煤層氣井兩相流多參數(shù)探測技術(shù)

李 瑞,烏效鳴,李 炯,王生維,3,吳 川,梅永貴,張 峰

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院,湖北武漢 430074;2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院,湖北武漢 430074;3.國家能源煤與煤層氣共采技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西晉城 048204;4.華北油田山西煤層氣分公司,山西晉城 048000)

煤層氣井兩相流多參數(shù)探測技術(shù)

李 瑞1,烏效鳴2,李 炯2,王生維1,3,吳 川2,梅永貴4,張 峰2

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院,湖北武漢 430074;2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院,湖北武漢 430074;3.國家能源煤與煤層氣共采技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西晉城 048204;4.華北油田山西煤層氣分公司,山西晉城 048000)

為充分認(rèn)識(shí)煤層氣排采過程中井筒氣水兩相流參數(shù)變化特征及流動(dòng)規(guī)律,研制了煤層氣井流體參數(shù)監(jiān)測儀。該監(jiān)測儀可對(duì)煤層氣垂直井下油套環(huán)形空間氣水兩相流體壓力、溫度、液位、流速、密度分布以及氣泡形態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,為預(yù)測井下流體參數(shù)變化特征,研究氣藏及井筒氣水兩相流動(dòng)規(guī)律提供實(shí)測值。從監(jiān)測儀的原理與結(jié)構(gòu)出發(fā),建立了井筒兩相流關(guān)鍵參數(shù)(密度分布、氣泡形態(tài)、流速)的探測方法。基于此,煤層氣井流體參數(shù)監(jiān)測儀在煤層氣/頁巖氣排采,智能調(diào)控排采工況方面具有應(yīng)用前景。

煤層氣垂直井;氣水兩相流;油套環(huán)空;流速;密度分布

煤層氣成藏地質(zhì)條件決定了煤層氣井生產(chǎn)需要排水降壓,在此過程中,地下水與煤層氣是共同從井筒產(chǎn)出的。對(duì)于煤層氣垂直井而言,正是通過監(jiān)測并調(diào)控井筒油套環(huán)形空間內(nèi)的氣水兩相流工況參數(shù)來實(shí)現(xiàn)煤層氣排采管理的。井筒氣水兩相流探測與流動(dòng)規(guī)律研究是煤層氣井排采的關(guān)鍵科學(xué)難題[1-3]。

常規(guī)油氣井下兩相流問題,國內(nèi)外開展了較多相關(guān)理論研究,但常規(guī)油氣儲(chǔ)層與煤層氣藏地質(zhì)條件及開采方式的巨大差異使得煤層氣井氣水兩相流的研究不適宜使用常規(guī)油氣井研究的方法[4-8]。盡管國內(nèi)關(guān)于煤層氣井氣水兩相流體參數(shù)預(yù)測理論研究開展了少量研究[9-11],但理論預(yù)測誤差較大,計(jì)算冗雜,不適宜應(yīng)用于煤層氣井生產(chǎn)。監(jiān)測硬件方面,國外煤層氣定量化排采與自動(dòng)調(diào)控設(shè)備和軟件價(jià)格昂貴,且國外的技術(shù)也不完全適合國內(nèi)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的排采生產(chǎn)[12-14]。而當(dāng)前國內(nèi)對(duì)煤層氣井下流體的監(jiān)測也僅限于溫度、液位以及井底壓力,智能化控制抽采系統(tǒng)也還未付出實(shí)踐[15-17]。

可見,受技術(shù)發(fā)展及我國煤層氣勘探開發(fā)程度所限,井筒氣水兩相流探測與流動(dòng)規(guī)律問題還沒有得到有效解決,尤其是對(duì)井筒兩相流體形態(tài)、密度分布以及井下各產(chǎn)氣層流量的探測,國內(nèi)鮮有報(bào)道,不能滿足我國煤層氣資源大規(guī)?？碧介_發(fā)的需求。

中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)自主研發(fā)的煤層氣井流體參數(shù)監(jiān)測儀目的在于對(duì)煤層氣垂直井下油套環(huán)形空間氣液兩相流體壓力、溫度、液位、流速、密度分布以及氣泡形態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,為制定或調(diào)整煤層氣井排采工作制度提供實(shí)際資料。該裝置主要優(yōu)勢與功能為:

(1)提供煤層氣垂直井油套環(huán)空流體壓力、溫度、液位、流速、密度分布以及氣泡形態(tài);

(2)為研究氣藏及井筒氣水兩相流動(dòng)規(guī)律,預(yù)測井下流體參數(shù)特征提供實(shí)測值。

筆者介紹了監(jiān)測儀的原理、結(jié)構(gòu)以及井筒兩相流關(guān)鍵參數(shù)(密度分布、氣泡形態(tài)、流速)的探測方法,并提出了監(jiān)測儀的應(yīng)用前景。

1 煤層氣垂直井下工程地質(zhì)環(huán)境條件

與常規(guī)油氣藏不同,煤層氣絕大部分以吸附狀態(tài)存在于煤儲(chǔ)層中,生產(chǎn)上需要通過排水降壓,才能將其采出。我國目前主要采用有桿泵、螺桿泵和電潛泵3種人工舉升方式來進(jìn)行油管排水、油套環(huán)空采氣[18]。煤層氣的產(chǎn)出大致經(jīng)歷3個(gè)階段,依次是單相水流動(dòng)、氣水兩相流動(dòng)和單相氣體流動(dòng)[19-20]。煤層氣井投產(chǎn)后,初期只產(chǎn)水,當(dāng)煤儲(chǔ)層壓力下降至臨界解吸壓力以后,吸附態(tài)的煤層氣不斷從煤基質(zhì)表面解吸出來,解吸氣在濃度及壓差作用下逐漸匯聚并沿孔—微裂隙運(yùn)移至割理系統(tǒng),而后經(jīng)由大裂隙系統(tǒng)滲流至鉆井井筒,在井筒油套環(huán)空形成氣水兩相流。氣水兩相流動(dòng)階段煤層氣藏物性變化十分敏感,它決定著整個(gè)煤層氣井的經(jīng)濟(jì)效益,是整個(gè)開采過程的關(guān)鍵產(chǎn)氣期。

氣體在井筒垂直上升時(shí),流體形態(tài)在垂向上不斷變化。煤層氣井筒環(huán)空內(nèi)上部為純氣段、下部為氣水兩相段,其中氣水兩相段又主要包括氣泡段和普通液體段[9,21]。當(dāng)前業(yè)界普遍采用的氮?dú)鉁y動(dòng)液面出現(xiàn)較大誤差正是由于高含氣泡沫段的存在。隨著環(huán)空內(nèi)液位及含氣率的變化,普通液體段則可能存在多種流體型態(tài)。煤層氣藏氣水兩相流動(dòng)反映了煤儲(chǔ)層壓力變化及導(dǎo)流裂縫可流動(dòng)性。

2 煤層氣井流體參數(shù)監(jiān)測儀原理與結(jié)構(gòu)

2.1 監(jiān)測儀工作流程

煤層氣井流體參數(shù)監(jiān)測儀在井下安裝探測短接及各類型傳感器,通過電纜為井下探測短接供電并傳輸探測信號(hào)。井下流體壓力、溫度、流體沖擊及氣泡振動(dòng)情況經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸電纜傳輸?shù)降孛?地面工控機(jī)通過Lab VIEW編寫的軟件將采集到的數(shù)據(jù)波形實(shí)時(shí)的進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)及回放。

監(jiān)測儀安裝的探測傳感器包括壓力傳感器、溫度傳感器、靶式應(yīng)變計(jì)和氣泡傳感器,各類型傳感器配合實(shí)現(xiàn)對(duì)油套環(huán)空氣水兩相流實(shí)時(shí)監(jiān)測的工作流程如圖1所示。

圖1 監(jiān)測儀工作流程Fig.1 Workflow of fluid parameters detector

2.2 監(jiān)測儀結(jié)構(gòu)組成

監(jiān)測儀按組成可分為井下探測部分、信號(hào)傳輸部分及地面工控部分。

2.2.1 井下探測部分

井下探測部分位于井下油套環(huán)空中,上、下與油管相接,上面安裝了煤層氣井流體多參數(shù)探測的各類型傳感器及數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)化電路,為防止元器件被套管擠壓,短接上還設(shè)計(jì)了扶正器。井下探測部分是監(jiān)測儀的核心部分。由于流體壓力、流速、密度及流體型態(tài)等參數(shù)會(huì)在環(huán)空內(nèi)氣水兩相流垂向上發(fā)生變化,因此短接數(shù)量及其與傳感器類型的匹配可依據(jù)具體的煤層氣井工程地質(zhì)環(huán)境條件自行設(shè)計(jì)。井下短接結(jié)構(gòu)及實(shí)物如圖2所示。

圖2 監(jiān)測儀井下短接結(jié)構(gòu)及實(shí)物Fig.2 Structure and actual object of underground measurement joint

2.2.2 信號(hào)傳輸部分

監(jiān)測儀采用多芯鎧裝電纜既對(duì)井下探測短接進(jìn)行供電,又同時(shí)將探測信號(hào)從井下傳輸至地面。電纜是連接井下探測部分與地面部分的橋梁。

2.2.3 地面工控部分

監(jiān)測儀地面部分是由轉(zhuǎn)換接口和單片機(jī)控制的數(shù)字化儀表組成,具有記錄、計(jì)算、顯示、存儲(chǔ)等功能。根據(jù)人工設(shè)定的流體參數(shù)范圍,地面人員可及時(shí)調(diào)控煤層氣井抽油機(jī)、抽油泵等排采設(shè)備工況,從而將井底壓力、氣水流量、液位等流體參數(shù)控制在合理范圍,有助于實(shí)現(xiàn)煤層氣井的科學(xué)調(diào)控。

3 井筒氣水兩相流體關(guān)鍵參數(shù)的探測

對(duì)于井筒流體壓力、溫度的探測,利用壓力傳感器與溫度傳感器即可測定,國內(nèi)這方面技術(shù)已經(jīng)較為成熟,此處不再贅述。本監(jiān)測儀探測的關(guān)鍵流體參數(shù)為密度分布、氣泡形態(tài)以及流速。

3.1 流體密度分布與液位

在煤層氣井筒兩相流垂

向上間隔一定距離布置3個(gè)壓力傳感器,通過對(duì)這3個(gè)壓力傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析可以得出任意深度處流體的密度及井筒動(dòng)液位。

隨著兩相流在垂向上含氣率的變化,流體密度也逐漸變化。因此,不妨假設(shè)流體密度在兩相流垂向上呈線性關(guān)系,即流體密度與深度之間的關(guān)系為

式中,ρ為流體密度,g/cm3;ρ0為待定常數(shù),物理意義為液面處的流體密度;k為待定常數(shù);H為壓力傳感器到液面的距離,m。

井筒流體壓力為井口套壓、純氣柱壓力以及氣水兩相段壓力三者之和[9],即

式中,p為井筒流體壓力,MPa;pt為套壓,MPa;pg為純氣柱壓力,MPa;pm為氣水兩相段壓力,MPa。

則井筒中距離液面H處的流體壓力為

設(shè)最頂端壓力傳感器到液面的距離為H1,且3個(gè)壓力傳感器間距分別為h1,h2(圖3)。則這3個(gè)壓力傳感器處的流體壓力可分別表示為

圖3 流體密度分布與液位探測示意Fig.3 Detection diagrammatic sketch of density distribution and fluid level

由此可知,在pt,pg,h1,h2已知的情況下,只要通過壓力傳感器分別測得所在位置的流體壓力p1,p2, p3,聯(lián)立式(4)～(6),利用數(shù)值分析方法,便可求得壓力傳感器到液面的距離H1與待定常數(shù)ρ0,k。

將ρ0,k代入式(1)可得出氣水兩相流垂向上的密度變化。由于壓力傳感器到地面的深度L已知,那么井筒液位則可表示為

式中,LF為液位,m。

3.2 氣泡形態(tài)

監(jiān)測儀采用氣泡傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測井底兩相流中氣泡運(yùn)動(dòng)形態(tài)與特征。將氣泡傳感器安裝在儀器短接表面,流體上涌時(shí),氣泡連續(xù)撞擊氣泡傳感器后產(chǎn)生振動(dòng),其振動(dòng)幅度、頻率與氣泡含量、大小具有一定的正相關(guān)性,而氣泡傳感器的振動(dòng)情況又可通過其輸出的電壓信號(hào)處理后得到。振動(dòng)信號(hào)通過電位計(jì)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)以后由電纜傳輸?shù)降孛婀た貦C(jī)。圖4[22]為兩相流中兩種不同氣體流量條件下氣泡傳感器分別測得的100個(gè)電壓值。經(jīng)計(jì)算,較小排氣量氣泡沖擊氣泡傳感器得到100個(gè)電壓信號(hào)值,其方差為0.013,而較大排氣量氣泡沖擊氣泡傳感器得到100個(gè)電壓信號(hào)值,其方差為0.080。其波形對(duì)比較為明顯。

圖4 氣泡振動(dòng)波形[22]Fig.4 Vibration waveform of bubbles[22]

盡管氣泡傳感器的振動(dòng)情況反映了井筒氣泡含量、大小的變化,但并不意味著氣泡傳感器可以直接測定兩相流氣泡含量、大小等參數(shù)值,且不同的氣泡傳感器電信號(hào)輸出也不完全一致。因此,現(xiàn)場應(yīng)用前,需在實(shí)驗(yàn)室組裝氣水兩相流發(fā)生裝置,對(duì)不同氣含率、不同氣泡大小的流體進(jìn)行設(shè)定與標(biāo)定,找出氣泡傳感器輸出電信號(hào)與氣含率及大小的對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系。

若在煤層氣井筒垂向上安裝多套監(jiān)測儀短接,便可獲知兩相流氣泡在垂向上的分布情況。這對(duì)于研究煤層氣井筒流型與氣含率具有重要意義。

3.3 流 速

在監(jiān)測儀短接表面垂直流體運(yùn)動(dòng)方向安裝靶式應(yīng)變計(jì),當(dāng)流體經(jīng)過靶式應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變片時(shí),應(yīng)變片受到流體的作用力可分為3部分:① 流體對(duì)應(yīng)變片的沖擊力,即流體動(dòng)壓力;②應(yīng)變片對(duì)流體的節(jié)流作用,在應(yīng)變片上下產(chǎn)生靜壓差;③流體對(duì)應(yīng)變片的黏滯摩擦力[23]。流體作用于應(yīng)變片上的力主要決定于前兩項(xiàng),作用力可表示成如下形式:

式中,F為流體作用在應(yīng)變片上的力,N;K為應(yīng)變片的阻力系數(shù),可由實(shí)驗(yàn)確定;A0為應(yīng)變片迎流面積, cm2;v為流體平均流速,m/s。

由式(8)不難得出,流體平均流速為

由此可知,在被測流體的密度,應(yīng)變片迎流面積已知的情況下,只要測出應(yīng)變片受到的作用力,便可求出流體的流速。

應(yīng)變片受力產(chǎn)生機(jī)械形變后電阻值發(fā)生變化,應(yīng)變片的電阻變化與應(yīng)變成正比例關(guān)系,即

式中,R為應(yīng)變片原電阻值,Ω;ΔR為變形所引起的電阻變化,Ω;K′為比例常數(shù)(與應(yīng)變片材料性質(zhì)有關(guān));ε為應(yīng)變。

在應(yīng)變片彈性變形范圍內(nèi),受力與其應(yīng)變?yōu)榫€性關(guān)系。應(yīng)變片受力與電阻值變化關(guān)系由實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行標(biāo)定。

井筒流體流速?zèng)Q定于流體壓力、流體型態(tài)及產(chǎn)氣量,在流體型態(tài)及流體壓力已知的情況下,監(jiān)測的流體流速可用于測算井筒氣水各相流量。這方面工作還有待進(jìn)一步探索。

4 應(yīng)用前景探討

基于對(duì)監(jiān)測儀功能定位及當(dāng)前我國非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)實(shí)際需要,筆者認(rèn)為監(jiān)測儀在以下幾方面具有廣闊應(yīng)用前景。

(1)煤層氣/頁巖氣開采。

我國煤層氣開發(fā)區(qū)塊發(fā)育多層主力煤層,合層排采井?dāng)?shù)量逐漸增多,但我國缺乏合層排采經(jīng)驗(yàn),尚未建立普遍接受的合層排采工作制度。了解煤層氣井合層排采過程中各主力煤層產(chǎn)氣、產(chǎn)水量有助于評(píng)價(jià)合層排采可行性,優(yōu)化合層排采制度[24-25]。

在井筒上下各主力煤層附近分別安裝監(jiān)測儀,獲得各主力煤層流體流速、氣泡形態(tài)、流體壓力等參數(shù)并結(jié)合地面流量計(jì)獲得的總產(chǎn)氣量,可分別獲知各主力煤層產(chǎn)氣貢獻(xiàn)量。

同樣作為非常規(guī)天然氣的頁巖氣產(chǎn)出機(jī)理與排采方式與煤層氣非常類似[26-27]。因此,該監(jiān)測儀在頁巖氣開采中同樣具有應(yīng)用前景。

(2)智能調(diào)控排采工況,數(shù)字化管理排采井。

一方面監(jiān)測儀可實(shí)時(shí)獲取井下流體壓力、溫度、液位、流速、密度分布以及氣泡形態(tài),若將監(jiān)測結(jié)果通過一定波頻進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸,則地面排采人員可遠(yuǎn)程及時(shí)了解井下工況變化;另一方面監(jiān)測結(jié)果自動(dòng)反饋至人工舉升系統(tǒng),人工舉升系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)提前設(shè)定的流體參數(shù)范圍,自動(dòng)調(diào)節(jié)排采強(qiáng)度,從而將井底壓力、液位、氣水流量等流體參數(shù)控制在合理范圍,有助于排采井的數(shù)字化排采管理。

5 結(jié) 論

(1)煤層氣井流體參數(shù)監(jiān)測儀主要功能為實(shí)時(shí)提供煤層氣垂直井油套環(huán)空流體壓力、溫度、液位、流速、密度及氣泡形態(tài);為研究氣藏及井筒氣水兩相流動(dòng)規(guī)律,預(yù)測井下流體參數(shù)特征提供實(shí)測值。

(2)利用壓力傳感器、氣泡傳感器和靶式應(yīng)變計(jì)可實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層氣井筒兩相流關(guān)鍵參數(shù)(密度分布、氣泡形態(tài)、流速)的探測。

(3)煤層氣井流體參數(shù)監(jiān)測儀在煤層氣垂直井合層排采、智能調(diào)控排采強(qiáng)度以及頁巖氣開采等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

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Multi-parameter detection of two-phase fluid in coal-bed methane wells

LI Rui1,WU Xiao-ming2,LI Jiong2,WANG Sheng-wei1,3,WU Chuan2,MEI Yong-gui4,ZHANG Feng2

(1.Faculty of Earth Resources,China University of Geosciences(Wuhan),Wuhan 430074,China;2.Faculty of Engineering,China University of Geosciences (Wuhan),Wuhan 430074,China;3.State Energy Key Laboratory of Joint Exploitation of Coal and Coal-Bed Methane,Jincheng 048204,China;4.Shanxi CBM Subsidiary,Huabei Oilfield Company,Jincheng 048000,China)

In order to find out the variation characteristics and flow laws of two-phase fluid in coalbed methane(CBM) wells,the fluid parameters detector was developed,which had the functions to not only monitor the fluid pressure,temperature,fluid level,velocity,density distribution and bubbles forms of two-phase fluid,but also provide actual data to forecast the variations characteristics or show flow laws of two-phase fluid in coalbed methane wells.Based on the working principles and structures of the detector parts,the detection methods of the key two-phase fluid parameters including density distribution,bubbles forms and flow were established.Therefore,the detector can be applied in CBM and shale gas drainage,as well as in intelligent gas drainage.

CBM vertical well;gas-water two-phase fluid;tubing-casing annulus;flow velocity;density distribution

P618.11

A

0253-9993(2014)09-1862-06

2014-05-07 責(zé)任編輯:王婉潔

國家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2011ZX05034-002);山西省煤層氣聯(lián)合研究基金資助項(xiàng)目(2012012007)

李 瑞(1989—),男,河南鶴壁人,博士研究生。E-mail:ruilicug@163.com。通訊作者:王生維(1956—),男,內(nèi)蒙古呼和浩特人,教授,博士生導(dǎo)師。E-mail:swwang@cug.edu.cn

李 瑞,烏效鳴,李 炯,等.煤層氣井兩相流多參數(shù)探測技術(shù)[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(9):1862-1867.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.8005

Li Rui,Wu Xiaoming,Li Jiong,et al.Multi-parameter detection of two-phase fluid in coal-bed methane wells[J].Journal of China Coal Society,2014,39(9):1862-1867.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.8005