煤層氣排采技術(shù)適應(yīng)性分析

摘 要：本文對(duì)煤層氣的賦存狀態(tài)、地下流動(dòng)及產(chǎn)出特點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，分析了開采煤層氣的兩種主要方式，詳細(xì)介紹了煤層氣排水采氣技術(shù)，對(duì)排采中常用的各種舉升方式的適應(yīng)性進(jìn)行了總結(jié)和對(duì)比，針對(duì)目前各種舉升方式存在的問題，對(duì)煤層氣排水采氣技術(shù)的發(fā)展提出了認(rèn)識(shí)與建議。

關(guān)鍵詞：煤層氣;排水降壓;開采技術(shù);舉升工藝

煤層氣是歷經(jīng)漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代，自生自儲(chǔ)于煤層及其圍巖之中的一種清潔的非常規(guī)天然氣，以吸附在煤層顆?；|(zhì)表面為主，一般使用降壓的方法進(jìn)行開采。

1 煤層氣產(chǎn)出特點(diǎn)

煤層氣的賦存狀態(tài)及地下流動(dòng)機(jī)理，決定了煤層氣的產(chǎn)出特點(diǎn)。煤層氣在煤層中的賦存有三種狀態(tài)，即吸附狀態(tài)、溶解和游離狀態(tài)。

1.1 煤層氣的地下流動(dòng)

煤層氣儲(chǔ)層的蓋層被鉆開以后，隨著煤層水的排出，井筒液柱壓力不斷下降。當(dāng)煤儲(chǔ)層壓力低于臨界解吸壓力時(shí)，煤層氣開始從煤層孔隙內(nèi)表面解吸，依其濃度梯度擴(kuò)散并通過微孔隙和自然裂縫網(wǎng)絡(luò)，以達(dá)西流的方式流入井筒。

煤層氣儲(chǔ)層流體的地下流動(dòng)歷經(jīng)以下三個(gè)階段：

1.1.1 單相流動(dòng)階段

在排水過程中，井筒液面不斷下降，煤層氣儲(chǔ)層所受的壓力也隨之降低，在到達(dá)臨界解吸壓力之前，儲(chǔ)層只有水的單相流動(dòng)。

1.1.2 非飽和單相流動(dòng)階段

煤層氣儲(chǔ)層所受壓力低于臨界吸附壓力，煤層氣開始從煤孔隙內(nèi)表面解吸，出現(xiàn)孤立、互不連接的氣泡。氣泡增加，水的流動(dòng)阻力增大，水的相對(duì)滲透率就隨之下降。儲(chǔ)層仍然只有水的單相流動(dòng)。

1.1.3 兩相流動(dòng)階段

煤層氣儲(chǔ)層所受壓力進(jìn)一步下降，有更多的氣解吸出來，水中氣含量達(dá)到飽和，氣泡互相連接成為氣流，水的飽和度和相對(duì)滲透率下降，氣相的相對(duì)滲透率相應(yīng)上升，儲(chǔ)層出現(xiàn)氣水兩相流動(dòng)。

1.2 煤層氣井生產(chǎn)過程

煤層氣井生產(chǎn)的全過程都需要進(jìn)行排水作業(yè)，煤層氣與水的產(chǎn)出規(guī)律。對(duì)應(yīng)于其產(chǎn)水產(chǎn)氣規(guī)律，將其分為三個(gè)階段。

1.2.1 排水降壓階段

排水作業(yè)使井筒水柱壓力下降，若這一壓力低于臨界吸附壓力后繼續(xù)排水，氣飽和度升高和相對(duì)滲透率降低，產(chǎn)量開始增加;水相對(duì)滲透率相應(yīng)下降，產(chǎn)量相應(yīng)減少。在儲(chǔ)層條件相同的情況下，這一階段所需的時(shí)間，取決于排水的速度。

1.2.2 穩(wěn)定生產(chǎn)階段

繼續(xù)排水作業(yè)，煤層氣處于最佳的解吸狀態(tài)，氣產(chǎn)量相對(duì)穩(wěn)定而水產(chǎn)量下降，出現(xiàn)高峰產(chǎn)氣期。這個(gè)階段所持續(xù)的時(shí)間，取決于煤層氣含量。

1.2.3 氣產(chǎn)量下降階段

隨著壓力的下降及煤內(nèi)表面煤層氣吸附量的減少，產(chǎn)氣量下降，并產(chǎn)出少量或微量的水。這一階段延續(xù)的時(shí)間最長(zhǎng)[1]。

2 煤層氣排水采氣技術(shù)

煤層氣的開采主要有兩種方式：井下抽采和地面鉆采。

井下煤層氣抽采就是借助煤炭開采工作面和巷道，通過煤礦井下抽采、采動(dòng)區(qū)抽采、廢棄礦井抽采等方法來開采煤層氣資源[2]。

目前世界上主要產(chǎn)煤國(guó)對(duì)煤層甲烷的資源化開發(fā)利用程度較高，主要方法是地面鉆井開采[3]。即利用垂直井或定向井技術(shù)來開采原始儲(chǔ)層中的煤層氣資源。解吸是煤層氣進(jìn)行地面鉆采的前提，降壓又是解吸的前提。因此，地面鉆采煤層氣能否發(fā)生的根本在于煤層氣是否能降壓解吸。

基于煤層氣的地面鉆采開發(fā)，主要應(yīng)用排水開采技術(shù)。

2.1 排水采氣工藝現(xiàn)狀

煤層氣的生產(chǎn)機(jī)理，決定了煤層氣排采時(shí)，必須最大限度地進(jìn)行排水作業(yè)，這樣不僅降低了儲(chǔ)層壓力，也降低儲(chǔ)層含水飽和度，增加了氣體的相對(duì)滲透率，從而增加解吸氣體通過煤層裂隙系統(tǒng)向井筒運(yùn)移的能力，進(jìn)而增加井孔的煤層氣生產(chǎn)量[4]。煤層氣排采井的生產(chǎn)概括說即為使用油管抽水，利用套管產(chǎn)氣，因此，煤層氣生產(chǎn)中井孔排水用的泵是必不可少的，其地面生產(chǎn)工藝是石油行業(yè)抽油機(jī)有桿抽油和低壓天然氣井生產(chǎn)工藝的結(jié)合，其生產(chǎn)管理多類同于后者，但也有所差異。目前，國(guó)內(nèi)外煤層氣排水開采的方法主要有有桿泵法、電潛泵法、螺桿泵法、氣舉法、水力噴射泵法、泡沫法、優(yōu)選管柱法等。我國(guó)應(yīng)用最多的是有桿泵、螺桿泵和電潛泵。選用哪種泵更經(jīng)濟(jì)有效，要考慮煤層的產(chǎn)能、井深、井深結(jié)構(gòu)、產(chǎn)水量、地層出砂、氣體影響等因素，并結(jié)合各種排采設(shè)備的能力來確定。

2.2 排采方式適應(yīng)性分析

2.2.1 煤層氣排水采氣有以下幾點(diǎn)要求

①排液速度快，不怕井間干擾;②降低井底流壓，排水設(shè)備的吸液口一般都要求下到煤層以下;③要求有可靠的防煤屑、煤粉危害的措施。

采油用的抽油機(jī)工作制度不需隨時(shí)調(diào)整，并且調(diào)整范圍大。而煤層氣排采要求抽油機(jī)工作參數(shù)隨時(shí)調(diào)整，以適應(yīng)連續(xù)、勻速穩(wěn)定降液的要求?，F(xiàn)場(chǎng)常與電磁調(diào)速電機(jī)或變頻調(diào)速電機(jī)配合使用，可使沖次在較大范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)整。為防止在上下沖程中對(duì)煤層的激動(dòng)，應(yīng)盡量選用長(zhǎng)沖程抽油機(jī)，靠長(zhǎng)沖程代替大沖次。在美國(guó)圣胡安盆地，使用的抽油機(jī)一般為160、320和640型（減速箱的最大扭矩值），沖程長(zhǎng)度為1.625～5.08m。而黑勇士盆地由于東部地區(qū)井淺，一般使用的抽油機(jī)為40型和80型，沖程長(zhǎng)度一般為0.915～1.83m。

煤層要有效地產(chǎn)氣必須充分進(jìn)行排水，故生產(chǎn)井的壓力必須保持很低。有些地方水是從滲透性非煤層區(qū)流入井內(nèi)的。如果不使用大排量的泵排水，高水位即會(huì)減少煤層氣的產(chǎn)量。同樣，如果不使用大排量的泵，要排掉高滲透煤層的水是很難的。2001年以來，我國(guó)先后在某實(shí)驗(yàn)區(qū)的幾口井上使用，日產(chǎn)水95～400.3m3，日產(chǎn)氣2000～4000m3，解決了高產(chǎn)水層的排水問題。

氣舉系統(tǒng)由一系列安裝于油管上的工作筒或氣舉閥構(gòu)成。有兩種氣舉方法可以采用，一是通過油管注氣，由套管產(chǎn)出水和氣;二是由套管注氣，通過油管采出煤層氣和水，這是最常用的方法。無論哪種方法，都是將氣混入水中，降低水的密度，以易于將其排出地面。氣舉盡管地面設(shè)備少，井下管柱相對(duì)簡(jiǎn)單，但在技術(shù)上要求很高。一般將壓縮煤層氣作為氣源用于氣舉，如用空氣作介質(zhì)，壓縮空氣中的氧氣與甲烷混合還有爆炸的危險(xiǎn)。氣舉的最大特點(diǎn)是能夠處理固體顆粒，不受出砂的影響，機(jī)械方面的影響較小，同時(shí)，它能適應(yīng)開采初期的大排量排水。根據(jù)美國(guó)黑勇士盆地的經(jīng)驗(yàn)，在采氣的初期，對(duì)于井組面積降壓、大量排水時(shí)使用氣舉方法比用泵抽方法更經(jīng)濟(jì)有效。到后期，隨著產(chǎn)水量的降低，可以更換小型的泵抽裝置。

2.2.2 排水采氣工藝選擇

對(duì)給定的一口產(chǎn)水煤層氣井，為了獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)在對(duì)氣井壓力、產(chǎn)量及產(chǎn)水情況進(jìn)行分析之后，對(duì)不同排水采氣方式進(jìn)行比較，優(yōu)化選擇排水采氣方法及其設(shè)備。選擇應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)要求：①所選用的排水采氣方法應(yīng)兼顧前后期氣井產(chǎn)水量變化，適用范圍較大;②必須滿足在最小井底壓力下采出最大水量的要求，以保證在盡可能短的時(shí)間里，將儲(chǔ)層壓力降到解吸壓力以下，使氣井盡早產(chǎn)氣;③提高采收率，降低煤層氣生產(chǎn)成本。目前國(guó)內(nèi)外形成的各種排水采氣工藝對(duì)比。

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

①抽油機(jī)在煤層氣開采中發(fā)揮了較大作用并得到了普遍使用。但在應(yīng)用中存在著操作不便利和能源消耗大的情況。為了合理利用能源和節(jié)電，很有必要對(duì)抽油機(jī)在煤層氣井生產(chǎn)前后期的操作使用制定規(guī)范化要求;②螺桿泵在防砂卡和抗磨性上有待進(jìn)一步改進(jìn)，對(duì)于電潛泵，如何突破其高成本及降低修井費(fèi)用是值得深入研究的;③排采工藝的選擇要綜合考慮多方面因素，在最小生產(chǎn)成本的條件下獲得最大經(jīng)濟(jì)效益;④國(guó)內(nèi)還沒有對(duì)煤層氣排采流程形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各煤層氣開發(fā)生產(chǎn)公司使用的排采流程結(jié)構(gòu)、功能各異，這也是排采技術(shù)下一步需要解決的問題。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

王瀟（1983- ），中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣田開發(fā)工程碩士，主要從事油氣田開發(fā)研究、技術(shù)培訓(xùn)及管理相關(guān)工作。