡尔漏失速度，提高加载速度，用较高压力的液体冲洗游动凡尔阀座上的煤泥，这对于游动凡尔漏失井有效。碰泵就是通过抽油泵柱塞与固定凡尔罩撞击产生震动，去除凡尔处煤泥，这对于游动凡尔和固定凡尔漏失严重的井较为有效。一般凡尔漏失井，先进行快抽，无效后进行碰泵，可以快抽、碰泵循环两次，无效时进行检泵作业。该类不正常井主要是由于煤粉沉积引起的，有效清除煤粉是预防和治理的关键，应根据出煤粉情况进行定期洗井，及时清除井筒和泵筒中的煤粉；另外保证排采连续，避免煤粉沉积。

图5 煤层气井凡尔漏失理论示功图

3.2 气锁

气锁是由于泵筒内存在气体，上下冲程中气体发生压缩和膨胀，泵筒内压力始终小于液柱压力，固定凡尔和游动凡尔无法打开。其示功图如图6所示，呈“软刀把形”，由于柱塞到下死点处，泵筒余隙中还残存一定气体，上冲程中气体膨胀固定凡尔滞后打开，下冲程中气体压缩，卸载变慢。

图6 煤层气井气锁理论示功图

煤层气井开发进入后期，动液面降至煤层附近，井底流压完全等于套压，容易发生气锁现象。研究区块85%的井动液面降至煤层以下，部分井套压在0.5MPa以上，该类井最容易发生气锁。该类井可以通过使动液面适度回升，然后快抽的方式进行解决。具体实施步骤是，第一，调慢冲次，恢复动液面至煤层30m以上，这样一方面可以避免气体继续进入泵筒，另一方面形成一定的液柱压力，使液体更多的进入泵筒；第二，将抽油机冲次调至最高，现场实施快抽，使液体充满泵筒，排出泵腔内气体；第三，逐步调整冲次，使供出液平衡，保证液面恢复至煤层附近。如此，重复2～3次，如果不能恢复正常则进行检泵作业。

(a)H1-1井故障时功图；(b)H1-1井碰泵后功图图7 H1-1井故障前后示功图

(a)H1-2井气锁时示功图；(b)H1-2井气锁解除后示功图图8 H1-2井气锁治理前后示功图对比

4 现场应用情况

4.1 凡尔漏失治理

H1-1井2012年投产，目前产气量650m3/d，产水量1.3m3/d，套压、流压均为0.24MPa，处于排采后期，水中含有煤粉。排采过程中，该井气量突降，现场核实产液量减少为0.5m3/d，实测示功图7显示最大载荷为31.5kN， 最小载荷为13.1kN，显示加载延缓、卸载提前，判定为游动凡尔漏失。决定先采用快抽方式进行治理，将冲次由0.12次/分逐步提高至5次/分，快抽20分钟后不出液，又提高至8次/分，快抽20分钟仍不出液，表明快抽无效。

然后采用碰泵措施，首先下调防冲距，使抽油泵柱塞触及固定凡尔罩，然后以冲次1次/分进行碰泵，碰泵30分钟后开始出液，液体中含有大量煤粉。1小时后，出液量恢复至故障前的1.3m3/d，水质变清，有少量煤粉，气量上升至650m3/d，再次监测示功图显示为平行四边形，充满度较好，表明泵效提高、泵况改善。

4.2 气锁治理

H1-2井2012年投产，目前产气量1400m3/d，产水量0.6m3/d，套压、流压均为0.3MPa，处于排采后期，液面降至煤层底板以下，煤层全部裸露。上调气量150m3后瞬时大幅下降，现场核实无液，快抽、碰泵无效。示功图8显示该井气锁，为了消除气锁影响，采取“冲次调慢+快抽”的方式进行治理，先将冲次调慢至0.2次/分，密集监测动液面回升情况，动液面回升到煤层以上20m时，提高冲次至8次/分快抽出液，最后逐步调节冲次，使液面达到平衡值。通过整改后该井套压、日气量、日产水恢复正常值，复测示功图为较规则平行四边形，表明抽油泵恢复正常。

参 考 文 献

[1] 刘春花,刘新福,周超,等.煤层气井有杆泵排水采气设备示功图[J].煤田地质与勘探.2014,42(5):38-43.

[2] 贾慧敏.高煤阶煤岩孔隙结构分形特征研究[J].石油化工高等学校学报,2016,29(1):53-56.

[3] 姚征,曹代勇,熊先钺,等.基于示功图监测的煤粉相关井下故障预警[J].煤炭学报,2015,40 (7):1595-1600.