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煤层气井排采技术分析

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煤层 气井 技术 分析
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© 1994   江 舒 华 2(1. 奥 瑞 安 能 源 国 际 有 限 公 司 , 北 京   100190 ; 2. 中 联 煤 层 气 有 限 责 任 公 司 , 北 京   100011)摘   要 : 煤 层 气 的 产 出 机 理 决 定 了 煤 层 气 井 必 须 进 行 排 水 降 压 , 才 能 达 到 产 气 的 目 的 。 文 章 分 析了 当 前 我 国 煤 层 气 井 排 采 的 主 要 方 法 及 其 适 应 性 , 指 出 合 理 的 排 采 制 度 和 精 细 的 排 采 控 制 是 保 证煤 层 气 井 排 采 成 功 的 关 键 排 因 素 。 认 为 非 连 续 性 排 采 、 排 采 强 度 过 大 及 井 底 流 压 降 低 过 快 是 影 响我 国 煤 层 气 井 产 量 的 主 要 工 程 因 素 。关 键 词 : 煤 层 气 井 排 采   排 采 制 度   排 采 控 制   井 底 流 压 . , 00190 ; 2. 00011) is in to of BM BM in It to to BM 煤 层 气 资 源 丰 富 , 地 质 资 源 量 3618 × 1012 但 是 到 目 前 为 止 , 我 国 除 沁 水 盆 地 南 部 和 阜 新矿 等 极 少 数 地 区 的 煤 层 气 进 入 商 业 开 发 外 , 绝 大 多数 地 方 还 处 于 试 验 阶 段 。 煤 层 气 井 产 量 主 要 受 控 于资 源 条 件 、 钻 井 工 程 因 素 及 排 采 工 艺 几 个 方 面 。 排采 技 术 是 煤 层 气 开 发 非 常 重 要 的 一 个 环 节 。 毋 容 置疑 , 中 国 的 煤 层 气 产 业 已 经 进 入 了 排 采 的 时 代 , 排采 工 艺 在 某 种 程 度 上 已 成 为 我 国 煤 层 气 产 业 发 展 的瓶 颈 , 重 视 和 加 强 排 采 工 艺 的 研 究 具 有 重 要 的 理 论和 现 实 意 义 。1   我 国 煤 层 气 井 排 采 的 主 要 方 法 及 其 适 应性开 采 煤 层 气 排 水 的 方 法 有 : 有 杆 泵 、 螺 杆 泵 、电 潜 泵 、 气 举 、 水 力 喷 射 泵 、 泡 沫 法 及 优 选 管 柱 法等 。 而 我 国 目 前 主 要 采 用 有 杆 泵 、 螺 杆 泵 和 电 潜 泵来 实 现 油 管 排 水 , 套 管 采 气 。有 杆 泵 排 水 采 气 : 地 面 为 抽 油 机 , 井 下 为 管 式泵 。 管 式 泵 由 泵 筒 和 柱 塞 两 大 部 分 组 成 , 适 应 性强 , 操 作 简 单 。 在 排 采 不 同 阶 段 , 根 据 产 水 量 变 化作 者 简 介   饶 孟 余 , 男 , 博 士 后 , 高 级 工 程 师 , 长 期 从 事 煤 层 气 开 发 研 究 及 管 理 工 作 。第 7 卷 第 1 期                                     中 国 煤 层 气                                         2 月                                                           1994 , 并 可 通 过 调 速 电 机 调 频 , 根 据 各 井 情 况选 择 适 当 的 排 采 强 度 。 适 合 于 产 水 量 在 100下 , 井 斜 不 严 重 , 出 砂 、 煤 粉 较 少 的 井 上 使 用 。 对于 产 气 量 极 高 或 大 量 出 砂 的 井 , 需 要 进 行 特 殊 的 井下 设 计 。螺 杆 泵 排 水 采 气 : 由 定 子 和 转 子 组 成 , 结 构 简单 , 占 地 面 积 小 、 维 护 简 单 ; 配 上 调 速 电 机 可 以 在一 个 很 宽 的 速 度 范 围 内 工 作 , 排 量 变 化 较 大 , 最 高日 产 水 量 可 达 到 250 上 。 适 合 产 水 量 中 等 的 排采 井 。电 潜 泵 排 水 采 气 : 是 潜 没 在 被 泵 送 介 质 中 的 离心 泵 。 排 量 范 围 大 , 扬 程 高 ; 可 以 根 据 产 液 变 化 要求 进 行 变 频 调 速 ; 地 面 占 用 面 积 小 和 空 间 小 、 使 用寿 命 长 、 便 于 管 理 。 安 装 变 频 器 后 可 以 在 10~50 内 调 整 转 速 , 达 到 控 制 排 量 的 目 的 。 适合 井 斜 较 大 、 产 水 量 较 高 的 排 采 井 。 表 1 是 有 杆泵 、 电 潜 泵 及 螺 杆 泵 排 水 采 气 适 宜 性 对 比 表 。表 1   三 类 泵 排 水 采 气 方 法 对 比 表项 目 条 件 有 杆 泵 电 潜 泵 螺 杆 泵排 量(d)正 常 范 围 1~ 100 80~ 700 5~ 250最 大 值 500 1400 1000泵 深(m)正 常 范 围 < 3000 < 2000 < 1500最 大 值 4420 2500 3000井 身 斜 井 一 般 适 宜 不 宜环 境 气 候 恶 劣 一 般 适 宜 一 般操 作 问 题高 气 水 比 较 好 一 般 较 好出 砂 较 好 不 适 宜 适 宜维 修 管 理检 泵 工 作 较 大 大 较 大免 修 期 (a) 2 115 1自 动 控 制 适 宜 适 宜 一 般生 产 测 试 一 般 不 适 宜 不 适 宜灵 活 性 适 宜 适 宜 一 般2   煤 层 气 井 排 采 的 工 艺 技 术煤 层 气 排 采 工 艺 技 术 体 现 在 两 个 方 面 : 合 理 的排 采 制 度 和 精 细 的 排 采 控 制 。211   排 采 工 作 制 度一 般 地 , 对 一 个 新 的 地 区 , 在 进 行 排 采 之 前 需要 根 据 储 层 的 参 数 特 征 进 行 储 层 产 能 模 拟 , 对 气 水产 量 及 其 产 出 规 律 进 行 预 测 , 做 到 心 中 有 数 , 然 后选 择 适 当 的 排 采 设 备 、 制 定 合 理 的 排 采 制 度 。实 际 上 , 煤 层 气 井 的 产 量 直 接 受 控 于 排 采 制 度的 调 整 , 煤 层 气 的 排 采 必 须 适 应 煤 储 层 的 特 点 , 符合 煤 层 气 的 产 出 规 律 。 对 于 不 同 的 煤 层 气 地 质 条件 、 储 层 条 件 以 及 不 同 的 排 采 阶 段 , 需 要 制 定 不 同的 排 采 制 度 。 而 合 理 的 排 采 制 度 应 该 是 保 证 煤 层 不出 现 异 常 的 砂 及 煤 粉 的 前 提 下 的 最 大 排 液 量 。 主 要有 以 下 两 种 排 采 制 度 。定 压 排 采 制 度 : 核 心 是 如 何 控 制 好 储 层 压 力 与井 底 流 压 之 间 的 生 产 压 差 ; 关 键 是 控 制 适 中 的 排 采强 度 , 保 持 液 面 平 稳 下 降 , 保 证 煤 粉 等 固 体 颗 粒物 、 水 、 气 等 正 常 产 出 。 适 用 于 排 采 初 期 的 排 水 降压 阶 段 。 由 于 排 采 初 期 , 井 内 液 柱 中 的 气 体 含 量少 , 液 柱 的 密 度 变 化 小 , 井 底 流 压 主 要 为 液 柱 的 压力 , 因 此 , 排 采 过 程 中 的 “ 定 压 制 度 ” 主 要 是 通 过调 整 产 水 量 以 控 制 动 液 面 来 控 制 储 层 压 力 与 井 底 流压 的 压 差 。定 产 排 采 制 度 : 根 据 地 层 产 能 和 供 液 能 力 , 控制 水 、 气 的 产 量 , 以 保 障 流 体 的 合 理 流 动 。 适 用 于稳 产 阶 段 。 由 于 井 内 液 柱 中 的 气 体 含 量 较 大 , 液 柱的 密 度 远 小 于 1 , 套 压 较 高 , 因 此 , “ 定 产 制 度 ”可 以 通 过 改 变 套 压 或 动 液 面 来 控 制 井 底 压 力 以 实 现稳 产 的 目 的 。212   排 采 控 制煤 层 甲 烷 吸 附 是 一 种 物 理 吸 附 , 是 一 个 可 逆 的过 程 , 这 种 性 质 决 定 了 煤 层 气 的 排 采 过 程 (排 水 降压 ) 必 须 连 续 进 行 ; 另 一 方 面 , 煤 储 层 的 孔 隙 度 与渗 透 率 对 有 效 应 力 的 敏 感 性 极 强 , 特 别 是 在 排 采 初期 单 相 流 阶 段 , 煤 储 层 物 性 随 有 效 应 力 增 加 下 降 的速 度 最 快 。 这 种 性 质 决 定 了 降 压 速 度 不 能 过 快 , 持续 的 时 间 不 能 过 短 。 为 此 , 提 出 煤 层 气 井 排 采 控 制思 路 : 将 煤 层 气 井 排 采 划 分 为 放 喷 阶 段 (针 对 常 规压 裂 直 井 ) 、 降 液 面 阶 段 、 控 压 产 气 阶 段 和 控 压 稳产 阶 段 , 排 采 时 , 每 一 阶 段 的 降 压 都 控 制 在 一 定 的强 度 并 持 续 到 足 够 的 时 间 。煤 层 气 井 排 采 控 制 的 几 个 阶 段 工 艺 特 点 :(1) 放 喷 阶 段 : 常 规 直 井 的 储 层 经 压 裂 改 造后 , 储 层 中 被 高 压 压 入 大 量 的 压 裂 液 , 因 此 直 井 排采 首 先 需 要 放 喷 排 液 。 控 制 放 喷 量 的 原 则 是 避 免 井口 出 大 量 的 煤 粉 和 压 裂 砂 。 井 口 压 力 为 零 , 溢 流 量很 小 时 为 结 束 点 。 水 平 井 排 采 无 此 阶 段 。(2) 降 液 面 阶 段 : 控 制 重 点 是 降 液 速 度 , 排 采32第 1 期                                   煤 层 气 井 排 采 技 术 分 析© 1994 , 以 阶 梯 降 液 为 主 , 排 液 应 连 续 平稳 , 保 持 动 液 面 平 稳 下 降 。 严 禁 排 量 的 大 起 大 落 而造 成 生 产 压 差 上 下 波 动 , 使 得 储 层 激 动 , 吐 砂 、 吐粉 。 套 管 产 气 是 该 阶 段 的 结 束 点 。(3) 控 压 产 气 阶 段 : 稳 定 排 采 一 段 时 间 后 , 煤层 气 生 产 井 的 动 液 面 将 会 降 低 到 比 较 低 的 水 平 ,油 、 套 环 形 空 间 的 套 管 压 力 将 会 逐 渐 上 升 到 比 较 高的 状 态 。 此 阶 段 , 为 了 降 压 漏 斗 尽 可 能 扩 展 , 气 体的 解 吸 范 围 尽 可 能 增 大 , 需 要 控 制 生 产 压 力 让 气 井产 气 。 因 此 , 煤 层 段 的 流 动 压 力 需 要 控 制 在 排 采 设计 的 技 术 指 标 范 围 以 内 的 同 时 , 煤 层 的 排 水 工 作 必须 保 持 连 续 进 行 。 初 期 , 由 于 液 柱 中 的 气 体 较 少 ,井 底 流 压 主 要 为 液 柱 压 力 , 可 以 通 过 调 整 环 空 液 面来 控 制 流 压 ; 后 期 , 由 于 环 空 间 的 气 量 增 大 , 液 柱中 的 含 气 体 量 也 多 , 井 底 流 压 主 要 取 决 于 套 压 , 可以 通 过 调 整 套 压 来 控 制 流 压 。(4) 控 压 稳 产 阶 段 : 随 着 排 采 的 进 行 , 需 要 根据 单 井 的 生 产 能 力 确 定 合 理 的 产 能 指 标 进 行 稳 定 生产 。 这 一 阶 段 排 采 控 制 的 重 点 是 尽 可 能 维 持 排 采 作业 的 连 续 性 和 稳 定 性 , 不 追 求 峰 产 , 尽 量 控 制 井 底流 压 , 以 延 长 稳 产 时 间 , 实 现 煤 层 气 井 产 量 最 大化 。上 述 排 采 阶 段 的 划 分 及 精 细 排 采 控 制 的 优 点 在于 : 每 一 阶 段 降 压 的 幅 度 都 很 小 , 煤 层 的 渗 透 率 受到 的 影 响 也 很 小 ; 延 长 降 压 时 间 有 利 于 降 压 漏 斗 的扩 展 。 因 此 , 通 过 对 煤 层 气 井 压 力 降 和 持 续 时 间 的控 制 , 有 利 于 提 高 泄 压 面 积 、 增 加 煤 层 气 单 井 采 收率 , 获 得 持 续 时 间 更 长 的 煤 层 气 单 井 产 量 , 同 时 也缓 解 了 煤 粉 迁 移 堵 塞 现 象 , 减 轻 了 对 储 层 的 伤 害 。3   影 响 煤 层 气 井 排 采 效 果 的 主 要 因 素311   非 连 续 性 排 采 的 影 响煤 层 气 的 产 出 机 理 要 求 煤 层 气 井 的 排 采 生 产 应连 续 进 行 , 使 液 面 与 地 层 压 力 持 续 平 稳 的 下 降 。 如果 因 关 井 、 卡 泵 、 修 井 等 造 成 排 采 终 止 , 给 排 采 效果 带 来 的 影 响 表 现 在 以 下 几 个 方 面 :(1) 地 层 压 力 回 升 , 使 甲 烷 在 煤 层 中 被 重 新 吸附 , 容 易 产 生 气 锁 ; (2) 裂 隙 容 易 被 水 再 次 充 填 ,产 生 水 锁 , 阻 碍 气 流 ; (3) 如 果 因 修 井 造 成 排 采 终止 , 外 来 物 质 非 常 容 易 对 敏 感 性 储 层 造 成 伤 害 , 不仅 使 井 的 产 气 能 力 大 幅 下 降 , 而 且 会 增 加 后 期 排 采故 障 发 生 率 ; (4) 回 压 造 成 压 力 波 及 的 距 离 受 限 ,降 压 漏 斗 难 以 有 效 扩 展 ; 恢 复 排 采 后 需 要 很 长 时 间排 水 , 气 产 量 才 能 上 升 到 停 排 前 的 状 态 。312   井 底 流 压 的 影 响井 底 流 压 是 反 映 产 气 量 渗 流 压 力 特 征 的 参 数 ,煤 层 气 的 产 出 机 理 决 定 了 只 有 降 低 井 底 流 压 至 临 界解 吸 压 力 以 下 , 才 能 有 解 吸 气 体 的 产 出 。 较 低 的 井底 流 压 , 有 利 于 增 加 气 的 解 吸 速 度 和 解 吸 气 体 量 。图 1 为 我 国 第 一 口 水 平 井 井 底 流 压 与 产气 量 的 关 系 曲 线 , 由 曲 线 我 们 可 以 看 出 产 气 量 与 井底 流 压 呈 现 明 显 的 负 相 关 关 系 , 相 关 系 数 达 到 018以 上 。 图 2、 3 分 别 反 映 的 是 气 产 量 与 套 压 及 液 柱高 度 间 的 关 系 , 从 中 可 以 看 到 其 关 系 非 常 离 散 。 这说 明 由 于 套 压 和 液 柱 高 度 存 在 相 互 调 整 得 依 赖 关系 , 套 压 和 液 柱 高 度 的 任 何 一 项 参 数 均 不 是 影 响 产气 量 的 独 立 参 数 , 两 者 的 组 合 才 是 控 制 产 气 量 的 根本 。 相 对 而 言 , 井 底 流 压 的 变 化 能 更 好 地 反 映 产 气量 的 变 化 。因 此 , 制 定 合 理 的 排 采 制 度 和 进 行 精 细 的 排 采控 制 应 该 以 井 底 流 压 为 依 据 。图 1   井 底 流 压 与 产 气 量 的 关 系图 2   套 压 与 产 气 量 的 关 系图 3   液 柱 高 度 与 产 气 量 的 关 系42 中 国 煤 层 气                                         第 1 期© 1994 , 我 国 煤 储 层 压 力 系 数 一 般 较 低 , 为了 降 低 井 底 流 压 , 增 加 气 产 量 , 排 水 设 备 的 吸 液 口一 般 接 近 煤 层 , 甚 至 在 煤 层 以 下 进 行 负 压 排 采 。 但是 现 场 排 采 证 明 : 对 有 些 煤 层 , 当 井 底 流 压 降 到 一定 程 度 后 , 再 增 加 生 产 压 差 , 气 产 量 反 而 急 剧 下降 。 这 是 因 为 井 底 压 力 降 到 一 定 程 度 , 低 渗 透 率 的煤 层 无 法 将 压 力 传 递 到 煤 层 的 更 深 处 。 井 筒 附 近 煤层 压 力 过 低 , 有 效 应 力 增 加 , 引 起 煤 粉 运 移 、 堵 塞孔 隙 , 使 产 气 量 急 剧 下 降 , 影 响 气 体 的 采 收 率 。因 此 , 井 底 流 压 要 根 据 不 同 地 区 、 不 同 变 质 程度 的 煤 层 的 闭 合 压 力 特 征 及 煤 体 结 构 的 不 同 , 进 行调 控 。 对 于 低 变 质 、 闭 合 压 力 较 小 的 煤 层 应 避 免 负压 抽 排 。313   排 采 强 度 的 影 响煤 层 气 排 采 需 要 平 稳 逐 级 降 压 , 抽 排 强 度 过 大带 来 的 影 响 有 如 下 几 个 方 面 :(1) 易 引 起 煤 层 激 动 , 使 裂 隙 产 生 堵 塞 效 应 ,降 低 渗 透 率 , 特 别 是 在 快 速 降 压 的 初 期 , 对 渗 透 率的 影 响 更 大 (图 4) 。图 4   有 效 应 力 与 煤 层 气 渗 透 率 关 系 曲 线(2) 降 压 漏 斗 得 不 到 充 分 的 扩 展 , 只 有 井 筒 附近 很 小 范 围 内 的 煤 层 得 到 了 有 效 降 压 和 少 部 分 煤 层气 解 吸 出 来 , 气 井 的 供 气 源 将 受 到 了 严 重 的 限 制 。因 此 , 产 气 量 在 达 到 高 峰 后 , 由 于 气 源 的 供 应 不足 , 产 气 量 将 很 快 下 降 。(3) 对 于 常 规 压 裂 的 直 井 , 在 排 采 初 期 , 如 果在 裂 缝 尚 未 完 全 闭 合 时 , 排 采 强 度 过 大 , 导 致 井 底压 差 过 大 引 起 支 撑 砂 子 的 流 动 , 使 压 裂 砂 返 吐 , 影响 压 裂 效 果 。(4) 煤 粉 、 颗 粒 的 产 出 也 可 能 堵 塞 孔 眼 , 同 时出 砂 、 煤 屑 及 其 它 磨 蚀 性 颗 粒 也 会 影 响 泵 效 , 并 对泵 造 成 频 繁 的 故 障 , 使 作 业 次 数 和 费 用 增 加 。我 国 大 多 数 煤 层 属 于 低 含 水 煤 层 , 因 此 抽 排 速度 一 定 要 按 照 煤 层 的 产 水 潜 能 , 进 行 合 理 排 液 。5   结 论(1) 排 采 工 艺 在 某 种 程 度 上 已 经 成 为 制 约 我 国煤 层 气 产 业 发 展 的 瓶 颈 , 重 视 和 加 强 煤 层 气 排 采 工艺 的 研 究 , 具 有 重 要 的 理 论 意 义 和 现 实 意 义 。(2) 有 杆 泵 、 螺 杆 泵 和 电 潜 泵 是 国 内 目 前 进 行煤 层 气 井 排 采 的 主 要 方 法 , 各 有 优 缺 点 , 相 比 较 而言 : 有 杆 泵 适 应 性 强 , 操 作 简 单 , 且 有 多 种 型 号 和泵 径 可 选 。 螺 杆 泵 由 于 节 缺 了 传 动 系 统 , 成 本 降低 , 维 护 费 用 较 低 , 占 地 少 , 但 螺 杆 泵 在 抽 空 的 情况 下 容 易 烧 泵 , 必 须 控 制 沉 没 度 在 50m 以 上 , 而且 如 果 出 现 严 重 磨 损 , 必 须 更 换 全 套 井 下 装 置 。 电潜 泵 相 对 排 量 较 大 , 但 工 作 条 件 比 较 苛 刻 , 如 水 中煤 粉 含 量 不 能 大 于 0102 % , 气 液 体 积 比 不 能 大 于0105 %等 , 成 本 也 高 。(3) 煤 层 气 排 采 工 艺 技 术 主 要 是 制 定 合 理 的 排采 制 度 和 进 行 精 细 的 排 采 控 制 。 定 压 排 采 制 度 适 用于 排 采 初 期 的 排 水 降 压 阶 段 ; 定 产 排 采 制 度 适 宜 于稳 产 阶 段 。 精 细 排 采 控 制 的 核 心 是 实 现 分 级 平 稳 连续 降 压 , 其 优 点 是 : 储 层 伤 害 小 、 降 压 漏 斗 扩 展大 、 泄 压 面 积 提 高 、 单 井 采 收 率 增 加 。(4) 非 连 续 性 排 采 、 排 采 强 度 过 大 及 井 底 流 压降 低 过 快 等 因 素 是 影 响 煤 层 气 井 排 采 效 果 的 主 要 工程 因 素 , 应 合 理 控 制 。 井 底 流 压 充 分 反 映 了 产 气 量的 渗 流 压 力 特 征 , 是 制 定 合 理 排 采 制 度 和 进 行 精 细化 排 采 控 制 的 基 础 。参   考   文   献[1 ]   钱 凯 , 赵 庆 波 , 王 泽 成 等 1 煤 层 气 甲 烷 气 勘 探 开 发理 论 与 实 验 测 试 技 术 [ M] 1 北 京 : 石 油 工 业 出 版社 , 1997 : 70 - 711[2 ]   赵 群 , 王 洪 岩 , 李 景 明 等 1 快 速 排 采 对 低 渗 透 煤 层气 井 产 能 伤 害 的 机 理 研 究 [J ] , 山 东 科 技 大 学 学 报(自 然 科 学 版 ) , 2008 , 27 (3) : 27 - 311[3 ]   康 永 尚 , 邓 泽 , 刘 洪 林 1 我 国 煤 层 气 井 排 采 工 作 制度 探 讨 [J ] 1 天 然 气 地 球 科 学 , 2008 , 19 (3) : 423- 4261[4 ]   杨 秀 春 , 李 明 宅 . 煤 层 气 排 采 动 态 参 数 及 其 相 互 关系 [J ]. 煤 田 地 质 与 勘 探 , 2008 , 36 (2) : 19 - 231[5 ]   姚 艳 芳 , 李 新 春 , 姚 小 勤 1 煤 层 气 井 排 采 试 气 技 术[J ] 1 油 气 井 测 试 , 2001 , 10 (4) : 70 - 721(责 任 编 辑   桑 逢 云 )52第 1 期                                   煤 层 气 井 排 采 技 术 分 析
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