煤礦區(qū)煤層氣井甲烷漏失特征及漏失量模型

米百超，呂帥鋒，王生維，3，陳永平，4，高 超

（1.山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048204；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 資源學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.煤與煤層氣共采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 晉城 048012；4.中石化西南石油工程有限公司，四川 成都 610041）

煤層氣是以甲烷為主要成分的清潔能源，煤層氣資源開(kāi)發(fā)具有煤礦安全、能源利用和環(huán)境保護(hù)3大屬性。我國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)已經(jīng)初具規(guī)模，埋深2 000 m以淺煤層氣資源量為30.05×1012m3，居世界第3 位，位于山西省的沁水盆地煤層氣開(kāi)發(fā)最為成功[1-5]。煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程包括鉆井、儲(chǔ)層改造和排水采氣等[6-8]。煤層氣中甲烷含量一般大于96.5%，其吸收紅外線(xiàn)的能力、溫室效應(yīng)和輻射效率分別是二氧化碳的26倍、22 倍和27 倍，在空氣中的平均壽命高達(dá)8 年。大氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)增加造成大氣環(huán)流減弱，不利于固體顆粒物的流動(dòng)，顯著增加了溫室效應(yīng)和城市熱島效應(yīng)。因此，甲烷逸散不僅浪費(fèi)了清潔能源，也對(duì)環(huán)境有著嚴(yán)重的破壞[9]。另外，當(dāng)空氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)達(dá)到5%～16%時(shí)，遇明火會(huì)發(fā)生爆炸；環(huán)境中甲烷體積分?jǐn)?shù)達(dá)到25%～30%時(shí)，可引起作業(yè)人員身體不適，比如頭痛、乏力、心跳加速，甚至窒息死亡[10]?？梢?jiàn)，煤層氣井場(chǎng)中甲烷漏失條件下，甲烷體積分?jǐn)?shù)達(dá)到臨界值后，對(duì)井場(chǎng)設(shè)備和人員具有潛在的安全隱患。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于天然氣運(yùn)輸管道中氣體泄漏的監(jiān)測(cè)和防控方法開(kāi)展了研究，但對(duì)于天然氣生產(chǎn)井，尤其是煤層氣排采井的甲烷逸散方式、位置、速率、逸散量等參數(shù)及其評(píng)價(jià)方法的研究甚少[10-14]。因此，揭示煤層氣排采井甲烷逸散特征、建立甲烷逸散的預(yù)測(cè)模型對(duì)制定煤層氣生產(chǎn)制度和預(yù)防甲烷泄露具有重要意義，對(duì)國(guó)家提出的力爭(zhēng)2030 年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和的生態(tài)文明建設(shè)目標(biāo)具有積極的促進(jìn)作用。為此，以沁水縣煤礦區(qū)的地面煤層氣井為研究對(duì)象，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和調(diào)查了204 口煤層氣井的甲烷漏失情況和運(yùn)行參數(shù)，根據(jù)多因素分析法[15-17]建立了適用于本區(qū)的甲烷漏失量模型，為煤層氣井制定甲烷漏失的治理措施提供依據(jù)。

1 煤層氣井甲烷漏失原理及測(cè)定方法

1.1 甲烷漏失原理

煤層氣井完鉆后，采用下入套管-固井-射孔-壓裂的方式完井。壓裂目的是在煤層中產(chǎn)生人工裂縫，提高煤儲(chǔ)層的滲透性和改善氣水流動(dòng)通道。在套管中安裝油管和排水泵，將井筒中的液體經(jīng)過(guò)油管內(nèi)排至地表。隨著井底流壓降低至煤層氣解吸壓力，吸附態(tài)煤層氣開(kāi)始解吸，并經(jīng)擴(kuò)散和滲流后沿著壓裂裂縫和射孔孔眼進(jìn)入套管，由于氣水分異作用，煤層氣進(jìn)入套管和油管之間的環(huán)空并且向低壓的井口處運(yùn)移，從而進(jìn)入輸氣管道被集輸利用。然而，在流體攜帶作用下一部分甲烷竄入油管內(nèi)，主要從地面位置的排水口直接逸散進(jìn)入大氣中。另外，由于抽油機(jī)帶動(dòng)抽油桿往復(fù)上升和下降，造成井口偏磨，密封器損傷，煤層氣也會(huì)從井口位置溢出。因此，煤層氣漏失直接原因?yàn)榈貙又屑淄闅怏w發(fā)生竄氣進(jìn)入油管，加之井口密封質(zhì)量差而發(fā)生甲烷漏失。經(jīng)過(guò)理論分析和大量現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研驗(yàn)證，煤層氣井甲烷漏點(diǎn)位置主要為井口和抽油桿環(huán)空、出水口2 個(gè)位置，極少數(shù)煤層氣井法蘭連接部位也存在甲烷漏失的現(xiàn)象。煤層氣井甲烷漏失原理示意圖如圖1。

圖1 煤層氣井甲烷漏失原理示意圖Fig.1 Methane emission principle of coalbed methane well

1.2 測(cè)定方法

研究選取的煤層氣井位于山西省沁水縣的6 個(gè)煤層氣工區(qū)，主要分布在沁河兩側(cè)。沁水縣研究區(qū)煤層氣井分布圖如圖2。

圖2 沁水縣研究區(qū)煤層氣井分布圖Fig.2 Distribution of CBM wells in Qinshui County

在煤層氣井現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定甲烷漏失參數(shù)。首先記錄煤層氣井位置、工藝流程、生產(chǎn)設(shè)備參數(shù)、產(chǎn)量、能耗等數(shù)據(jù)。利用防爆紅外熱像儀檢測(cè)氣體泄露情況，根據(jù)紅外成像情況確定測(cè)點(diǎn)泄露位置。在井場(chǎng)無(wú)風(fēng)情況下，利用手持紅外測(cè)溫儀測(cè)定漏點(diǎn)溫度，借助吸入式甲烷氣體檢測(cè)儀測(cè)試甲烷的體積分?jǐn)?shù)，利用葉輪風(fēng)速計(jì)或熱敏流量計(jì)測(cè)試氣體的流速，同時(shí)獲取測(cè)點(diǎn)的大氣壓力。甲烷漏失量計(jì)算公式如下：

式中：Q 為現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件下甲烷漏失量，m3/h；q為測(cè)點(diǎn)氣體流速，m/h；S 為漏點(diǎn)面積，m2；φ 為實(shí)測(cè)甲烷體積分?jǐn)?shù)，%。

對(duì)于排水口液體和氣體產(chǎn)出較大的煤層氣井，利用氣液分離裝置配合集氣袋測(cè)量氣體流量，然后測(cè)得甲烷體積分?jǐn)?shù)后獲取甲烷漏失量。

由于受到環(huán)境條件下的溫壓影響，且煤層氣產(chǎn)量是標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣體體積，因此根據(jù)物質(zhì)守恒將實(shí)測(cè)甲烷漏失量轉(zhuǎn)換為標(biāo)況下的漏失量，即：

式中：Q0為標(biāo)況下甲烷漏失量，m3/h；p 為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)大氣壓，kPa；T0為標(biāo)況下溫度，取273.15 K；p0為標(biāo)況下大氣壓，取101.325 kPa；T 為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)溫度，K。

聯(lián)立式（1）和式（2），可得：

在實(shí)際測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，由于抽油機(jī)等排采設(shè)備是在一定的沖次下周而復(fù)始的運(yùn)行，測(cè)點(diǎn)處的甲烷體積分?jǐn)?shù)也具有周期性變化。

煤層氣井排出水口甲烷體積分?jǐn)?shù)變化曲線(xiàn)如圖3。在甲烷檢測(cè)儀靠近測(cè)點(diǎn)后，隨著甲烷氣體被吸入儀器，儀接探觸到甲烷后體積分?jǐn)?shù)開(kāi)始上升，在25 s之后，甲烷體積分?jǐn)?shù)穩(wěn)定在20%左右并有規(guī)律地上下波動(dòng)，且波動(dòng)周期約為12 s，這個(gè)波動(dòng)周期和該井抽油機(jī)沖次（5 次/min）是一致的。當(dāng)移開(kāi)甲烷探測(cè)器之后，甲烷體積分?jǐn)?shù)又下降到0。值得注意的是，由于甲烷在空氣中擴(kuò)散較快，加上周?chē)L(fēng)速影響，距甲烷漏失點(diǎn)約0.5 m 外，基本檢測(cè)不出甲烷體積分?jǐn)?shù)，因此井場(chǎng)中因甲烷漏失引起的安全風(fēng)險(xiǎn)較小。為了甲烷體積分?jǐn)?shù)測(cè)定更加準(zhǔn)確，排除甲烷不均衡漏失帶來(lái)的誤差，在計(jì)算時(shí)將甲烷體積分?jǐn)?shù)曲線(xiàn)兩端上升段和下降段截去，取中間時(shí)間段體積分?jǐn)?shù)的平均值作為漏失甲烷體積分?jǐn)?shù)。

圖3 煤層氣井排出水口甲烷體積分?jǐn)?shù)變化曲線(xiàn)Fig.3 Variation curve of methane concentration at outlet of CBM well

2 結(jié)果及討論

2.1 甲烷漏失特征

在所調(diào)查的204 口煤層氣井中，井口甲烷漏失量在0～20 m3/d 之間，其中39%的煤層氣井井口未檢測(cè)到甲烷漏失現(xiàn)象，存在井口甲烷漏失且漏失量小于10 m3/d 的煤層氣井?dāng)?shù)為116 口，占總井?dāng)?shù)的56%，因此1/2 以上的煤層氣井存在井口甲烷漏失現(xiàn)象，但是漏失量普遍較低。不同部位甲烷漏失量的煤層氣井占比如圖4。不同甲烷漏失量與漏失率的煤層氣井?dāng)?shù)統(tǒng)計(jì)圖如圖5。

圖4 不同部位甲烷漏失量的煤層氣井占比Fig.4 Proportion of CBM wells with methane emission in different parts

圖5 不同甲烷漏失量與漏失率的煤層氣井?dāng)?shù)統(tǒng)計(jì)圖Fig.5 Statistics of CBM wells with different methane emission and emission rates

由圖4、圖5 可知，排水口甲烷漏失量在0～200 m3/d 之間，其中未檢測(cè)到甲烷漏失現(xiàn)象的井占41%，存在漏失現(xiàn)象且漏失量小于10 m3/d 的煤層氣井?dāng)?shù)為86 口，占總井?dāng)?shù)的41%，漏失量大于10 m3/d的煤層氣井?dāng)?shù)為32 口，占總井?dāng)?shù)的18%。相比之下，排水口甲烷漏失量普遍高于井口部位，且漏失井?dāng)?shù)量占比也較大?？傮w而言，無(wú)漏失、漏失量在0～10 m3/d 之間和漏失量大于10 m3/d 的煤層氣井甲分別占19%、59%和22%，值得注意的是，甲烷漏失量大于20 m3/d 的漏失部位全部位于排水口。

為了表征井場(chǎng)甲烷漏失程度，定義煤層氣井甲烷漏失率為甲烷漏失量占煤層氣產(chǎn)氣量的百分比。統(tǒng)計(jì)表明，52%的井甲烷漏失率小1%，26%的井甲烷漏失率在2%～10%之間，3%的井甲烷漏失率大于10%。平均漏失率為1.53%，對(duì)單井而言甲烷漏失率可能較小，假設(shè)煤層氣井平均產(chǎn)氣量為2 000 m3/d，那么漏失甲烷量達(dá)30 m3/d，每天漏失的甲烷足夠1個(gè)家庭使用1 個(gè)月。因此，有效控制甲烷的漏失量能夠切實(shí)提高資源利用率。

2.2 甲烷漏失的多種因素

為揭示甲烷漏失量與煤層氣生產(chǎn)參數(shù)間的關(guān)系，找出主控因素，首先進(jìn)行甲烷漏失量的單因素分析。理論上，井下甲烷氣泡越多越密集，氣泡進(jìn)入吸水口的幾率就越大，即產(chǎn)氣量高甲烷漏失量越高；煤層氣通過(guò)套管與油管環(huán)空輸送到地表，套管壓力與產(chǎn)氣量往往具有正相關(guān)關(guān)系；由于抽油機(jī)和液流舉升作用，液體排出量也直接影響甲烷漏失量。煤層氣井甲烷漏失量單因素分析圖如圖6。

事實(shí)上，從圖6 可知，所調(diào)查井的甲烷漏失量與日產(chǎn)氣量、套管壓力和日產(chǎn)氣量并沒(méi)有顯著的線(xiàn)性關(guān)系。因此，對(duì)于運(yùn)行的煤層氣排采井，甲烷漏失量是由多種因素綜合控制的，利用單因素法分析甲烷漏失量顯然存在局限性。

圖6 煤層氣井甲烷漏失量單因素分析圖Fig.6 Single factor analysis of methane emission in CBM wells

除了日產(chǎn)氣量、套管壓力、日產(chǎn)水量等因素外，泵吸水口距液面深度（埋沒(méi)度）、沖次、井底流壓等因素也會(huì)影響甲烷的漏失量。越靠近動(dòng)液面水中氣泡越多，泵吸入口距液面深度影響進(jìn)入吸水口煤層氣氣體體積；抽油泵的沖次較大時(shí)，井中液流速度加快，液體易牽引氣泡向下移動(dòng)使得氣體隨液體更容易進(jìn)入泵中；井底流壓越大，流體與外界的壓差也越大，在泵吸水口截面積不變的情況下，液體流速也會(huì)越快。

煤層氣排采過(guò)程根據(jù)煤儲(chǔ)層氣水飽和度或者流體產(chǎn)出特征一般分單相水流、氣液兩相流和單向氣流3 個(gè)階段。其中，在單相水流階段，也是排水初期，儲(chǔ)層壓力還未降至臨界解吸壓力，煤儲(chǔ)層中的吸附態(tài)煤層氣還未解吸，煤層氣井只排水并不產(chǎn)氣，或者只有及少量的游離氣產(chǎn)出，此時(shí)甲烷漏失缺少物質(zhì)來(lái)源，該階段所檢測(cè)的煤層氣井的甲烷漏失量也大多為0，實(shí)際中僅有1 口井發(fā)生甲烷漏失現(xiàn)象，可忽略不計(jì)，故該階段甲烷漏失函數(shù)關(guān)系為常數(shù)，即Q0=0。

在氣液兩相流階段，套管壓力開(kāi)始出現(xiàn)，液面穩(wěn)定下降，泵吸水口保持在液面以下，此時(shí)井底甲烷氣體以氣泡形式竄流進(jìn)入油管，該階段井底流壓為套管壓力與靜液柱壓力之和。以泵吸水口于動(dòng)液面下深度X1、井底流壓X2、沖次X3、日產(chǎn)水量X4和日產(chǎn)氣量X55 個(gè)因素為自變量，利用SPSS 軟件通過(guò)多元線(xiàn)性回歸，得出氣液兩相流階段甲烷漏失量模型：

該模型回歸方程顯著性為0.4，比單因素分析的擬合度明顯提高。函數(shù)關(guān)系中自變量X1、X2、X3、X4、X5的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)分別為-0.47、0.62、0.19、-0.14、0.19?？梢?jiàn)甲烷漏失量與井底流壓、沖次、日產(chǎn)氣量呈正相關(guān)，這3 個(gè)因素對(duì)井底甲烷氣體進(jìn)入油管上升至地面有促進(jìn)作用，其中井底流壓的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)為0.62，占得權(quán)重最大，表明井底流壓對(duì)氣液兩相流階段甲烷漏失影響最大，其次是沖次和日氣流量。抽水泵埋沒(méi)度和日產(chǎn)水量的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)分別為-0.47 和-0.14，故甲烷漏失量與這2 個(gè)因素呈負(fù)相關(guān)，泵吸水口于液面下深度越大，甲烷氣泡運(yùn)移的距離也越長(zhǎng)，故甲烷漏失速率越慢，漏失量越小。

進(jìn)入單相氣流階段后，壓降漏斗擴(kuò)大至極限，液面降低至煤儲(chǔ)層埋深位置，部分時(shí)間煤層暴露在液面之上，產(chǎn)水量極少，煤層氣主要以單相氣流形式在套壓作用下自由進(jìn)入井筒，該階段由于靜液柱壓力極小，套管壓力近似等于井底流壓。故選擇日產(chǎn)水量、沖次、日產(chǎn)氣量和套管壓力為自變量，通過(guò)多元線(xiàn)性回歸，獲取單相氣流階段甲烷漏失量模型：

Q0=3.144-0.686X1-0.288X2+0.001X3+20.433X4（5）

該模型回歸方程顯著性為0.4，函數(shù)關(guān)系中自變量X1、X2、X3、X4的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)分別為-0.21、-0.08、0.12、0.62。方程中甲烷漏失量與日產(chǎn)氣量和套管壓力呈正相關(guān)，這2 個(gè)因素對(duì)甲烷漏失有促進(jìn)效果，其中套管壓力的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)為0.62，所占權(quán)重最大，說(shuō)明該階段套壓對(duì)井底甲烷進(jìn)入油管的影響最大。甲烷漏失量與沖次、產(chǎn)水量呈負(fù)相關(guān)，盡管該階段產(chǎn)水量極少，但是井筒中的液柱在一定程度上阻止甲烷氣流上升至地面，而沖次越大，對(duì)已經(jīng)通過(guò)泵吸水口進(jìn)入油管中的甲烷氣流具有擾動(dòng)作用，反而不利于甲烷氣進(jìn)入油管運(yùn)移至地面。因此，在煤層氣井排采過(guò)程中不同階段，各運(yùn)行參數(shù)對(duì)甲烷漏失量的影響具有較大差異性。

2.3 實(shí)例驗(yàn)證

選取了5 口氣液兩相流階段的煤層氣排采井作為對(duì)照井。煤層氣井甲烷漏失量實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)計(jì)算值對(duì)比如圖7。

圖7 煤層氣井甲烷漏失量實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)計(jì)算值對(duì)比Fig.7 Comparison of measured and predicted methane emission in CBM wells

實(shí)測(cè)YZ-1 井、YZ-2 井、YZ-3 井、YZ-4 井和YZ-5 井的甲烷漏失量分別為3.05、4.48、3.75、6.88、16.37 m3/d，利用模型獲得的甲烷漏失量計(jì)算值分別為5.54、4.03、3.68、4.67、5.24 m3/d。實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)計(jì)算值相比，相對(duì)誤差為0.93%～81.96%，絕對(duì)誤差為0.07～11.13 m3/d，其中，4 口井的絕對(duì)誤差小雨2.5 m3/d。在前期調(diào)研的204 口煤層氣井中，甲烷漏失量為0～2.5 m3/d 區(qū)間的井?dāng)?shù)占比為6.37%，因此對(duì)于大多數(shù)井本預(yù)測(cè)模型具有較高的準(zhǔn)確度。

3 結(jié) 語(yǔ)

1）沁水縣煤礦區(qū)煤層氣排采過(guò)程中井場(chǎng)的甲烷漏失現(xiàn)象較為普遍，其中井口與排水口是甲烷漏失的2 個(gè)主要部位。在所調(diào)查的204 口煤層氣井中，甲烷無(wú)漏失、漏失量在0～10 m3/d 之間和漏失量大于10 m3/d 的煤層氣井甲分別占19%、59%和22%，且甲烷漏失量大于20 m3/d 的漏失部位全部位于排水口。整體上，甲烷漏失量占生產(chǎn)井產(chǎn)量的1.53%。

2）煤層氣井排采過(guò)程中，單相水流階段甲烷漏失量幾乎為0，氣液兩相流階段甲烷漏失量與與井底流壓、沖次、日產(chǎn)氣量呈正相關(guān)，與抽水泵埋沒(méi)度和日產(chǎn)水量呈負(fù)相關(guān)，其中井底流壓和泵埋沒(méi)度對(duì)甲烷漏失量的影響最大。在單相氣流階段，甲烷漏失量與日產(chǎn)氣量和套管壓力呈正相關(guān)，與沖次、日產(chǎn)水量呈負(fù)相關(guān)，其中套管壓力和日產(chǎn)水量對(duì)甲烷漏失的影響最大。

3）煤層氣井甲烷漏失不僅造成了產(chǎn)氣量的損失，降低了經(jīng)濟(jì)效益，而且增加了井場(chǎng)安全隱患，還提高了溫室效應(yīng)，不利于環(huán)境保護(hù)。根據(jù)甲烷漏失量主控因素模型，對(duì)癥下藥，采取控制壓降速率、安裝井底氣錨、減小井口抽油桿磨損、在井口和出水口安裝集氣裝置等措施，積極預(yù)防和治理甲烷漏失現(xiàn)象。