煤層氣井產(chǎn)氣機(jī)理和排采控壓的研究

靳 鵬

(山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048204)

引 言

煤層氣是一種非常規(guī)天然氣，屬于清潔能源，其主要成分是甲烷，主要產(chǎn)生于煤層中。存在形式一般認(rèn)為有以下三種。一種是吸附在煤層中的煤基粒中，與煤共生；一種是存在與煤層水中，呈水溶態(tài)；另一種則是以游離態(tài)存在于煤層地質(zhì)縫隙中。我國(guó)煤層氣儲(chǔ)量居世界前列，科學(xué)合理地開發(fā)利用煤層氣資源，逐步替代常規(guī)非清潔能源，對(duì)改善我國(guó)長(zhǎng)期以煤炭開采利用為主的能源結(jié)構(gòu)，緩解國(guó)內(nèi)資源儲(chǔ)備壓力，促進(jìn)我國(guó)逐步向低碳、低污染、節(jié)能減排的可持續(xù)發(fā)展模式轉(zhuǎn)變具有重大意義。

1 煤層氣產(chǎn)氣機(jī)理

1.1 煤層氣的成因

煤層氣的成因主要有兩種，即生物成因和熱成因。生物成因主要是指地質(zhì)結(jié)構(gòu)中的微生物在復(fù)雜的化學(xué)條件下，將動(dòng)植物等有機(jī)質(zhì)通過一系列生物化學(xué)作用，轉(zhuǎn)化為煤層氣。熱成因是指煤層在地?zé)岬日T因的作用下，其煤質(zhì)本身發(fā)生的分解與裂解，從而形成煤層氣。

1.2 煤層氣排采流程

結(jié)合我國(guó)煤層氣儲(chǔ)存與地質(zhì)條件的特點(diǎn)，經(jīng)過多年探索研究，我國(guó)建立了一套自己獨(dú)立的煤層氣開采流程：排水-降壓-解析-擴(kuò)散-滲流-采氣，該套流程也叫煤層氣的抽采工藝。煤層氣的排采工藝流程，是其利用的基礎(chǔ)。合理的排采流程一方面可以保證開采效率，節(jié)約開采成本；另一方面可以減少開采煤層氣的雜質(zhì)含量[1]。

煤層氣主要儲(chǔ)存在煤質(zhì)、煤層水以及煤層地質(zhì)間隙中，儲(chǔ)層壓力的平衡使得其相對(duì)穩(wěn)定。煤層氣排采時(shí)，主要通過排水的方式降低煤層中的壓力，煤層氣在壓力下降到一定臨界值時(shí)，其吸附狀態(tài)無法維持，逐步開始從吸附介質(zhì)中解析出來，通過本井產(chǎn)出；還有一部分煤層氣通過擴(kuò)散和高滲流作用，位移到周邊其他產(chǎn)氣井產(chǎn)出。滲流速度與壓力關(guān)系如圖1所示。產(chǎn)出的煤層氣通過集氣加壓等一系列工程手段，完成排采。

圖1 煤樣滲流速度與壓力梯度的關(guān)系

2 煤層氣排采制約因素

2.1 儲(chǔ)層傷害

煤層氣開發(fā)涉及的層面較廣，包括地質(zhì)結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)、流體力學(xué)以及機(jī)械等方面。在排采過程中，煤層氣井中會(huì)出現(xiàn)程度不同的儲(chǔ)層傷害，影響煤層氣的解析。出現(xiàn)儲(chǔ)層傷害后，煤層的滲透率、煤層氣在煤層間的擴(kuò)散能力以及煤層間的導(dǎo)流滲流能力都會(huì)降低，使排水降壓時(shí)間增加。而煤層氣的吸附解析過程一般可以看做是可逆過程，即解析的時(shí)候，吸附作用同樣在進(jìn)行，當(dāng)煤層氣中儲(chǔ)層壓力大于煤層氣解析壓力時(shí)，煤層氣處于吸附狀態(tài)，為單相流狀態(tài)；當(dāng)煤層氣中儲(chǔ)層壓力小于煤層氣解析壓力時(shí)，煤層氣處于解析狀態(tài)，為氣水兩相流狀態(tài)，其流動(dòng)狀態(tài)取決于相對(duì)滲透率，流體狀態(tài)示意圖如圖2所示。

圖2 煤層氣產(chǎn)出過程流體狀態(tài)示意

儲(chǔ)層傷害的形式多種多樣，誘因大致可分為以下幾種。1) 排采過程中經(jīng)煤層氣井流入的外來流體與煤層水的物理化學(xué)反應(yīng)對(duì)儲(chǔ)層的傷害[2]；2) 相態(tài)圈閉造成的水敏或液鎖傷害；3) 排水是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，人為的促使儲(chǔ)層流體的流動(dòng)，導(dǎo)致其與煤層相互作用，改變了煤層的滲透性，并對(duì)煤層產(chǎn)生摩擦粉碎與煤粒遷移破壞；4) 煤層三相變化引起的煤層孔隙表面的吸附能力的變化，從而造成煤層潤(rùn)濕性變化與流體運(yùn)移傷害；5) 固相物質(zhì)的運(yùn)移對(duì)儲(chǔ)層孔隙率的傷害；6) 固相微粒傷害；7) 生物活動(dòng)對(duì)儲(chǔ)層滲透性的傷害等。

2.2 固相微粒

煤層氣的儲(chǔ)存條件與其排采過程，均會(huì)導(dǎo)致煤層氣中含有固相微粒，這對(duì)開采工程是不利的。在煤層氣排采工程中，所說的固相微粒大部分是煤粉，這些微粒受氣-液-固三相流的耦合效應(yīng)，在煤層氣儲(chǔ)層中的運(yùn)移會(huì)在很大程度上影響煤儲(chǔ)層開發(fā)與煤層氣排采的最佳狀態(tài)。固相微粒隨排采在煤層等煤層氣儲(chǔ)層間隙中運(yùn)移，富集在其中，使儲(chǔ)層的孔隙率降低，導(dǎo)流能力減弱，從而阻塞解析出的煤層氣的轉(zhuǎn)移通道，降低煤層氣本井和周邊產(chǎn)氣井的產(chǎn)量；而隨著管道，固相微粒亦會(huì)進(jìn)入集氣加壓機(jī)械設(shè)備，影響設(shè)備性能，會(huì)出現(xiàn)凡爾漏失、管道堵塞或泵塞等故障，影響排采效率，使經(jīng)濟(jì)效益受損。固相微粒力學(xué)生成機(jī)理為各工序中，包括鉆井、射孔、壓裂與排采等，機(jī)械設(shè)備與流體動(dòng)能對(duì)煤層氣儲(chǔ)層造成的機(jī)械破壞與壓力變化誘導(dǎo)?；瘜W(xué)生成機(jī)理為儲(chǔ)層圍巖中與經(jīng)煤層氣井流入的外來流體的水巖反應(yīng)[3]。

2.3 排采技術(shù)

在排采流程確定后，排采工作中的相關(guān)技術(shù)參數(shù)的選擇，更會(huì)直接制約煤層氣井產(chǎn)氣量，這些指標(biāo)主要包括井口回壓、套壓、動(dòng)液面、井底流壓等，而這些參數(shù)相互影響，存在一定的邏輯關(guān)系，并有著內(nèi)在聯(lián)系，耦合關(guān)系如圖3所示。

技術(shù)參數(shù)選擇的合理性，是排采工作的基礎(chǔ)。一般來講，參數(shù)的選擇方向與煤層氣產(chǎn)氣量有如下關(guān)系：產(chǎn)氣量隨套壓的減小而增加，隨排采液面的變深而增加，隨排水量的降低而減小。

圖3 煤層氣井筒各參數(shù)間耦合關(guān)系

3 排采控壓

基于以上煤層氣排采制約因素的分析，需要尋找合適的解決措施以消除或降低其影響。針對(duì)儲(chǔ)層傷害問題，在排水降壓階段，首先需要控制排水速度，來降低抽排煤層水時(shí)的機(jī)械能，減少儲(chǔ)層的傷害強(qiáng)度；裂壓作業(yè)時(shí)，裂壓壓力的合理性也是降低儲(chǔ)層傷害的有效措施。解決固相微粒危害的措施可以從減少其形成數(shù)量入手。1) 合理調(diào)控排采強(qiáng)度，減少儲(chǔ)層所受到的外界壓力；2) 保證煤層氣排采連續(xù)穩(wěn)定，使儲(chǔ)層壓力降連續(xù)穩(wěn)定；3) 適度調(diào)控油套環(huán)空內(nèi)氣體壓力與井底壓力，使儲(chǔ)層內(nèi)壓降漏斗平穩(wěn)、持續(xù)與充分?jǐn)U展；4) 改善排采工藝中進(jìn)入儲(chǔ)層中外來液體的數(shù)量與種類。排采技術(shù)中，各參數(shù)的確定并不是一個(gè)獨(dú)立的問題，需要根據(jù)儲(chǔ)層地質(zhì)條件、排采工藝、煤層氣含量以及排采設(shè)備效能共同決定，值得注意的是，各參數(shù)間相互影響，相互制約，是一個(gè)統(tǒng)一的整體。

3.1 壓差控制

排采中固相微粒的產(chǎn)生大部分是由于壓力對(duì)儲(chǔ)層的作用，因此合理的控制排采時(shí)的壓差，可以有效控制固相微粒的生成。如圖3所示，排采工藝中，壓差的直接調(diào)控方式是控制井底流壓，控制的具體參數(shù)為控制產(chǎn)水量以調(diào)控動(dòng)液面高度；調(diào)整油嘴大小以調(diào)整套壓[4]。

3.2 固相微粒產(chǎn)出速度的控制

排采工藝從本質(zhì)上來講，就是通過壓力的調(diào)控，使煤層氣釋放出來。而壓差的存在或多或少都會(huì)都儲(chǔ)層產(chǎn)生傷害，使固相微粒富集在管道或機(jī)械設(shè)備中，其危害上面以做敘述。但若不使固相微粒排出，同樣也會(huì)對(duì)水平井段、人工裂縫、儲(chǔ)層造成傷害。因此要想減輕危害，需要對(duì)固相微粒進(jìn)行合理的抽排。目前的工藝中，固相微粒的主要抽排方式是通過采排工藝中的排水工序。控制排水的速度也即控制了固相微粒的抽排速度，其排水速度需針對(duì)煤層氣儲(chǔ)層的不同理化性質(zhì)而有所不同。

3.3 排采技術(shù)要求及排采工作制度

壓差的控制以及排水速度的控制，都需要工藝的連續(xù)性為保障。工藝的連續(xù)性同時(shí)取決于設(shè)備的性能以及排采的工作制度。排采設(shè)備必須具有可靠的性能，可以在復(fù)雜的工況下運(yùn)行，且平時(shí)的維護(hù)保養(yǎng)簡(jiǎn)單易操作。同時(shí)，排液設(shè)備的額定功率區(qū)間范圍要大，且排液能力要強(qiáng)。設(shè)備控壓精度需要高，且壓力檢測(cè)反饋需要靈敏。根據(jù)排采原理和排采經(jīng)驗(yàn)，煤層氣井排采可采用的工作制度只有定壓排采，無法實(shí)現(xiàn)定產(chǎn)排采。因?yàn)槊簩託饩挪蓱?yīng)在有效控制煤粉產(chǎn)出速率和合理的工作壓差的條件下，按照擬定的井底流壓進(jìn)行生產(chǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

作為儲(chǔ)量大國(guó)，煤層氣的開采利用有著重要的意義。作為高熱值的新能源，其燃燒后的生成物與煤相比，對(duì)環(huán)境的污染非常小。降低煤炭的使用量，加大煤層氣的開發(fā)量，可以有效改善我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)，并有助于降低天然氣對(duì)外的依賴性。