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煤层气井排采试气技术

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煤层 气井 排采试气 技术
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煤 层 气 井 排 采 试 气 技 术姚 艳 芳 X 李 新 春   姚 小 勤(中 原 油 田 井 下 特 种 作 业 处 )摘 要   我 国 的 煤 层 气 资 源 十 分 丰 富 ,但 煤 层 的 地 质 条 件 复 杂 ,类 型 多 样 ,明 显 不 同 于 国 外 某 些 煤层 气 资 源 开 发 较 为 成 功 的 国 家 和 地 区 。 根 据 煤 层 特 性 及 煤 层 气 赋 存 特 点 、 产 出 机 理 ,对 煤 层 气 排 采设 计 和 设 备 选 择 作 了 论 述 。 通 过 实 际 排 采 曲 线 分 析 ,在 总 结 十 多 口 井 排 采 经 验 的 基 础 上 ,指 出 了 影响 排 采 效 果 的 一 些 施 工 因 素 及 其 影 响 机 理 。主 题 词   煤 成 气   排 水 采 气   工 程 设 计煤 层 气 为 自 生 自 储 型 非 常 规 天 然 气 ,主 要 以 吸附 状 态 存 在 于 煤 层 中 。 我 国 大 部 分 煤 层 属 于 欠 饱 和煤 层 气 藏 ,如 沁 水 煤 气 田 含 气 饱 和 度 为 84 %~95 % ,屯 留 煤 气 田 为 26 %~ 27 % ,吴 堡 煤 气 田 为69 %~ 85 % ,鄂 尔 多 斯 盆 地 东 部 煤 气 田 为 80 %。 煤层 气 的 产 出 可 分 为 三 个 过 程 :排 采 初 期 煤 层 主 要 产水 ,同 时 也 可 能 伴 随 有 少 量 游 离 气 、 溶 解 气 产 出 ;当煤 层 降 至 临 界 解 吸 压 力 以 下 时 ,煤 层 甲 烷 分 子 迅 速解 吸 ,然 后 扩 散 到 裂 隙 中 ,使 气 的 相 对 渗 透 率 增 加 ,水 的 相 对 渗 透 率 减 小 ,表 现 为 气 产 量 逐 渐 增 大 ,水 产量 逐 渐 减 小 ;随 着 采 出 水 量 的 增 加 、 生 产 压 差 的 进 一步 增 大 ,煤 层 中 含 水 饱 和 度 相 对 降 低 ,变 为 以 产 气 为主 ,并 逐 渐 达 到 产 气 高 峰 ,水 产 量 则 相 对 稳 定 在 一 个较 低 的 水 平 上 。 随 着 地 层 能 量 的 衰 竭 ,最 后 进 入 气产 量 缓 慢 下 降 阶 段 ,该 阶 段 与 常 规 裂 缝 性 气 藏 流 动相 似 。排 采 试 气 设 计 原 则1. 排 采 试 气 方 法目 前 ,我 国 煤 层 气 井 一 般 采 用 油 管 排 水 ,套 管 采气 的 方 法 试 气 。2. 排 采 试 气 原 则① 根 据 压 裂 裂 缝 闭 合 情 况 确 定 开 井 排 液 时 间 ,并 控 制 排 液 速 度 。 ② 降 低 煤 层 压 力 到 解 吸 压 力 以下 ,同 时 也 要 使 液 柱 对 煤 层 造 成 一 定 的 回 压 。 ③ 排采 试 气 要 连 续 进 行 并 持 续 一 定 时 间 。3. 确 定 煤 层 排 采 工 作 制 度 的 原 则煤 层 排 采 必 须 适 应 煤 储 层 的 特 点 ,符 合 煤 层 气的 产 出 规 律 。 煤 层 气 排 采 试 气 工 程 应 结 合 不 同 的 煤岩 特 性 和 室 内 研 究 工 作 ,在 排 采 之 前 进 行 储 层 产 能模 拟 ,对 气 水 产 量 、 产 出 规 律 进 行 预 测 ,确 定 合 理 的试 采 设 备 ,控 制 动 态 参 数 及 试 采 周 期 ,以 便 正 确 评 价煤 层 产 气 状 况 。 通 常 采 用 以 下 三 种 工 作 制 度 : ① 定产 量 制 度 :在 煤 层 排 采 试 气 的 各 个 阶 段 ,根 据 地 层 产能 和 供 液 能 力 ,控 制 水 、 气 产 量 ,以 保 障 流 体 的 合 理流 动 。 ② 定 井 口 压 力 制 度 :在 产 气 阶 段 ,为 保 障 气 体的 平 稳 产 出 ,对 井 口 压 力 进 行 控 制 。 ③ 定 井 底 流 压制 度 :在 排 采 的 不 同 阶 段 ,通 过 控 制 液 位 高 度 、 井 口压 力 ,使 地 层 流 体 在 合 理 的 压 差 下 产 出 ,以 维 持 不 间断 排 采 ,有 利 于 提 高 采 收 率 。排 采 设 备煤 层 气 井 产 量 变 化 大 ,所 选 用 的 设 备 和 方 法 应兼 顾 前 后 期 的 变 化 :既 要 尽 可 能 保 证 在 短 的 时 间 内将 储 层 压 力 降 到 解 吸 压 力 以 下 ,使 煤 层 尽 早 产 气 ;也要 保 证 均 衡 降 压 ,防 止 煤 层 颗 粒 的 运 移 。1. 抽 油 机 的 选 择根 据 煤 层 的 最 大 产 水 量 、 泵 深 和 抽 油 杆 组 合 等因 素 ,选 择 抽 油 机 型 号 。 在 现 场 常 选 用 游 梁 式 抽 油机 与 电 磁 调 频 电 机 配 合 作 用 ,实 现 抽 油 机 的 无 级 调节 ,保 证 液 面 平 稳 下 降 ,使 排 采 工 作 顺 利 进 行 。2001 年 8 月 油   气   井   测   试 第 10 卷   第 4 期X 姚 艳 芳 ,女 ,工 程 师 ,1990 年 毕 业 于 西 南 石 油 学 院 地 质 专 业 ,现 从 事 试 油 测 试 及 煤 层 气 工 程 技 术 研 究 工 作 。 地 址 :河 南 省 濮 阳 市 柳 屯 中 原油 田 井 下 特 种 作 业 处 地 质 研 究 所 ,邮 政 编 码 :457164。2. 深 井 泵 的 选 择根 据 煤 层 气 井 的 产 液 能 力 ,选 择 适 当 的 抽 油 泵 。由 于 泵 是 在 气 、 水 两 相 流 体 中 工 作 ,通 常 影 响 泵 工 作的 主 要 因 素 有 腐 蚀 、 液 击 、 气 锁 、 砂 卡 、 结 垢 等 。 在 下泵 前 应 认 真 设 计 泵 的 下 深 ,优 化 泵 的 工 作 参 数 ,采 取必 要 的 预 防 措 施 。 管 式 泵 以 其 结 构 简 单 、 成 本 低 、 排量 调 节 范 围 大 的 特 点 ,在 现 场 得 到 广 泛 的 应 用 。 目前 常 采 用 的 泵 挂 结 构 (自 下 而 上 ) 为 :丝 堵 + 沉 砂 管+ 气 锚 + 管 式 泵 + 生 产 油 管 + 井 口 悬 挂 装 置 。3. 地 面 流 程 的 设 计煤 层 气 井 的 地 面 流 程 应 包 括 气 和 水 的 收 集 、 计量 设 备 及 分 离 器 等 设 备 。 由 于 煤 层 饱 含 水 ,压 力 系数 低 ,在 设 计 时 应 考 虑 以 下 几 种 因 素 :分 离 器 应 尽 可能 在 低 压 力 下 工 作 ,以 降 低 井 口 回 压 。 在 水 流 管 线中 常 会 遇 到 固 体 物 质 (如 煤 粉 、 砂 粒 和 岩 屑 ) ,引 起 流量 计 出 现 明 显 的 误 差 和 损 坏 。 气 体 也 可 能 会 阻 碍 水的 流 动 ,造 成 计 量 的 不 准 确 。 气 体 流 动 管 线 中 的 甲烷 气 体 也 可 能 含 有 水 分 或 携 带 固 体 物 质 ,它 们 在 管线 中 长 期 聚 集 或 流 动 会 影 响 流 量 计 的 精 度 ,甚 至 损坏 设 备 。4. 液 面 监 测 设 备由 于 煤 层 压 力 系 数 低 ,解 吸 压 力 也 低 ,准 确 监 测动 液 面 的 深 度 对 排 采 的 诊 断 与 决 策 是 非 常 重 要 的 。现 场 常 选 择 易 操 作 、 精 度 高 的 液 面 监 测 仪 (如 仪 等 ) 。此 外 ,排 采 中 还 应 根 据 实 际 需 要 选 择 油 管 、 抽 油杆 、 动 力 设 备 等 其 它 相 关 设 备 。排 采 曲 线 分 析某 煤 层 埋 深 521. 6~ 527. 4 m ,厚 度 5. 8 m ,主 要为 焦 煤 ,镜 质 体 反 射 率 3. 74 , 地 层 压 力 5. 25地 层 温 度 31 ℃ ,岩 心 实 测 含 气 量 28. 66 t ,含气 饱 和 度 93 % ,临 界 解 吸 压 力 4. 4 压 前 测 地层 渗 透 率 0. 53 × 10 - 3μ 压 后 测 地 层 渗 透 率 14. 97× 10 - 3μ 表 皮 系 数 - 6. 08。 该 井 累 计 排 采 63 d ,排 采 稳 定 产 量 2700 d ,最 高 气 产 量 4050 d ,共排 出 液 体 899. 6 其 中 含 入 井 液 653. 5 地 层 出水 246. 1 其 排 采 曲 线 如 图 1 所 示 。从 图 中 可 看 出 ,排 采 初 期 ,排 出 的 主 要 是 水 ,气量 极 小 ,但 水 产 量 下 降 较 快 。 主 要 因 为 煤 层 的 渗 透率 低 ,地 层 水 流 入 裂 缝 系 统 的 速 度 小 ,随 着 抽 排 的 进行 ,水 产 量 呈 稳 定 下 降 、 气 产 量 呈 稳 定 上 升 趋 势 。 当井 底 流 压 达 到 2. 8 ,气 产 量 急 剧 上 升 ,而 水 产量 对 压 差 的 敏 感 性 不 大 。 继 续 降 压 ,当 井 底 流 压 达到 1. 6 ,出 现 产 气 高 峰 ,并 有 一 段 相 对 稳 定 时间 。 再 继 续 降 压 ,气 产 量 则 急 剧 下 降 ,因 此 在 图 中 出现 了 明 显 的 拐 点 。 该 试 采 曲 线 基 本 上 符 合 煤 层 气 产气 规 律 ,但 产 气 高 峰 期 较 短 ,说 明 排 采 未 能 使 地 层 整体 降 压 ,降 压 波 及 范 围 小 ,解 吸 扩 散 在 很 小 的 区 域 内进 行 ,高 峰 过 后 气 产 量 下 降 快 ,并 且 出 现 了 明 显 的 拐点 ,说 明 当 煤 层 压 力 达 到 一 定 值 后 ,煤 层 的 原 始 结 构发 生 了 变 化 ,导 致 煤 层 渗 透 性 降 低 。影 响 排 采 效 果 的 施 工 因 素1. 排 采 连 续 性 对 产 气 量 的 影 响煤 层 气 井 的 抽 排 应 连 续 进 行 ,使 液 面 与 地 层 压力 持 续 稳 定 下 降 ,防 止 地 层 压 力 回 升 ,使 甲 烷 在 煤 层中 再 吸 附 。 另 外 长 期 关 井 ,裂 隙 容 易 再 次 被 水 充 填 ,阻 碍 气 流 。 如 图 2 所 示 , 1994 年 9 月 进 行 压 裂改 造 ,压 后 进 行 抽 排 ,随 着 排 水 的 进 行 ,产 气 量 逐 步上 升 ,12 月 18 日 产 气 量 达 到 6160 d ,由 于 泵 的 故障 ,排 水 量 由 26 d 降 至 1. 6 d ,产 气 量 也 急 剧下 降 ,后 泵 坏 ,停 抽 2 个 月 后 继 续 排 采 ,两 个 月 后 才重 新 见 气 。17第 10 卷   第 4 期 姚 艳 芳 等 :煤 层 气 井 排 采 试 气 技 术2. 排 采 强 度 对 支 撑 裂 缝 的 影 响由 于 煤 层 的 低 渗 透 特 性 ,一 般 首 先 要 经 过 压 裂改 造 ,形 成 一 条 气 水 容 易 流 通 的 通 道 ,压 后 裂 缝 的 有效 支 撑 ,对 煤 层 气 产 出 具 有 重 要 作 用 。 在 裂 缝 尚 未完 全 闭 合 时 ,井 底 压 差 过 大 会 引 起 砂 子 的 流 动 ,影 响压 裂 效 果 。 如 于 1997 年 1 月 21 日 进 行 压 裂改 造 ,压 后 进 行 抽 排 ,由 于 抽 排 强 度 过 大 ,一 星 期 后 ,煤 层 严 重 出 砂 。 因 此 在 压 裂 初 期 ,尤 其 要 严 格 控 制抽 排 强 度 ,防 止 压 裂 砂 反 吐 。3. 抽 排 强 度 对 排 采 效 果 的 影 响由 于 煤 质 较 脆 ,易 碎 、 易 坍 塌 ,煤 粉 及 煤 层 其 它颗 粒 易 产 生 运 移 等 特 点 ,若 抽 排 强 度 过 大 易 引 起 煤层 激 动 ,使 裂 隙 产 生 堵 塞 效 应 ,降 低 渗 透 率 ,妨 碍 煤层 整 体 降 压 ,影 响 煤 层 的 开 采 效 果 。 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 。4. 生 产 压 差 对 煤 层 渗 透 率 的 影 响由 于 煤 层 的 特 点 ,过 高 或 过 低 的 压 力 干 扰 ,都 会对 煤 层 造 成 损 害 。 煤 层 的 上 覆 岩 层 压 力 、 构 造 应 力在 漫 长 的 地 质 作 用 中 有 “ 压 实 ” 煤 层 使 裂 缝 闭 合 的 趋势 ,抵 抗 这 种 闭 合 作 用 的 有 裂 缝 接 触 点 (或 面 ) 上 的裂 缝 支 撑 应 力 和 孔 隙 流 体 压 力 。 随 着 流 体 的 产 出 ,孔 隙 压 力 降 低 ,裂 缝 支 撑 点 压 力 增 加 ,支 撑 处 煤 岩 被压 缩 ,裂 缝 宽 度 减 小 ,渗 透 率 降 低 。 如 果 裂 缝 支 撑 应力 达 到 地 层 临 界 闭 合 应 力 ,则 裂 缝 会 闭 合 。 由 于 煤层 甲 烷 气 解 吸 、 扩 散 过 程 导 致 了 煤 层 气 渗 流 的 滞 后性 ,气 体 无 法 及 时 排 出 ,基 质 收 缩 率 变 小 。 从 而 使 渗透 率 变 小 ,导 致 采 气 量 下 降 ,影 响 煤 层 的 降 压 效 果 。5. 井 底 流 压 对 煤 层 气 产 量 的 影 响较 低 的 井 底 流 压 ,使 煤 的 表 面 压 力 下 降 快 ,有 利于 增 加 气 的 解 吸 速 度 和 解 吸 气 体 量 。 由 于 我 国 煤 储层 压 力 系 数 一 般 较 低 (通 常 小 于 1) ,地 解 比 也 相 对较 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 ,如 图 3 所 示 。 分 析 认 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 局部 煤 层 的 渗 透 能 力 下 降 ,使 产 气 高 峰 期 缩 短 ,影 响 气体 的 采 收 率 ;而 水 产 量 较 小 ,受 影 响 不 大 。因 此 ,井 底 流 压 要 根 据 煤 层 的 具 体 情 况 进 行 控制 。结 论 和 认 采 过 程 中 ,应 根 据 水 文 地 质 条 件 和 不 同阶 段 的 产 水 量 ,优 选 抽 排 参 数 (泵 径 、 冲 程 、 冲 次 ) 以控 制 抽 排 速 度 。 排 采 强 度 过 大 ,会 引 起 煤 层 颗 粒 的运 移 ,导 致 渗 透 率 下 降 且 损 害 设 备 ,特 别 是 对 含 水 性差 的 煤 层 ,应 严 格 控 制 抽 排 速 度 。 强 度 过 小 ,使 排 采周 期 过 长 。 择 排 采 设 备 时 ,应 满 足 不 同 阶 段 的 排 采要 求 ,保 证 排 采 工 作 连 续 顺 利 进 行 ,有 利 于 地 层 整 体均 衡 降 压 ,提 高 采 收 率 。 长 煤 层 的 采 气 高 峰 期 ,井 底 流 压 不 能 降得 过 低 、 过 快 ,要 维 持 一 定 的 井 底 回 压 ;更 不 能 盲 目地 进 行 负 压 排 采 ,以 防 止 产 气 量 的 急 剧 下 降 。 流 压 降 到 临 界 解 吸 压 力 以 下 时 ,要 随 时监 测 液 面 高 度 ,及 时 调 整 抽 排 速 度 ,严 格 控 制 生 产 压差 ,以 扩 大 解 吸 半 径 ,延 长 产 气 高 峰 期 。参   考   文   献1. 赵 庆 波 等 :煤 层 气 地 质 与 勘 探 技 术 ,石 油 工 业 出 版 社 (北京 ) ,1999. 3。2. 罗 平 亚 等 :低 压 低 渗 透 气 饱 和 煤 层 的 压 力 敏 感 性 及 解 吸渗 流 机 理 ,中 国 煤 层 气 ,1992 (2) 。3. 秦 勇 等 :煤 层 甲 烷 储 层 评 价 及 生 产 技 术 ,中 国 矿 业 大 学 出版 社 ,1996. 4。4. 张 仕 和 等 :煤 层 气 排 采 工 艺 ,煤 层 气 ,1996 (2) 。本 文 收 稿 日 期 :2000 - 07 - 04   编 辑 :刘 振 庆27 油   气   井   测   试 2001 年 8 月· 2001( 4) 10 :61~ 64 he of in of of of or of It of by of of of of of an in in 00 up to a a 2001( 4) 10 :65~ 67 o is by is in is a up to in a a of of of of in of of of a a of 2001( 4) 10 :68~ 69 is a in on as in 2001( 4) 10 :70~ 72 to as of of By 0we   气   井   测   试 2001 年 8 月
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