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1、煤层气排采技术煤层气排采1.煤层气生产采出特点2.排采方法3.生产井排采特征分析 力;力;力;煤层气藏具有3 3个方面的特点:一是煤层气在煤中的储集是以吸附状态附在煤的表面;二是在进行大量开采之前，必须降低平均储层压力;三是储层中一般都有水，在采气的同时，必须进行排水。由于煤层的这些特点，在从事煤层气的开采时，涉及以下几个方面(1)最大限度地降低井口压力;(2)水、气的地面分离;(3)采出气压缩到输送压力;(4)采出水的处置或处理。常规油气生产方法用于煤层气开采时，需要改动。煤层气储层与常规天然气藏的特性比较产出机理：产出各阶段特征：第一阶段:仅有压降传递,无水气流动阶段压降幅度比较小,还不足
2、以使煤层中的水产生流动,煤层气无法解吸,处于静水阶段。第二阶段:饱和水单相流阶段随着压降幅度的增大,煤层中的裂隙水开始流动,极少量游离气或溶解气在裂隙系统中将处于运移状态,此阶段以饱和水单相流为表征。第三阶段:非饱和的单相流阶段压力进一步下降,一定数量煤层气解吸出来,形成气泡,阻碍水的流动,水的相对渗透率下降，处于非饱和单相流阶段。第四阶段:气水两相流阶段储层压力进一步下降,解吸气、溶解气、游离气开始在裂隙系统中扩散，气体渗透率逐渐增大，气产量逐步增多,水产量开始下降，直至气泡相互连接,形成连续的流线,处于气-水两相流阶段,但此阶段水的相对渗透率大于气体相对渗透率。第五阶段:水气两相流阶段压力
3、进一步下降,吸附气体的大量解吸,处于以气为主的水-气两相流阶段。2排采过程煤层有越流补给(1)饱和水单相流，压力仅在煤层中传递阶段(2)饱和水单相流，压力仅在围岩中传递阶段(3)饱和水单相流，压力在围岩与煤层中共同传递(4)非饱和流阶段(5)两相流阶段 随着排采的进行，围岩中压力梯度逐渐大于煤层中的压力梯度，压力传递轨迹从煤层过渡到围岩中，压力将仅在围岩中传递，开始排采围岩中的水，此时，煤层中压力几乎不再发生变化。2排采过程煤层有越流补给随着围岩中影响半径的增加，煤层中的压力梯度小于围岩中的压力梯度，在煤层中形成很小的压降漏斗后，压力将仅在围岩中进行传递，进入第二阶段。直到煤层中的压力梯度大于
4、围岩中的压力梯度为止。排采阶段的划分煤层气井的生产排采是一个长时间排水降压采气过程，煤层气单井生产年限一般为15-20年。从煤层气井生产过程中气、水产量的变化特征。可把生产分为三个阶段早期排水降压阶段：主要产水，随着压力降到临界解吸压力以下，气体开始解吸，并从井口产出。这一阶段所需的时间取决于井点所处的构造位置、储层特征、地层含水性、排水速度等因素，持续时间可能是几天或数月。排采阶段的划分中期稳定生产阶段：随着排水的继续，产气量逐渐上升并趋于稳定，出现高峰产气，产水量则逐渐下降。该阶段持续时间的长短取决于煤层气资源丰度（主要由煤层厚度和含气量控制），以及储层的渗透性。排采阶段的划分后期气产量下
5、降阶段：当大量气体已经采出，煤基质中解吸的气体开始逐渐减少，尽管排水作业仍在继续，产气量下降，产出少量或微量水。该阶段延长的时间较长，可以在10年以上。煤层气垂直井排采过程压力传递的影响因素1煤层含水性煤层气井的生产是通过抽排煤层及相邻含水层中的地下水来降低煤储层压力，使煤层中的甲烷释放并向井口运移，排水是储层压力降低的根本途径。煤层富水性直接关系到压力降低的难易程度。富水性过强，无疑将增加排采的强度，使煤储层压力很难降低；若煤层富水性弱，则需根据围岩与煤层的连通状况及围岩的含水性而定。煤层含水性影响煤储层压力传递，但其影响程度需与其他条件综合考虑。煤层气垂直井排采过程压力传递的影响因素2煤储
6、层边界煤储层边界是指煤层的不连续界面，可以是断层，也可以是尖灭带或其他边界。它决定了在煤层气井排采影响范围内的水量，最终影响压力传递的范围。3煤储层渗透性煤储层的渗透率直接决定了孔裂隙系统中流体流动的快慢。当渗透率大时，在同样的排采时间内，流量大，若补给水的能力相同，则压力传递快；反之则亦然。煤层气垂直井排采过程压力传递的影响因素4含水层若含水层与煤储层水动力联系较强时，储层的供液能力增强，排采难度增大；若含水层与煤储层水动力联系较弱或无联系时，仅排采煤储层中的水时，压力更容易传递。（越流补给；无越流补给）5储层压力梯度储层压力梯度是煤储层压力与煤层埋深的综合反映。从某种程度上反映了地层能量的
7、大小。若储层压力梯度较大，说明地层原始能量较高，在同样的排采强度、供液能力情况下，压力更容易传递，更容易降压。求:排水采气要求煤层气排水采气要求:排液速度快，不怕井间干扰。降低井底流压，排水设备的吸液口一般都要求下到煤层以下。要求有可靠的防煤屑、煤粉危害的措施。气井系统梁式泵井下设备螺杆泵电潜泵排采系统动力系统设备地面排采流程发电机控制柜排液系统采气系统 抽油杆出水管线出气管线表层套管244.5mm气井系统井下泵挂结构:煤层套管139.7mm水泥返高油管73mm煤层泵金属绕丝筛管丝堵音标100m动液面尾管沉砂管 73mm抽油管 回音标 管式泵 尾管 筛管 沉砂管 丝堵人工井底 气井系统井下泵挂
8、结构泵一般下到筛管距煤层中部深度上下420m,抽油杆出气管线出水管线表层套管244.5mm煤层套管平均为煤层中部深度以上5.98m处。139.7mm水泥返音标100m动液面所有井煤层均全部射开。抽油机泵抽系统设备主要有：3 型抽油机、油管73mm56mm二级整体筒管式泵、73mm油管、音标、89mm金属绕丝筛管、管式泵柱塞、19mm抽油杆、煤层尾管沉砂管泵金属绕丝筛丝堵人工井 25.4mm光杆、丝堵、音标等；螺杆泵泵挂系统设备主要有：驱动头、24.5mm光杆+24.5mm抽油杆+抽油杆扶正器+转子+定子+尾管+金属筛管+沉砂管+丝堵；电潜泵泵挂系统主要设备有：变频器+入井电缆+电潜泵+筛管+丝
9、堵。井排液系统：油管出口+口+分离器+水 量 把 水 器+计 表+水 表 排气井系统地面系统单 单井采气系统：油、套环空出口 套管压力表+支管线+火 管线；放空火炬气水分离器水表安全阀水管线气管线井口和采油树 地面排采流程单井采气系统：油、套环空出口+套管压力表+支管线+火把；单井排液系统：油管出口+气、水分离器+水计量表+排水管线；工艺流程工艺流程：油管内排水的流程和油管环形空间采气流程排水流程：水分离器深井泵抽油机抽吸水油管油管头高压三通油管出口线地面排液池。排气流程：井下分离器气水混合物油管环空环大四通高压输气管线地面气水分离器集输装置或火把。排采设备简况目前国内煤层气井排采设备主要有：
10、为5：CYJYCYB-TH415.：GLB300-为24101-5001、梁式泵：（有杆泵）2、螺杆泵：3、电潜泵：（理论排量为5.963.8m3/d）泵型号：CYB 56TH4.5-1.2，泵径56 56mm（理论排量为15.250mm3/d）型号：GLB300-21（理论排量为2465m3/d ）型号：QYB101-50 500S 排采设备工作原理特点梁式泵（有杆泵）柱塞在泵筒中往复运动由泵管和柱塞组成，排水量较低、价格便宜、维护量大螺杆泵转子在定子中转动转子和定子组成，价格较贵、维护小，防砂、煤粉能力强，占地面积小电潜泵电机带动叶轮转动排量大、扬程高、占地面积小、维护小、价格较高，防砂、
11、煤粉能力强排采设备工作原理 设备类型型号理论排量3m/d优点缺点梁式泵（有杆泵）CYJY3-1.5-6.5HB5.9-63.859638泵的价格便宜维护量大,防砂、粉能力差螺杆泵GLB300-2115.2-50维护量小、防砂、煤粉能力强换泵的价格较高电潜泵QYB101QYB101-5050-500S24-65维护量小、防砂、煤粉能力强换泵的价格较高排采设备简况 排水采气方法有杆泵煤层梁式泵法螺杆泵法泵(泵(梁式泵(有杆泵)螺杆泵(地面驱动)气举水力喷射泵气排水采气的方法电潜泵法气举法水力喷射泵法泡沫法优选管柱法 泵(梁式泵(有杆泵)有杆泵排水是由抽油机、抽油杆和抽油泵为主的有杆抽吸系统实现。国
12、内外应用最为广泛的有杆泵设备是游梁式抽油机泵装置 梁式泵电动机地面部分游梁式抽油机减速箱四连杆机井下部分抽油泵中间部分抽油杆悬挂在套管内油管的下端联系地面和井下由一或几种直径和钢级的抽油杆和接箍组成组成：三抽为主 +辅助装置 由5有杆泵主要由5部分组成，包括抽油泵抽油杆地面抽油机减速箱原动机 17.丝堵1.抽油机2.光杆卡子3.悬绳器4.光杆5.盘根盒6.取样管7 7.油管头密封油管与光杆环形空间的井口动密封装置游梁式抽油机泵装置 8.套管头9 9.表层套管10.产层套管11.油管12.抽油杆13.抽油泵14.油管接箍15.筛管16.砂锚或气锚 梁式泵排水采气过程工作过程：电动机 三角皮带传动
13、 减速箱三轴二级减速构(四连杆机构(曲柄，连杆、横梁和游梁)输出的旋转运动游梁驴头的往复运动泵柱塞上下往复运动悬绳器上冲程光杆和抽油杆 上行下行带动泵筒下部吸入(固定)阀打开泵从井中吸入水 柱塞流动阀关闭 柱塞将油管液体上举到井口 抽油泵排出过程 柱塞上排出(游动)阀 下冲程吸入阀关闭游动阀 打开 柱塞下液体经排出阀向上排抽油泵吸入过程 减速箱 曲柄连杆 抽油杆 有杆泵排水采气过程工作过程：电动机三轴二级减速三角皮带传动将旋转运动变为悬绳器 带动泵柱塞上下往复运动游梁上下运动 抽油减速箱在支架的前面，缩短了游梁的长度，减小了抽油机的规格尺寸，上、下冲程时间不等，从而降低了上冲程的速度和动载荷及
14、减速箱的最大扭距和需要的电机功率。由5有杆泵主要由5部分组成，包括井下泵抽油杆地面抽油机、减速箱原动机 工作原理工作方法：将有杆深井泵下入井筒动液面以下适当深度，泵筒中的柱塞在抽油机带动下做上下往复运动而抽汲排水，达到排水采气目的。水产出通道：进入泵筒内的地层水从油管排出；气产出通道：煤层气从油管环形空间产出。有杆泵法有杆泵在各种深度和排量下都能工作，适应性强，操作简单。需要天然气发动机或电动机作动力，来带动抽油机驱动的活塞泵抽水，水由油管排出，气靠自身能量由油套环形空间排出井筒。如果气压很低，进不了集输流程，就要考虑用真空泵和压缩机来抽吸和增压输送。螺杆泵法螺杆泵是一种新型采液装置，在美国已
15、广泛用于浅煤层气井排水采气作业。螺杆泵主要工作部件是定子和转子，定子与泵外壳连成一体并接在油管的最下端，下至井内并沉没于被抽吸的井液中，当转子旋转时，即将井液和气体从油管内举升至地面。螺杆泵相对较新的泵。螺杆泵是由一根旋转杆驱动的。螺杆泵主要由地面驱动装置、抽油杆和井下泵三部分组成。地面驱动装置主要包括电动机和传动齿轮。井下的关键部件是转子和定子。螺杆泵法按驱动方法分为地面驱动和井下驱动地面驱动螺杆泵需要电动机来驱动抽液杆，从而使螺杆泵工作，将井内液体排至地面，而甲烷气由油套环形空间排出井筒。WeatherFord公司地面驱动螺杆泵示意图 油管电缆导流罩其中柔性轴、减速器保护器、减速器、电机下
16、保护器、电机、电机上保护器出口等部件均在导流罩里面。螺杆泵吸入口 Progressing Cavity PumpsThe Progressing Cavity Pump(PCP)is a positivedisplacement pump thatconsists of a single externalhelical rotor that rotatesRotoreccentrically inside a doubleinternal helical stator of thesame minor diameter&twicethe pitch length.StatorESPCP 螺杆泵
17、法螺杆泵是一种新型采液装置，在美国已广泛用于浅煤层气井排水采气作业。螺杆泵主要工作部件是定子和转子，定子与泵外壳连成一体并接在油管的最下端，下至井内并沉没于被抽吸的井液中，当转子旋转时，即将井液和气体从油管内举升至地面。螺杆泵主要工作部件是定子和转子，定子与泵外壳连成一体并接在油管的最下端，下至井内并沉没于被抽吸的井液中。转子是一单外螺旋体，截面是圆形，由高强度钢筋加工而成。定子是在一合金钢管内衬以用耐磨蚀的弹性材料模压而成的双内螺旋体。泵抽作用是通过转子在定子内的顺时针旋转产生的。当转子旋转时，在相隔 隔180度的范围内将形成一连串的空穴，把流体从泵的吸入口推向地面。转子与定子之间连续的密封
18、，使得流体能够始终以与泵的旋转速度和空穴体积成正比的速率向上运移。有杆泵有杆泵技术成熟,投资少,工艺配套技术好,维护费用相对较低。但排量不能过高,且需考虑气体的影响因素。使用有杆泵对煤层气井实施泵抽作业必须采用一种系统方法，以解决煤层气井自身存在的固有问题。对于固体颗粒问题和气体干扰问题必须同时予以考虑。用,在煤层气开采中发挥了较大作用并得到了普遍使用,但在应用中存在着操作不便利和能源消耗大的问题清理有杆泵中大量的固相颗粒，造成了停泵作业和修理，花费了大量的资金。有杆泵也不适用于斜井作业，会造成过量的磨损和抽油杆杆柱故障。螺杆泵法有一定程度的应用,但容易造成井下事故当含气量过高时，螺杆泵将损坏
19、。螺杆泵作业时要求液体应能扩散掉因转子和定子之间摩擦产生的热量。一般情况下，螺杆泵用于泵抽含有固体颗粒流体的能力要强于有杆泵，但会受到磨损，并损失容积效率（泵效）（泵的实际排量/理论排量），高压下的CO2从而导致泵的运行故障。螺杆泵的应用一般限制在浅井中。静液面：关井后，环空液面缓升到一定位置稳定下来的液面。动液面：井正常生产时，井口至油套管环形空间的液面的距离。动液面可大致判断地层能量水平、供液能力，可用来推算井底流压，进而推算目前油藏压力（无关井静压值时）油管压力 力tubing pressure简称油压。是油气从井底流到井口油嘴之前所剩余的压力。由油管压力表测得。油井生产情况的变化可反映
20、在油管压力的变化上。套管压力casing pressure简称套压。是油套管环形空间气柱顶部的压力。由装在套管闸门后面的套管压力表测得。产能释放节奏控制产能释放过程通过水平井眼实现快速降压引导渗透率改善激发解吸解吸气体通过由渗透率改善创造的通道流向低压井口启动解吸引导这个释放过程需要精细化控制两个重要条件帮助加快降压过程扩大降压范围压力管理液面与降压连续性产水量产气量套管压力引导地质过程煤粉管理及时性可控性设备维护储层维护生产连续性、及时性和可控性获得设计产量 井底压力气水两相流态井底压力计算模型随着排采的进行，当井底压力降低到煤层气临界解吸压力以下时，气体开始解产出，井口套压开始有了读数。此
21、时，井底压力由井口套压、井筒液面至井口的气柱重力和气体自液面至井口的环空间中的摩阻而构成的液面压力、井底至液面的液柱压力组成。井口套压可通过压力表直接读出pt，液面压力(pM)可用纯气井井底压力的计算方法求得，液柱压力可通过产气量相近、排水量相当，套压和液面深度有显著变化的两个稳定段井底压力相等的方法计算得 由此可得到井底压力计算公式为：响:煤层气垂直井排采伤害非连续性排采的影响煤层气井的排采生产应连续进行,使液面与地层压力持续平稳的下降。如果因关井、卡泵、修井等造成排采终止,给排采效果带来的影响表现在:（1）地层压力回升,使甲烷在煤层中被重新吸附；（2）裂隙容易被水再次充填，阻碍气流；（3）
22、贾敏效应（4）速敏效应 贾敏效应解吸产气后，发生长时间停抽，近井地带地层压力逐渐恢复，煤储层裂隙再次被水充填，使得煤层吼道处的流动空间变小，甲烷气体流动阻力增大，在吼道处发生“贾敏效应”，致使气体不能顺利通过吼道，阻止煤层气继续向井筒运移，造成供气能力不足，产气量下降。贾敏效应FZP04-2在控压产气阶段，连续发生卡泵事故，由于道路问题无法及时作业，造成近 近60天的停抽，导致储层受到严重伤害。后经过多次的激动作业，消除了部分贾敏效应，气量有所上升，单井产能已经无法完全恢复。速敏效应排采过程中，煤储层内流体流速快，地层流体携带大量煤粉,发生停抽后流体流速减小，煤粉原地沉淀，堵塞裂缝通道，产生“
23、速敏效应”。“速敏效应”使储层渗透性严重降低，其可致使多分支水平井产气、产水快速下降。FP1-1井控压阶段，最高产气量达到1.9万方，井底流压0.428MPa，还有较大上升空间。由于放气速度过快，发生连续煤粉卡泵停抽，煤灰大量沉积在渗流通道，引起了“贾敏效应”、“速敏效应”，储层遭受严重伤害，煤储层渗透率降低，产气能力大幅下降压,排采强度的影响：煤层气排采需要平稳逐级降压 抽排强度过大带来的影响有:(1)易引起煤层激动，使裂隙产生堵塞效应,降低渗透率；(2)影响泄流半径(3)吐砂(4)煤粉产出(5)裂缝闭合(6)应力敏感 影响泄流半径排采阶段，如果液面下降速率过快，井筒附近的流体就会以较高的速
24、度和较大流体压力差流向井筒，有效应力快速增加，裂缝过早闭合，煤层无法将压力传递到更远处，造成降压漏斗得不到充分扩展，泄流半径得不到有效延伸。只有井筒附近很小范围内的煤层得到了有效降压，有效排采半径变得很小，气井产气量在达到高峰后，由于气源的供应不足而急剧下降，无法长期持续生产，甚至停产.期,时,眼,吐砂在排采初期 如果在裂缝尚未完全闭合时 排采强度过大,导致井底压差过大引起支撑砂子的流动,使压裂砂返吐,影响压裂效果。煤粉产出煤粉等颗粒的产出也可能堵塞孔眼 同时出砂、煤屑及其它磨蚀性颗粒也会影响泵效,并对泵造成频繁的故障,使作业次数和费用增加。裂缝闭合水力加砂压裂目的是建立具有较高导流能力的主支
25、撑裂缝，同时使煤层中的众多微裂缝相互连通并部分支撑，在煤层中形成复杂的连通网络体系，从而达到改善煤层的裂隙系统，提高渗透性，实现增产的效果。然而煤层在上覆静岩压力和构造应力作用下有压密煤层使裂缝闭合之势，抵抗这种闭合作用的有裂缝接触点(或面)上的支撑剂支撑应力和裂隙流体压力。若排采速率过快，流体快速产出，流体压力降低，有效应力快速增加，裂缝支撑点压力增加，再加上煤的抗压强度较低，将发生支撑剂颗粒镶嵌煤层现象。闭合压力越大，镶嵌越强烈。煤体强度、闭合压力、支撑剂强度都是不可改变的；要延缓裂缝闭合时间、尽可能扩大排采降压范围，就必须严格控制、缓慢降压，尽可能在裂缝闭合之前抽采最大范围内的煤层气。这
26、也正是埋深较大的煤层气藏开发的技术壁障，是目前亟待解决的工艺难题。应力差效应岩心经压缩后，即使围压再降低到原始值，渗透率也不能完全恢复，只能恢复到原始值的25%35%，即造成75%65%的永久性损害，说明储层除弹性变形外还发生了塑性变形 FZP02-2在控压产气阶段时，放气速率大，应力急剧变化，储层遭到严重伤害，生产表现为流压、套压、产气量同步下降。排采不同阶段各物性参数变化的内在机理饱和水单相流阶段：排水是压力降低的主要方式；压降是引起煤体内部结构发生一系列变化的根本；两相流压力平稳传递阶段压力变化、孔隙度变化和产气量变化构成了此排采阶段的外循环；应力变化、气含量变化、渗透率变化构成了此排采
27、阶段的内循环。由于外循环的影响，带动了内部循环的进行。控制压力变化是控制整个系统循环进行的基础。不同排采阶段产水量动态预测模型PCQ气KP-压降；KK-渗透率；s-吸附应变C-含气量Q气-气产量s图 双循环联动模型应力变化、气含量变化和渗透率变化构成了煤层气垂直井排采的内循环。而这一切都是靠地质接口压力变化来衔接的 煤层流体动力系统模型根据煤层与上下地层水力联系强弱，将煤层与上覆及下伏地层流体动力系统模型分为3种：A型-煤层水与上下地层水无直接水动力联系;B型-煤层水与上下地层水联系密切，且上下地层含水量大，补给充足;C型-介于A型与B型之间，煤层水与上下地层水存在水力联系，但上下地层水量不大，补给弱或无补给。对于煤层气开采来说，A型最有利，在合理的工作制度下能获得较高的单井产量B型最不利，长期排水，难以获得高产C型较有利，在合理的工作制度下，经过前期长时间排水，能够获得高产。