我國煤層氣排采技術(shù)研究現(xiàn)狀

李昀昀，傅小康，李千山，孫寧蔚

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452；2.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100083；3.西南石油大學(xué)，四川成都 610500）

中國煤層氣資源豐富。根據(jù)新一輪的資源評價，我國煤層埋深2 000 m以內(nèi)煤層氣地質(zhì)資源量36.81萬億立方米，相當(dāng)于490億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，與我國陸上常規(guī)天然氣資源量38萬億立方米基本相當(dāng)[1]。煤層氣儲層具有低孔隙度、低滲透率的特性，大都需要經(jīng)過儲層改造才能實現(xiàn)煤層氣的工業(yè)化開采。水力壓裂是實現(xiàn)煤層氣有效開發(fā)的重要技術(shù)手段之一[2]。煤儲層與砂巖儲層巖石力學(xué)性質(zhì)、孔裂隙系統(tǒng)等方面的差異性決定了完全照搬石油產(chǎn)業(yè)的水力壓裂進(jìn)行煤儲層改造的局限性，導(dǎo)致采用幾乎同一水力壓裂工藝后有著不同的產(chǎn)氣表現(xiàn)[3]。由于煤儲層普遍具備“低壓、低滲、低飽和”特征，同時受地質(zhì)構(gòu)造和工程施工方面的影響，目前部分排采井產(chǎn)量較低[4]。因此本文首先針對煤層氣排采原理進(jìn)行描述，旨在表明煤層氣開采與石油開采的區(qū)別，進(jìn)而從排采工具對煤層氣開采的影響、排采階段的劃分、排采制度與控制等三個方面展開敘述，對目前的研究狀況進(jìn)行綜述，從而有效地梳理煤層氣的開發(fā)開采技術(shù)，以指導(dǎo)排采生產(chǎn)，提高煤層氣井產(chǎn)量。

1 煤層氣排采原理

1.1 儲存原理

煤層氣的組成成分主要是甲烷，以游離態(tài)、溶解態(tài)和吸附態(tài)三種狀態(tài)存在于煤儲層當(dāng)中。當(dāng)煤層氣為游離態(tài)或者溶解態(tài)時，它存在于煤儲層的裂縫中。游離態(tài)指的是煤層氣在煤儲層內(nèi)自由的流動，溶解態(tài)是煤層氣的主要成分－甲烷，溶于水。甲烷的溶解度受壓力影響，壓力越大，溶解度越大，壓力越小，溶解度越小。煤層氣為吸附態(tài)時，吸附位置是煤儲層的細(xì)小孔隙。煤層吸附的多少主要和溫度、壓力、煤結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，溫度越高，吸附力越弱，煤層氣的吸附量越?。幻簝觾?nèi)的壓力越大，煤層的吸附能力越強(qiáng)，吸附量越大。此外，煤層中水分的含量也會對煤層氣的吸附量造成影響。煤層氣的吸附能力隨著水分含量的增加而降低。

1.2 產(chǎn)出機(jī)理

煤層氣以游離態(tài)吸附在煤儲層中時，可通過降低煤層氣的吸附力來達(dá)到排水采氣的目的。排采主要有單相流動階段、非飽和單相流動階段和兩相流動階段三個階段。在單相流動階段，地層水在壓力差的作用下不斷向外排出，壓力不斷減小，當(dāng)壓力降低到臨界解析壓力前，在煤儲層中流動的只有地層水；在非飽和單相流動階段，煤儲層壓力降低到臨界解析壓力值，煤層氣從煤儲層中析出，析出現(xiàn)象為不連續(xù)氣泡，由于此時氣泡未達(dá)到連續(xù)，所以流動仍為水相流動；在兩相流動階段，壓力在原來基礎(chǔ)上再次降低，氣泡由上一階段的不連續(xù)氣泡變?yōu)檫B續(xù)氣泡，煤儲層中流動為氣水兩相流動。

表1 排采工具的優(yōu)缺點Tab.1 Advantages and disadvantages of drainage tools

2 煤層氣排采技術(shù)

2.1 排采工具對煤層氣開采的影響

開采煤層氣排水的方法主要有：有桿泵，螺桿泵，電潛泵，氣舉，水力噴射泵，管式泵等。我國目前主要是應(yīng)用有桿泵、螺桿泵和電潛泵來進(jìn)行油管排水，套管采氣[5]。這些排采工具各有利弊（見表1），適用性也不盡相同。例如，對于排水量低、井眼軌跡尚好的井選用有桿泵排采方法；對于煤粉含量較高、井眼軌跡較好、排水適中的井，可以考慮采用螺桿泵開發(fā)；高含水量、斜井、井眼軌跡相對較差的煤層氣井，需要優(yōu)先選用潛水電泵進(jìn)行開發(fā)[6]。

2.2 排采階段劃分

目前不同的研究者結(jié)合不同的依據(jù)對排采階段的劃分不同（見表2）。朱東君[7]在多層合采時，根據(jù)各個煤層的解析壓力不同，將主力排采層依據(jù)層間物性相似相鄰原則細(xì)劃為多個小單元，以小單元中部流壓為基準(zhǔn)，劃分不同的壓力階段，在各個壓力階段施行不同的降壓速度，從而保證合理的排采強(qiáng)度，控制煤粉過量產(chǎn)出，劃分7個排采階段。彭興平等[8]依據(jù)低速－低套－階梯式降壓排采制度的基本思想將排采劃分為3個階段。肖富強(qiáng)等[9]結(jié)合煤層氣單井排采和井網(wǎng)排采的原理并根據(jù)排采過程中產(chǎn)能變化將排采劃分為3個階段。柳迎紅等[10]綜合對比評價了不同排采階段劃分方法的劃分依據(jù)、階段特征、劃分方法的優(yōu)缺點，提出了與生產(chǎn)控制相結(jié)合的煤層氣排采生產(chǎn)6段劃分法。王維旭等[11]針對煤儲層特點及煤層氣井生產(chǎn)規(guī)律，將排采階段精細(xì)劃分為5個階段。楊焦生等[12]建立了煤層可動水量、可動水采出程度及外來水侵入對產(chǎn)氣影響的評價方法，并由此將排采劃分為單相水流、兩相流初期上產(chǎn)和兩相流中后期3個階段。饒孟余等[5]排采過程中降壓速度不能過快，持續(xù)的時間不能過短，為此將排采劃分為4個階段。

2.3 排采制度與控制

煤層氣排采工藝技術(shù)主要是制定合理的排采制度和進(jìn)行精細(xì)的排采控制，井底流壓充分反映了產(chǎn)氣量的滲流壓力特征，是制定合理排采制度和進(jìn)行精細(xì)化排采控制的基礎(chǔ)[13]?？刂坪镁琢鲏壕涂杀ＷC煤層氣井穩(wěn)定生產(chǎn)[14]。通過對排采參數(shù)的分析，建立排采參數(shù)間的關(guān)系，成為掌握排采特征，建立合理工作制度的基礎(chǔ)，而且還能指導(dǎo)排采生產(chǎn)[15]。國外對于排采控制的重視程度和研究力度較小，是因為國外煤儲層普遍具有高壓高滲的特征，掩蓋了煤層氣井排采過程中物性變化和流體相態(tài)變化對產(chǎn)氣量的影響[16]。

煤層氣的排采制度目前有定壓排采制度和定產(chǎn)排采制度，定壓排采制度的核心是控制好儲層壓力和井底流壓之間的關(guān)系，適用于排水降壓階段。定產(chǎn)排采制度則是控制水、氣的產(chǎn)量，以保障流體的合理流動，適用于穩(wěn)產(chǎn)階段[13]。然而張遂安和周金成等[16，17]認(rèn)為煤層氣的排采可采用的工作制度只能是定壓排采制度，難以達(dá)到定產(chǎn)排采的效果。也就是煤層氣井的排采必須確保在有效控制煤粉產(chǎn)出速度和適宜的工作壓差條件之下，依據(jù)擬定的井底流壓進(jìn)行生產(chǎn)。排采控制不當(dāng)會導(dǎo)致三種類型的儲層傷害：煤粉堵塞、地層氣鎖、應(yīng)力閉合，其中煤粉堵塞是最主要的儲層傷害[18，19]。隨著認(rèn)識的不斷深入，煤層氣的排采技術(shù)也由定性的定壓排采朝著智能化控壓（合理的工作壓差）控粉（適度的煤粉產(chǎn)出率）定壓（擬定的井底流壓）排采方向發(fā)展[20，21]。

表2 排采階段劃分Tab.2 Drainage stage division

排采控制也趨于智能化和自動化控制，基于此各個學(xué)者分別提出了適合煤層氣排采的控制策略。張雙斌[21]認(rèn)為排采過程中壓力場，應(yīng)力場，裂隙耦合關(guān)系及其對煤層氣產(chǎn)能的控制機(jī)理需要深入研究，在模擬出的壓力場，滲透率，產(chǎn)水量，產(chǎn)氣量前提下，優(yōu)化排水降壓速率，制定排采制度。龐濤[15]認(rèn)為排采降壓過程中應(yīng)主要考慮相滲透率和速敏效應(yīng)的影響，以井底壓力變化幅度為控制依據(jù)，進(jìn)行分段排采控制。陳秀萍等[23]提出了“雙環(huán)三控法”排采控制策略，該策略以控制動液面為核心，通過對套管壓力、流動壓力的雙閉環(huán)控制以及控降液、控流壓及控套壓3種控制策略，實現(xiàn)了煤層氣井從降液、解吸至產(chǎn)氣等不同階段的智能排采控制。劉一楠等[24]提出煤粉卡泵和井底流壓的精細(xì)控制是煤層氣井生產(chǎn)過程中遇到的主要問題，并通過增加水平井注水工藝和遠(yuǎn)程監(jiān)控自動化控制兩個方面解決困難。張賀等[25]提出將井場現(xiàn)場監(jiān)控到的數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控室，監(jiān)控室根據(jù)數(shù)據(jù)可以遠(yuǎn)程調(diào)控抽油機(jī)沖次、螺桿泵轉(zhuǎn)速、調(diào)整套壓等保證排采工藝要求，控制井底流壓下降速度，達(dá)到穩(wěn)定生產(chǎn)。白利軍等[26]針對煤層氣井排水采氣生產(chǎn)周期長、液面控制對產(chǎn)氣量影響大，臨界解析壓力不易控制等特點，研發(fā)了智能排采技術(shù)和設(shè)備，其功能是自動監(jiān)測動液面高度以及控制液面下降速度。王維旭等[11]建立的智能化排采設(shè)備可以實現(xiàn)各生產(chǎn)參數(shù)的自動采集和連續(xù)監(jiān)測，滿足了煤層氣井以控制井底流壓為核心的“連續(xù)、平穩(wěn)、緩慢、長期”的排采要求。竇武等[27]提出智能間抽技術(shù)實現(xiàn)了井底流壓不隨間抽發(fā)生變化，排采管控更加精確。

3 結(jié)論

（1）煤層氣井類型復(fù)雜，針對不同類型的井有必要應(yīng)用合適的方法去保證排采。并且研制排采的配套設(shè)施也很關(guān)鍵。

（2）排采階段劃分的目的是為了對排采控制的調(diào)節(jié)提供參考依據(jù)，因此劃分的階段應(yīng)與排采規(guī)律緊密結(jié)合。

（3）煤層氣的排采制度和控制趨于智能化和自動化，未來煤層氣排采需要重視對煤粉的防治以及實現(xiàn)更精細(xì)化的管理制度。煤層氣未來將向著更精細(xì)化和智能化的控壓、控粉、定壓排采方向發(fā)展。