螺杆泵在延川南煤层气开采中的应用
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摘 要：近几年，随着煤层气开采越来越受到人们的重视，因此煤层气的排采提液就成了人们很关注的问题；本文将对在南川南煤层气区块进行螺杆泵排采工艺的应用及存在的问题进行分析，对造成检泵周期短的问题提出了一些改进措施。
从2008年起，中石化华东石油局开始探索新能源领域，进入河东煤田南部区块（延川南区块）开展以煤层气为主的非常规油气勘探开发。河东煤田南部区块（延川南区块）煤层总厚度达16m，含气量11-23.4m?/t，含气饱和度76.5-90.8%，具有高压、高渗、高含气量、高饱和度等特征，是煤层气开发的理想区域。
结合该区域煤层储层特性在开采过程中广泛应用了螺杆泵排采工艺。
一、螺杆泵组成及工作原理：由四部分组成（如图1-1）。电控部分：包括电控箱和电缆；地面驱动部分：包括减速箱和驱动电机、井口动密封、支撑架、方卡等；井下泵部分：包括螺杆泵定子和转子；配套工具部分：包括专用井口、特殊光杆、抽油杆扶正器、油管扶正器、抽油杆防倒转装置、油管防脱装置、防抽空装置、筛管等。
螺杆泵的转子、定子副是利用摆线的多等效动点效应，在空间形成封闭腔室，并当转子和定子作相对转动时，封闭腔室能作轴向移动，使其中的液体从一端移向另一端，实现机械能和液体能的相互转化，从而实现举升作用。
二、螺杆泵应用及存在的问题
螺杆泵在该区域的应用过程中出现了一些问题，该区域内目前应用螺杆泵排采工艺的煤层气井共14口，仅仅9个月就累计修井次数高达26井次，平均每口井每年修井次数超过两次以上。主要修井原因详见表2-1。
综合分析泵堵死所占检泵比例31%，是该区域内检泵重点关注的类型；经分析造成堵泵的主要类型有两种，其中煤泥堵泵的比例最大，造成此类现象的主要原因是正常生产的中断引起的，由于正常生产中，使井内煤泥被输送至螺杆泵以上未出井口时，突然中断使煤泥沉积至泵腔内堵死，重新启动后负载过大螺杆泵不能正常运行造成检泵作业。应加强泵的有效正常运行，减少长时间的中断运行次数；以及定期对井筒进行彻底清洗等工作，可大大减少堵泵现象的发生。
其次泵的过早磨损占了检泵的比例23%；井下气液比过高及砂子对泵的磨损是造成泵严重磨损的主要原因，其中影响最大的原因的是井下气液比过高；因为螺杆泵在正常运行当中，转子部件在橡胶定子内旋转，需要通过井液对泵进行润换和冷却。由于气体起不到有效地作用，所以当气液比较高的井液通过泵腔时，对泵的效果降低，导致转子和定子在运行过程中摩擦生热，使定子的橡胶材料软化，最后造成了螺杆泵过早磨损。有很多因数可以造成泵腔内的气液比升高，其中包括井口环空压力高、泵抽空和井下气液分离太差等。由于井口压力直接关系到煤层气的产出，因此必须调整地面装置的配置，尽量降低井口压力保证螺杆泵在正常条件下工作。
此外泵抽空也是造成泵磨损的一个重要原因，由于螺杆泵的排量大于地层的产液能力，从而造成泵效的降低甚至是空载运行；此类问题要根据实际情况通过改变泵的型号，调整泵螺杆泵转速，或者进行间歇抽汲等办法对泵的抽汲能力进行调整，以适应地层的产液能力。
井下气液分离太差也是影响泵腔内气液比升高的很重要原因；通过调整生产管柱结构及泵相对煤层的位置来改善。生产管柱结构可以在筛管之上增加气锚，以加强气液分离效果；以及螺杆泵吸入口相对于煤层的位置对井下气液分离有着很大的影响，试验初期阶段，将泵下到煤层气以上避免砂子所造成泵的磨损问题，这样将会影响气液分离的效果，将螺杆泵的吸入口直接下至煤层以下，气液从煤层流出后依靠自重气液首先自动分离后，气体上浮进入套管，液体进入泵腔，减少了气体进入泵筒内腔所造成的磨损。
砂子造成的磨损占泵磨损的33%，占所有检泵总量不到8%，这与螺杆泵本身性能有很大的作用，螺杆泵可以在磨损很小的情况下下去除井液中的砂子及煤粉。可以通过在压裂改造后进行大排量长时间冲洗井筒，减少井筒内的砂子及煤粉的存在。
管柱脱落在检泵工作中占15%，占有相当大的比例；因为螺杆泵的转子在定子内顺时针转动，工作负载直接表现为扭矩，转子扭矩作用在定子上，定子扭矩会使上部的正扣油管倒扣造成管柱脱扣，除此之外在出砂严重的井出现泵砂卡后抽油杆正向转动，造成管柱的相对反扭矩，也会使油管倒扣脱落；所以螺杆泵井的油管柱必须实施防脱措施。在增加油管上扣扭矩外可靠的防脱措施主要有，优化管柱结构，在螺杆泵定子下或是定子上下增加锚定工具，对螺杆泵定子进行固定，防止其相对转动造成管柱脱落；还可以使用反扣油管的方法来克服管柱脱扣的可能；另外加强管理，通过对电流表的观测来判断电机负荷状况的不稳定，以监测井下扭矩是否异常。
抽油杆断脱占到检泵量的12%；其一，负载扭矩过大停机后杆柱高速反转造成抽油杆脱扣。螺杆泵排液井一旦遇到卡泵等情况时，负载扭矩明显加大，因而整个杆柱上会产生一定量的弹性变形，一旦停机或过载停机，抽油杆的弹性变形释放，从而造成杆柱高速反转，特别是杆柱上部即在弹性变形能释放后，在惯性力的作用下，要继续反转，从而会使杆柱丝扣连接处倒扣，造成杆柱脱扣。
其二，停机后油管内液体回流杆柱反转造成抽油杆脱扣。螺杆泵停止运动时，油管内的液体通过泵腔倒流到油管环腔内，是转子和抽油杆反转。如果在反向扭矩消失之前，螺杆泵的动力恢复，就会在抽油杆作用一个瞬时扭矩，这个扭矩会大于抽油杆的额定扭矩从而造成抽油杆的断裂，避免此类现象的发生可以在螺杆泵的吸入口安装单流阀，使液体只能向上单向流动，防止停机后液体的回流，减少抽油杆因液体倒流而反转，从而达到保证抽油杆脱扣的可能。
其三，合理优化杆柱与管柱结构也是减少抽油杆断脱的有效保证。杆柱与管柱的匹配依据：根据套管尺寸，螺杆泵结构参数大小，抽油杆柱的强度，下泵深度，排量要求来确定。因为各厂家生产的螺杆泵结构参数不一样，泵转子直径不同，泵定子外径不同，所以应根据所下泵的尺寸和井况来确定杆柱和管柱， 保证满足排量要求， 强度要求和经济效益好的要求。表2-2给出了常规管柱、杆柱的匹配。
电缆磨断占检泵量的4%，由于螺杆泵转子离心力的作用，定子受到周期性冲击产生振动，使定子及管柱周期性的振动，将电缆磨断，为减小或消除定子及管柱的振动需要设置锚定器及扶正器。一般扶正器在定子上接头处安装较为适宜，而对于采用反扣油管的管柱，则需在定子上、下接头处分别安装扶正器。
除以上原因之外，其余15%的检泵作业是由于管杆的质量缺陷、正常磨损及计划检泵作业。
三、结论
结合该区域煤层储层特征及螺杆泵本身的性能特性，对该区域内螺杆泵排采井的失效原因分析，可以看出失效的主要原因有煤泥砂堵泵、螺杆泵的磨损、管杆断脱及管柱蠕动等。
1、 煤泥、砂堵主要原因是间歇停抽及未彻底清洗井筒所造成；
2、 气液比过高是造成螺杆泵磨损的主要原因；可通过降低井口环空压力、减少泵抽空以及改善井下气液分离效果等来降低；
3、 管柱松脱扣的主要原因是螺杆泵定子和转子相对转动以及引起的；可通过在管柱结构上增加锚定器来保证；
4、 杆柱断脱的主要原因是过载停机及液体倒流造成的；可通过在管柱结构上增置单流阀的办法来解决。
5、 管柱蠕动使其与套管壁接触时所产生的磨察，对管柱及电缆造成磨损；可在管柱上安装扶正器来减少管柱与套管壁的接触磨损；
通过对造成这些原因的分析，结合提出了相应的改进措施及解决办法，后期如果措施到位，一定会很好的解决和改善检泵周期过短等所造成的生产成本过高等，给开采带来的不利因数。
参考文献：
1、韦重韬 桑树勋 河东煤田乡宁地区主煤层储层物性特征及意义；
2、王志明 螺杆泵采油技术存在的问题及对策；
3、张霞 任志臣 陈洪维 张金红 黄冬菊 螺杆泵采油工艺技术现状；
4、张天利 螺杆泵采油基础知识及配套技术
作者简介：
张龙强 1987年出生 现场作业技术负责