煤層氣井產(chǎn)出液煤粉含量監(jiān)測(cè)

楊萬(wàn)有 鄭春峰

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司

煤層氣井產(chǎn)出液煤粉含量監(jiān)測(cè)

楊萬(wàn)有 鄭春峰

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司

針對(duì)目前煤層氣井排采過(guò)程中出煤粉狀況嚴(yán)重且無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)煤粉含量計(jì)量的問(wèn)題，通過(guò)開(kāi)展流體溫度、流量對(duì)煤粉含量的補(bǔ)償室內(nèi)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，并基于質(zhì)量守恒原理建立了煤層氣井產(chǎn)出液煤粉含量的計(jì)算方法。同時(shí)開(kāi)發(fā)出一套適用于煤層氣井產(chǎn)出液煤粉含量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置，該裝置通過(guò)壓差式密度傳感器監(jiān)測(cè)產(chǎn)出液密度值，并實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)據(jù)終端，通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到實(shí)時(shí)產(chǎn)出液煤粉含量值?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，煤粉含量監(jiān)測(cè)裝置可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，且監(jiān)測(cè)精度滿足現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)需求，為現(xiàn)場(chǎng)防煤粉控制、排采工作制度的制定提供依據(jù)。

煤層氣井；產(chǎn)出液；煤粉含量；監(jiān)測(cè)；計(jì)算方法

煤層氣井通過(guò)長(zhǎng)期排水降壓的方法降低儲(chǔ)層壓力開(kāi)采，在排采過(guò)程中煤層氣井產(chǎn)出液常伴隨著煤粉的產(chǎn)出［1］。目前我國(guó)主要采用有桿泵、螺桿泵和電潛泵來(lái)實(shí)現(xiàn)排水采氣，能夠承受的最大煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.0%～8.0%，一般微細(xì)顆粒煤粉以懸浮液的形式攜帶至地面，中粗、較粗顆粒煤粉過(guò)量堆積會(huì)堵塞泵吸入口，產(chǎn)出液煤粉含量過(guò)大導(dǎo)致煤粉卡泵、抽油桿斷脫及井底煤橋膠結(jié)等故障發(fā)生，導(dǎo)致頻繁檢泵作業(yè)［2-4］。頻繁作業(yè)引發(fā)井底流壓大幅度波動(dòng)，進(jìn)而破壞氣、水、煤粉流態(tài)連續(xù)性而影響單井產(chǎn)能［5-6］。排采速度過(guò)快造成煤粉產(chǎn)出量增加，在地面直觀表現(xiàn)為產(chǎn)出液煤粉含量增加。煤層氣井井口煤粉含量是重要的排采指標(biāo)［7］。煤層氣現(xiàn)場(chǎng)主要采用量杯取樣通過(guò)觀測(cè)產(chǎn)出液顏色，并經(jīng)過(guò)靜止沉淀后人工讀取數(shù)據(jù)方式求取煤粉含量。該煤粉含量測(cè)試方法耗時(shí)時(shí)間長(zhǎng)、不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)連續(xù)煤粉含量監(jiān)測(cè)，且因個(gè)人能力水平的差異性，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性難以保證。

目前煤粉含量監(jiān)測(cè)技術(shù)主要應(yīng)用在電廠發(fā)電鍋爐送粉與鋼廠送粉管道等監(jiān)測(cè)煤粉含量的領(lǐng)域，監(jiān)測(cè)技術(shù)主要針對(duì)氣固兩項(xiàng)為基礎(chǔ)開(kāi)展研究［8-9］。劉升貴等人給出了煤層氣井排采煤粉含量預(yù)警及防控措施，但未給出具體煤粉含量監(jiān)測(cè)方法［10］。針對(duì)勞動(dòng)成本高、測(cè)量精度差且不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)煤粉含量監(jiān)測(cè)等技術(shù)問(wèn)題，依據(jù)煤粉含量與液固兩相流密度關(guān)系，通過(guò)產(chǎn)出液密度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)推導(dǎo)出靜態(tài)條件下產(chǎn)出液煤粉含量值，為現(xiàn)場(chǎng)防煤粉控制、排采工作制度提供參考依據(jù)。

1 煤粉含量監(jiān)測(cè)原理

Monitoring principle of slack coal concentration

1.1 監(jiān)測(cè)原理

Monitoring principle

煤層氣井產(chǎn)出煤粉密度和水密度的濃度加權(quán)平均為產(chǎn)出液煤粉含量值為

由式（1）推導(dǎo)出密度與煤粉含量關(guān)系式為

式中，c為產(chǎn)出液煤粉含量，小數(shù)；ρw為地層水的密度，g/cm3；ρc為煤粉密度，g/cm3；ρm為產(chǎn)出液密度，g/cm3。

產(chǎn)出液密度是在生產(chǎn)流動(dòng)狀態(tài)下測(cè)得，而產(chǎn)出液煤粉含量為靜止?fàn)顟B(tài)下濃度值，所以需將流動(dòng)狀態(tài)下測(cè)得的產(chǎn)出液密度校正到靜止?fàn)顟B(tài)下以確保準(zhǔn)確性。產(chǎn)出水的密度在不同流量和溫度下存在一定差異，需進(jìn)行產(chǎn)出水的溫度和流量補(bǔ)償分析，為式（3）、（4）所示

式中，c（S）為靜止條件下的煤粉含量，小數(shù)；ρm（S）為靜止條件下產(chǎn)出液密度，g/cm3；ρm（M）為流動(dòng)條件下產(chǎn)出液密度，g/cm3；ρw（T）靜止地層水溫度補(bǔ)償密度，g/cm3；ρw（Q）流動(dòng)地層水流量補(bǔ)償密度，g/cm3。

煤層氣井地層煤粉密度通過(guò)2種方法確定：直接對(duì)所述煤層取樣，按照體積法求取煤層氣井地層煤粉密度；或者由式（1）和式（2）聯(lián)立可得地層煤粉密度表達(dá)式為

在煤層氣井井口取產(chǎn)出液濃度相差較大的2個(gè)樣品，分別計(jì)算出兩個(gè)靜止條件下煤粉含量所對(duì)應(yīng)的地層煤粉密度，然后對(duì)地層煤粉密度取平均值，為式（6）、（7）、（8）所示

式中，c1（S）為靜止條件下煤粉第一濃度值，小數(shù)；c2（S）為靜止條件下煤粉第二濃度值，小數(shù)；ρc1為地層煤粉第一密度值，g/cm3；ρc2為地層煤粉第二密度值，g/cm3。

1.2 誤差分析

Error analysis

（1）煤粉含量與密度誤差分析。煤粉含量與密度絕對(duì)誤差關(guān)系式為

式中，Δc為煤粉含量絕對(duì)誤差值，小數(shù)；Δρm為煤粉密度絕對(duì)誤差值，小數(shù)。

若煤粉密度ρc=1.5 g/cm3，壓差式密度傳感器精度Δρm=0.000 5 g/cm3，則Δc=0.001，即精度為0.1%。

（2）煤粉含量與壓差誤差分析。選取壓差式密度傳感器入口（A點(diǎn)）及出口（B點(diǎn)）處為基準(zhǔn)面建立伯努利方程

式中，hA，hB，h差分別為A點(diǎn)、B點(diǎn)處液柱高度和兩點(diǎn)高度差，m；PA，PB，P差分別為A點(diǎn)、B點(diǎn)處壓力和兩點(diǎn)處壓力差，Pa；hf為沿程阻力，m；λ為沿程阻力系數(shù)，無(wú)量綱；νA，νB分別為A點(diǎn)和B點(diǎn)處流速，m/s。

煤粉密度與壓差絕對(duì)誤差關(guān)系式為

式中，ΔP差為壓差絕對(duì)誤差值，小數(shù)。

為達(dá)到壓差式密度傳感器測(cè)量精度0.000 5g/cm3，則壓差測(cè)量精度ΔP差需滿足0.04%。若測(cè)試管段合理設(shè)計(jì)，因沿程阻力導(dǎo)致濃度誤差可以忽略。

2 煤粉含量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Design of slack coal concentration monitoring system

測(cè)量系統(tǒng)主要由壓差式密度傳感器、電磁流量計(jì)、溫度探頭、氣液分離罐、閥門(mén)、管線、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無(wú)線傳輸模塊等組成。煤層氣井產(chǎn)出液經(jīng)進(jìn)液口到氣液分離罐，少量的氣體從出氣口排出，液體進(jìn)入U(xiǎn)型管，流經(jīng)密度傳感器、溫度計(jì)和電磁流量計(jì)，最終由出液口排至沉淀池，如圖1所示。

圖1 煤層氣井產(chǎn)出液煤粉含量監(jiān)測(cè)裝置Fig.1 Monitoring device for slack coal concentration in the fluid produced from the coalbed methane well

3 煤粉含量溫度、流量補(bǔ)償評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

Evaluation experiment on slack coal concentration temperature and flow rate compensation

室內(nèi)評(píng)價(jià)裝置由供液系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)和煤粉含量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成，其中供液系統(tǒng)包括煤漿池、攪拌器恒溫箱，動(dòng)力由泥漿泵提供。以40目煤粉粒徑配置煤粉含量5%的水煤漿200 L（水為實(shí)際煤層氣井產(chǎn)出的地層水）置于池中，用泥漿泵做為循環(huán)動(dòng)力裝置，如圖2所示。

圖2 煤粉含量補(bǔ)償評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.2 Evaluation experiment platform for slack coal concentration compensation

3.1 煤粉含量的溫度補(bǔ)償評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

Evaluation experiment on temperature compensation of slack coal concentration

產(chǎn)出水的密度在不同溫度條件下存在一定差異，需開(kāi)展產(chǎn)出水的溫度補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)。根據(jù)式（2）可知，煤粉含量與煤粉和產(chǎn)出水的密度關(guān)系。假定煤粉密度與溫度無(wú)關(guān)，則只需考慮產(chǎn)出水的密度與溫度的關(guān)系。測(cè)試溫度范圍為0～50 ℃時(shí)水的密度，并將測(cè)試密度值與4 ℃時(shí)水的理論密度值作比，得到不同溫度條件下產(chǎn)出水的密度變化百分比（與4 ℃水的理論密度值相比），如圖3所示。回歸實(shí)測(cè)產(chǎn)出水不同溫度條件下密度關(guān)系式為

式中，ρ為實(shí)驗(yàn)產(chǎn)出水密度，g/cm3；T為實(shí)驗(yàn)溫度，℃。

3.2 煤粉含量的流量補(bǔ)償評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

Evaluation experiment on flow rate compensation of slack coal concentration

由上述可知，流經(jīng)傳感器流體密度與兩端壓差、傳感器高度差和沿程阻力有關(guān)，而沿程阻力與流經(jīng)傳感器流體速度有關(guān)（流速值直觀反應(yīng)為流量值），需開(kāi)展產(chǎn)出水的流量補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)。設(shè)定測(cè)試溫度為10℃、20 ℃、30 ℃、40℃、50 ℃，測(cè)試流速為2 m3/d～150 m3/d（1 L/min～104L/min），測(cè)得不同溫度、不同流量條件下產(chǎn)出水密度值，如圖4所示。對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)回歸分析得到不同流量與密度關(guān)系，如式（17）～式（21）所示，可以求解出不同溫度、不同流量下產(chǎn)出水密度值，若求解0 ℃～50 ℃范圍內(nèi)的密度值，可通過(guò)差值法求取。

圖3 不同溫度下實(shí)測(cè)產(chǎn)出水密度與4℃水理論密度回歸Fig.3 Produced water density measured at differenttemperatures and regression of theoretical density of water at 4℃

圖4 不同溫度、不同流量條件下產(chǎn)出水密度實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Fig.4 Experimental test result of produced water density at different temperatures and different flow rates

10 ℃時(shí)不同流量條件下產(chǎn)出水密度關(guān)系式為

20 ℃時(shí)不同流量條件下產(chǎn)出水密度關(guān)系式為

30 ℃時(shí)不同流量條件下產(chǎn)出水密度關(guān)系式為

40 ℃時(shí)不同流量條件下產(chǎn)出水密度關(guān)系式為

50 ℃時(shí)不同流量條件下產(chǎn)出水密度關(guān)系式為

式中，q為實(shí)驗(yàn)測(cè)試流量，L/min。

4 實(shí)例應(yīng)用

Field application

以中聯(lián)煤公司柳林區(qū)塊X1井為例進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。X1井位于鄂爾多斯盆地東緣斜坡中部，3#+4#煤層平均含氣量10.98 m3/t，平均滲透率0.73 mD，平均臨界解吸壓力1.67 MPa，5#煤層平均含氣量9.74 m3/t，平均滲透率0.67 mD，平均臨界解吸壓力1.87 MPa。該井于2011年4月投產(chǎn)，完鉆井深775 m，生產(chǎn)層厚13.2 m，采用螺桿泵排采，產(chǎn)氣1.52×104m3/d，產(chǎn)水10.6 m3/d，套壓0.31 MPa。該井排采時(shí)產(chǎn)出液中伴有大量煤粉產(chǎn)出，歷史化驗(yàn)煤粉產(chǎn)出質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.83%～5.62%，經(jīng)常造成卡泵、抽油桿斷脫、砂埋等故障。

于2016年1月在山西柳林縣X1井場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)安裝試驗(yàn)，通過(guò)煤粉含量在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置測(cè)試產(chǎn)出液產(chǎn)出溫度、產(chǎn)出液流量和產(chǎn)出液密度，通過(guò)遠(yuǎn)程傳輸至數(shù)據(jù)終端，數(shù)據(jù)終端經(jīng)過(guò)對(duì)溫度、流量補(bǔ)償修訂產(chǎn)出液密度值，計(jì)算得到靜止?fàn)顟B(tài)下產(chǎn)出液煤粉含量值，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 柳林區(qū)塊X1井在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)產(chǎn)出液煤粉含量與實(shí)際測(cè)量值對(duì)比曲線Fig.5 Correlation curve of on-line real-time monitored slack coal concentration of produced fluid and actually measured value of Well X1 in the Liulin block

為驗(yàn)證監(jiān)測(cè)裝置測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性，在X1井口取產(chǎn)出液樣品8份，通過(guò)蒸餾沉淀測(cè)定煤粉含量，井口產(chǎn)出液質(zhì)量分?jǐn)?shù)值在2.1%～3.2%之間波動(dòng)，平均值2.64%，見(jiàn)表1。由圖5所示，產(chǎn)出液實(shí)測(cè)煤粉含量與在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤粉含量值平均誤差1.5%，監(jiān)測(cè)煤粉含量技術(shù)指標(biāo)可滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。

表1 柳林區(qū)塊X1井實(shí)測(cè)產(chǎn)出液煤粉含量實(shí)際測(cè)量值Table 1 Measured slack coal concentration of fluid produced from Well X1 in the Liulin block

5 結(jié)論

Conclusions

（1）推導(dǎo)出適用于現(xiàn)場(chǎng)煤粉含量監(jiān)測(cè)理論方程，并導(dǎo)出誤差修正關(guān)系式，為在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)產(chǎn)出液煤粉含量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論支持。

（2）開(kāi)發(fā)一套監(jiān)測(cè)產(chǎn)出液煤粉含量監(jiān)測(cè)裝置，該裝置可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)出液煤粉含量在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

（3）在線實(shí)時(shí)產(chǎn)出液煤粉含量監(jiān)測(cè)，可有效指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)煤粉防控方法優(yōu)選和合理排采工作制度，實(shí)現(xiàn)煤層氣井的長(zhǎng)效連續(xù)排采目的。

References:

［1］郭大立，貢玉軍，李曙光，曾曉惠，李臻.煤層氣排采工藝技術(shù)研究和展望 ［J］.西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，34（2）：91-98.GUO Dali,GONG Yujun,LI Shuguang,ZENG Xiaohui,LI Zhen.Research and prospect about the CBM drainage technology ［J］.Journal of Southwest Petroleum Universtiy (Science &Technology Edition),2012,34（2）:91-98.

［2］劉升貴，賀小黑，李惠芳.煤層氣水平井煤粉產(chǎn)生機(jī)理及控制措施 ［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，30（4）：508 -512.LIU Shenggui,HE Xiaohei,LI Huifang.Production mechanism and control measures of coal powder in coalbed methane horizontal well ［J］.Journal of Liaoning Technical Universtiy (Science &Technology Edition),2011,30（4）:508-512.

［3］李仰民，王立龍，李國(guó)偉，閆玲，鄒志剛.煤層氣井排采過(guò)程中的儲(chǔ)層傷害機(jī)理研究 ［J］.中國(guó)煤層氣，2010，7（6）：39-43.LI Yangmin,WANG Lilong,LI Guowei,YAN Ling,ZOU Zhigang.Study on coal reservoir damage mechanism in dewatering and extraction process of CBM wells ［J］.China Coalbed Methane,2010,7 （6）:39-43.

［4］楊懷成，錢(qián)衛(wèi)明，張磊，易明華.中高階煤試驗(yàn)區(qū)煤層氣井排采技術(shù)［J］.特種油氣藏，2012，19（2）：113-115.YANG Huaicheng,QIAN Weiming,ZHANG Lei,YI Minghua.CBM drainage and production technology for medium-high rank coal test areas ［J］.Special Oil &Gas Reservoirs,2012,19（2）:113-115.

［5］韓國(guó)慶，高飛，竺彪，郭宏峰.煤層氣井煤粉顆粒表觀機(jī)械運(yùn)移規(guī)律［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2013，38（2）：364-368.HAN Guoqing,GAO Fei,ZHU Biao,GUO Hongfeng.Superficial transport mechanisms of coal particles in the coal-bed methane well ［J］.Journal of China Coal Society,2013,38（2）:364-368.

［6］鄭春峰，李昂，程心平，趙景輝.煤層氣有桿泵井排采煤粉產(chǎn)出規(guī)律表征與分析 ［J］ .科學(xué)技術(shù)與工程，2015，28（15）：10-13.ZHENG Chunfeng,LI Ang,CHENG Xinping,ZHAO Jinghui.Characterization and analysis of powered coal entrainment law in drainage period by rod pump for coal-bed methane wells［J］ .Science Technology and Engineering,2015,28（15）:10-13.

［7］曹立虎，張遂安，石惠寧，白建梅，王歡，朱偉.沁水盆地煤層氣水平井井筒煤粉遷移及控制 ［J］.石油鉆采工藝，2012，34（4）：93-95.CAO Lihu,ZHANG Suian,SHI Huining,BAI Jianmei,WANG Huan,ZHU Wei.Research of electrostatic sensor for measurement of pulverized coal concentration in power plant ［J］.Oil Drilling &Production Technology,2012,34（4）:93-95.

［8］易金萍，王強(qiáng)，徐順生，劉智敏.鍋爐煤粉含量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)［J］.煤氣與熱力，2002，22（4）：310-313.YI Jinping,WANG Qiang,XU Shunsheng,LIU Zhimin.Development of monitoring system of pulverized coal concentration ［J］.Gas &Heat,2002,22（4）:310-313.

［9］金伊，王溪波，禹樹(shù)春.靜電傳感器在電廠煤粉含量測(cè)量中的研究［J］.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28（6），643-646.JIN Yin,WANG Xibo,YU Shuchun.Research of electrostatic sensor for measurement of pulverized coal concentration in power plant ［J］.Journal of Shenyang University of Technology,2006,28（6）:643-646.

［10］劉升貴，胡愛(ài)梅，宋波，李惠芳.煤層氣井排采煤粉含量預(yù)警及防控措施 ［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2012，37（1）：86-90.LIU Shenggui,HU Aimei,SONG Bo,LI Huifang.Coal powder concentration warning and control measure during CBM well drainage ［J］.Journal of China Coal Society,2012,37（1）:86-90.

（修改稿收到日期 2016-09-08）

〔編輯 李春燕〕

Monitoring of produced fluid of coal content in coalbed methane wells

YANG Wanyou,ZHENG Chunfeng
CNOOC EnerTech-Drilling &Production Co.,CNOOC Energy Technology &Serνices Limited,Tianjin 300452,China

Lots of slack coals are produced in the production of coalbed methane,and the slack coal concentration cannot be continuously metered.A laboratory test was conducted to assess the compensation of flow temperature/flow rate to slack coal concentration,and a method for computing the slack coal concentration in the fluid produced from the coalbed methane well was established according to the principle of mass conservation.Furthermore,a real-time monitoring device suitable for slack coal concentration in the fluid produced from the coalbed methane well was developed.This device can monitor the produced fluid density value through a differential pressure type density sensor,and transmit the value to data terminal in real time,so that the real-time slack coal concentration of produced fluid can be obtained through data conversion.Field application shows that the slack coal concentration monitoring device can realize real-time remote data monitoring,with the accuracy subject to the field requirement,which provide bases for the field control of slack coals and the arrangement of production system.

coalbed methane well;produced fluid;slack coal concentration;monitoring;computation method

楊萬(wàn)有，鄭春峰.煤層氣井產(chǎn)出液煤粉含量監(jiān)測(cè)［J］.石油鉆采工藝，2016，38（6）：882-886.

TE37

A

1000-7393（ 2016 ） 06-0882-05

10.13639/j.odpt.2016.06.032

:YANG Wanyou,ZHENG Chunfeng.Monitoring of produced fluid of coal content in coalbed methane wells［J］.Oil Drilling &Production Technology,2016,38(6):882-886.

中海油能源發(fā)展非常規(guī)科技重大專項(xiàng)“煤層氣排采配套工藝技術(shù)研究”（編號(hào)：HFKJ-CJFZ-1310）。

楊萬(wàn)有（1967-），1989年畢業(yè)于東北石油大學(xué)（原大慶石油學(xué)院）油氣田開(kāi)發(fā)工程專業(yè)，現(xiàn)從事海上采油工藝研究及管理工作，高級(jí)工程師。通訊地址：（300452）天津市塘沽區(qū)渤海石油路688號(hào)增5號(hào)B座715室。電話：022-66907304。E-mail:yangwy3@cnooc.com.cn