煤层气井井下工况诊断技术及解决措施研究

李袖臣　张文　王婧

摘 要：由于煤层气排水采气的开发方式以及其易于吐砂吐煤粉的生产特征，导致其井下工况的诊断分析方法有别于常规油气井。由于煤层气井这种特殊的工作环境，导致煤层气井常常发生故障，而连续稳定排采对于煤层气井至关重要，因此，准确的掌握煤层气井井下工况，提出针对性的解决措施，是提高煤层气井开采效率的关键。本文通过对煤层气井各种典型示功图的大量分析对比，形成了一套能够快速和准确地识别煤层气井井下故障的工况诊断技术，诊断准确率达到85%以上，能保证煤层气井长期稳定、高效的排采。并以保德区块煤层气井工况诊断技术为标准，建立一套适合保德区块的煤层气井功图数据库，可自动根据工况判断井下故障，并提出具体的解决措施。

关键词：煤层气;示功图;工况诊断技术

中图分类号：TD82 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）06-0148-04

煤层气排水采气的开发方式以及其易于吐砂吐煤粉的生产特征导致其井下工况非常复杂。泵的工作状态影响因素较多，不但受到“管、杆、泵”运行过程中出现的磨损、碰撞等影响，还受到煤层气井出水、出气、出煤粉等因素的影响。由于这种工作环境，导致煤层气井抽采系统常常发生故障，而连续稳定排采对于煤层气井至关重要，因此，准确的掌握煤层气井井下工况，及时处理井下故障，是有效提高煤层气井开采效率和降低能耗的关键。

现阶段煤层气井井下工况诊断方法基本参考常规油气田上的故障分析方法与技术，分析结果单一，导致很多煤层气井井下工况判断不清楚，不能正确反映煤层气井井下工况的准确情况。因此本文通过对保德区块煤层气井各种典型示功图进行分析对比，总结形成一套适合保德区块的煤层气井工况诊断技术，并汇总各种井下故障的标准示功图建立数据库，可自动判断井下故障，并提出具体的解决措施，保证煤层气井长期稳定、高效的排采。

1 理论示功图

煤层气与常规油气田开采方式基本相似，通常都使用抽油机配合有杆泵生产。工作原理是：抽油机通过抽油杆带动有杆泵工作，将地层中水排出至地面。在抽油机上下运动的过程中，最顶端称为上死点，最底端称为下死点;定义从上下死点往复运动一次为一个冲程。在一个冲次过程中，以抽油机相对下死点的位移S为横轴，以抽油机向上的拉力F为纵轴，就可以绘制出一张关于F、S的闭合曲线，称为示功图。示功图曲线所围成的面积大小表示了有杆泵在一个冲程内做功的多少，根据此图可对整个油井生产系统的工作状况做分析判断。理论示功图，是认为有杆泵不受任何外界影响，光杆只承受抽油杆柱与活塞以上液柱的静载荷时所得到的示功图（如图1所示）[1]。

2 典型实测示功图的综合解释及应用

煤层气井由于工作介质不同，实测示功图与理论示功图差异较大。在分析示功圖时，要全面掌握煤层气井的生产动态，依据示功图的形状，与标准示功图对比，综合分析影响示功图的主要因素，判断煤层气井的井下工况，并及时采取相应的处理措施，保证煤层气井的长期稳定、高效的排采。

2.1杆柱断脱

2.1.1 抽油杆柱断脱

抽油杆断脱的悬点载荷是断脱点以上的抽油杆柱在水中的重量，悬点载荷不变;由于摩擦，使上下载荷线不重合，成条带状[2]。示功图载荷的大小取决于断脱点的位置：断脱点离井口越近，示功图越接近横坐标;断脱点离井口越远，示功图越接近最小理论载荷线。

保2-14向3井于2013年10月30日不出液，最大载荷与正常时载荷差不多，最大载荷与最小载荷相差不大，基本可断定为靠底部杆柱断脱（如图2所示）。该井检泵结果为自上而下第94、95根抽油杆脱扣，该井原井泵挂深度为798.92m。

保4-05向1井于2013年10月29日不出液，最大载荷与最小载荷相差不大，最小载荷比正常时最小载荷小很多，基本可断定为上部抽油杆断脱（如图3所示）。该井检泵结果为自上向下第20根抽油杆断。

2.1.2脱接器断脱

脱接器断脱最小载荷基本与正常时功图最小载荷相同，最大载荷与最小载荷相差不大，并且图形成条形波浪状。保2-30向1井于2013年10月29日不出液，脱接器断脱特征明显（如图4所示）。该井检泵结果为脱接器断。

主要解决措施：现场监督要严格把关新井下泵和检泵作业的施工质量，保证抽油杆螺纹连接处紧固力足够;合理优化组合抽油杆柱;对偏磨严重部位优化管柱设计，采用多种扶正器配合使用，在排采上可以采用“长冲程小冲次”的工作方法;物资采购时要严把质量关，保证供应的物资设备均符合相关的质量标准和要求。

2.2 油管漏

油管漏失是进入油管的水会从漏失处漏入油套环空，使作用于悬点上的液柱载荷减小，不能达到最大理论载荷值，所以示功图形状与理论示功图形状相近，但最大载荷减小。水量减少时即漏失初期，可进行水管线憋压，根据憋压情况判断是否出现漏点。

保2-18向2井连续有效排采460天后于2013年11月8日不出液，油管使用天数为614天，根据产水量缓慢减少，以及正常功图和不出液功图形状相近，只是最大载荷减小，可初步判断为油管漏（如图5所示）。检泵结果为自上而下第74根油管丝扣偏磨漏失。

主要解决措施：采用防偏磨措施及管柱。

2.3 泵凡尔漏失

2.3.1 固定凡尔销钉断

固定凡尔销钉作用是使固定凡尔能座封严实。固定凡尔销钉断后，固定凡尔不能正常关闭，导致游动凡尔打不开，悬点不能卸载。示功图位于最大理论载荷线附近。

保1-02向2井有效排采328天后于2013年10月18日不出液，最大载荷基本不变，最小载荷增加很多，示功图成条带状，可初步判断为固定凡尔销钉断（如图6所示）。检泵结果为固定凡尔销钉断。

2.3.2 固定凡尔漏失

下冲程，由于固定凡尔漏失，固定凡尔不能及时关闭，泵内压力不能提高而延缓了卸载过程，使游动凡尔不能及时打开。上冲程，固定凡尔漏失不影响泵的工作，示功图形状与理论示功图形状相近。当固定凡尔严重漏失时，游动凡尔一直不能打开，悬点载荷不能卸载。示功图位于最大理论载荷线附近，示功图成条带状。

保4-08向4井于2013年8月23日不出液，产水量逐渐减少到最后不出液。对比功图发现漏失量逐渐加大到最后不出液，可初步断定为固定凡尔漏失（如图7所示）。检泵结果为固定凡尔漏失。

2.3.3 游动凡尔漏失

上冲程，泵内压力降低，游动凡尔不能及时关闭，使柱塞上面的液體经过游动凡尔的不严密处漏到柱塞下部。下冲程，游动凡尔漏失不影响泵的工作，示功图形状与理论示功图相似。当漏失量很大时，固定凡尔始终是关闭的，泵的排量等于零，上冲程载荷远低于最大载荷。

保1-27向3井连续排采116天后于2013年8月12日产水大幅减少（21方减至15方），多次碰泵及大冲次试抽后产水未恢复（且产水逐渐减少），9月15日产水为4方（泵效为11%），对比功图发现漏失越来越严重，可初步断定为游动凡尔漏失（如图8所示）。检泵结果为游动凡尔漏失。

主要解决措施：物资采购时要严把质量关，保证供应的物资设备均符合相关的标准和要求;保德区块煤层气井凡尔漏失主要由于煤粉导致，针对游动凡尔漏失的煤层气井，一般处理措施是碰泵，减缓凡尔座上的煤粉、砂对凡尔的影响;如果碰泵不能解决，只能进行检泵作业，更换泵。

2.4 下碰泵

由于下泵过程中活塞装置过低，当活塞下行接近下死点时，活塞与固定凡尔碰撞，光杆载荷急剧降低，引起抽油杆柱剧烈振动，这时活塞又紧接着上行而引起的。示功图左下角有凸出。

保2-33向2井2013年7月7日发现下碰泵，2013年8月17日将防冲距调大30公分后下碰泵现象消失（如图9所示）。

主要解决措施：上调防冲距。

2.5 气体影响

由于煤层气井是排水采气，气体有压缩性。泵内气体压缩，泵内压力不能迅速提高，卸载变慢，导致游动凡尔滞后打开，卸载线成一圆弧状。其曲率半径越大，泵效越低，表明泵内气体越多，泵充满程度差，产水量波动大，可能导致间歇性出水。

气体对煤层气井的影响较大，直接影响煤层气井的水量，导致煤层气井的产量严重下降，严重时会发生气锁，因此要控制好套压，保证足够的沉没度。保2-18向5井目前套压0.54MPa，泵沉没度41m;该井在排采过程中液面逐渐下降，导致泵的沉没度不够，受气体影响严重，卸载线成一圆弧状（如图10所示）。

主要解决措施：检泵时调整泵挂深度，增大其沉没度;尽量将防冲距调小;检泵或新井下泵可部分试验高效气锚或防气泵。

3 功图数据库的运用

功图数据库内汇总各种井下故障井的标准示功图，功图显示采用位移横坐标、载荷纵坐标的方式，能读取井名称、采集时间、最大载荷、最小载荷、冲程、冲次等参数，调用和查阅功图数据方便，具有单井分析和功图对比（如图11所示）的功能。功图对比还可将单井不同时期的功图进行叠加，用户可迅速查看一段时间内的功图变化趋势（如图12所示），根据保德区块煤层气井工况诊断技术，自动判断井下故障，并提出初步的解决措施。

4 结论

本文通过对保德区块实测示功图和检泵结果进行对比分析，以及一些排采现象的统计，提高了对示功图的认识，摸索总结出一套适合保德区块的综合解释方法，能对一些保德区块特有的井下故障做出准确的判断，目前保德区块井下故障判断准确率达到85%以上。

煤层气井井下工况较为复杂，分析井下工况时要结合生产实际，并综合憋压和载荷变化等情况，积累典型示功图及其应对方法，能更好的指导生产实际，避免问题严重化和延长修井周期，以降低生产成本。

参考文献

[1] 孙新铭，黄卫，曹利.示功图在油田生产中的应用[J].内脏科技，2007（8）：125-142.

[2] 黄玉平.示功图在生产实际中的应用分析[J].青海石油，2010，28（4）：73-78.