煤层气井排水采气技术.ppt

煤层气井排水采气技术,煤层气井排水采气技术,排采系排水采气的简称，即利用机械举升设备（主要就是用排采设备下到指定煤层进行排水采气，一般有螺杆泵、管式泵、电潜泵等），将井筒内的水举升到地面，逐步降低井底流压。随着井底流压降低，逐渐形成压降漏斗并逐步向外扩展，进而逐步降低煤层的储层压力，迫使吸附在煤基质孔隙内表面的煤层气被解吸，然后通过基质孔隙的渗流和扩散到天然裂隙，煤层气再从裂隙中渗流到井筒，从而被采出。开采过程之中会有煤粉卡泵、会出现煤桥造成气量下降、还会出现烧泵现象等等，很多。,oilzone,中间套管(技术套管),表层套管,生产套管(油层套管),一开,二开,三开,套管,煤层气井一般都是排水降压生产，即油管排水套管产气。,目录,第一章煤层气井生产特征,第二章国内外煤层气井排采设备研究第三章煤层气井排采设备分析第四章煤层气井排水采气方式优化设计,1.1煤层气的概念,煤层气又称煤层甲烷气，煤炭工业称之为煤层瓦斯，是在成煤过程中形成并赋存于煤层中的一种非常规的天然气。这种天然气大部分（70%-90%）以吸附状态赋存在煤岩基质中，少量成游离状态存在于煤的割理和其它孔隙、裂隙中，还有少许溶解在煤层水中。煤的吸附性导致煤层气成藏机制和开发技术与常规天然气截然不同。,第一章：煤层气井生产特征,1.2煤层气井的采气机理,煤层气井的生产是通过抽排煤储层中的承压水，使得煤层压力降至煤的解吸压力以下，吸附态的甲烷解吸为大量游离态甲烷，并通过扩散和流动两种不同的机制运移到井筒。,第一章：煤层气井生产特征,从煤表面解吸,通过煤基质和微孔隙扩散,通过割理系统的达西流动,1.2煤层气井的采气机理,煤层气井采气前,井中液面高度为地下水头高度,此时井筒与储层之间不存在压力差,地下水系统基本平衡,属于稳定流态；当煤层气井开始排采后,井筒中液面下降,井筒与煤储层之间形成压力差,地下水从压力高的地方流向压力低的地方,地下水就源源不断地流向井筒中,使得煤储层中的压力不断下降,并逐渐向远方扩展,最终在以井筒为中心的煤储层段形成一个地下水头压降漏斗,随着抽水的延续该压降漏斗不断扩大和加深；当煤储层的出水量和煤层气井井口产水量相平衡时,形成稳定的压力降落漏斗,降落漏斗不再继续延伸和扩大,煤储层各点压力也就不能进一步降低，解吸停止,煤层气井采气也就终止。,第一章：煤层气井生产特征,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。,1.3煤层气井的生产过程,1.3.1煤层气的产出过程根据煤层气储层流体的地下流动，可将煤层气的产出过程分为三个阶段：第一阶段：单相流阶段。随着井筒附近地层压力降低，首先只有水产出，因为压力降低较小，煤层气尚未开始解吸，井筒附近只有单相流动。,第一章：煤层气井生产特征,1.3煤层气井的生产过程,1.3.1煤层气的产出过程第二阶段：非饱和的单相流阶段。当煤储层压力进一步下降，有一定数量的煤层气从煤基质块微孔隙表面解吸，开始形成气泡，阻碍水的流动，水的相对渗透率下降，但气体不能流动。,第一章：煤层气井生产特征,1.3煤层气井的生产过程,1.3.1煤层气的产出过程第三阶段：气、水两相流阶段。随着煤储层压力进一步降低，有更多的煤层气解吸出来，并扩散到煤中裂隙系统中。此时，水中含气已经达到饱和，气泡互相连接，形成连续流动，气的相对渗透率大于零。随着储层压力下降和水饱和度降低，水的相对渗透率不断减小，气的相对渗透率逐渐增大，气产量也随之增加。在这一阶段，在煤中裂隙系统中形成气、水两相达西流动。,第一章：煤层气井生产特征,1.3煤层气井的生产过程,1.3.2煤层气井生产阶段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1520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：,第一章：煤层气井生产特征,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。,1.3煤层气井的生产过程,1.3.2煤层气井生产阶段中期稳定生产阶段：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。,第一章：煤层气井生产特征,1.3煤层气井的生产过程,1.3.2煤层气井生产阶段后期气产量下降阶段：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。,第一章：煤层气井生产特征,1.4煤层气井产量的影响因素,与煤层气开采有关的因素很多,主要有：地质因素：煤层厚度、含气量、煤的种类、煤的沉积方式和分布方式、煤层压力和解吸压力等；完井方式：不同地质条件下的煤层气井完井方式不同；渗透性能：渗透率是决定煤层气单井产量的关键因素之一；开采方式：主要是排采设备的选择。,第一章：煤层气井生产特征,1.5影响煤层气井排采效果的主要因素,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)回压造成压力波及的距离受限,降压漏斗难以有效扩展，恢复排采后需要很长时间排水,气产量才能上升到停排前的状态。（4）贾敏效应和速敏效应井底流压的影响：井底流压是反映产气量渗流压力特征的参数,制定合理的排采制度和进行精细的排采控制应该以井底流压为依据。较低的井底流压,有利于增加气的解吸速度和解吸气体量。,第一章：煤层气井生产特征,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“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,1.5影响煤层气井排采效果的主要因素,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。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。,第一章：煤层气井生产特征,(3)吐砂。对于常规压裂的直井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；(4)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。我国大多数煤层属于低含水煤层,因此抽排速度一定要按照煤层的产水潜能，进行合理排水。,1.5影响煤层气井排采效果的主要因素,1.6我国煤层气资源的主要特点,煤层气是常规天然气的接替能源之一，开发和利用我国丰富的煤层气资源将对我国的能源储备起到至关重要的作用。资源量丰富，但在分布上既分散又集中；中国陆上埋深2000m以浅的煤层气资源量广泛分布在不同的含煤盆地中，其中具有优势开发潜力的资源又相对集中在华北地区的中东部(62%)，该区既是常规气的发育盲区，又是洁净能源的消费旺区储层不均一性强烈，华北地区相对优越；,第一章：煤层气井生产特征,1.6我国煤层气资源的主要特点,高阶煤和低阶煤占主导，高阶煤可产气；中国勘探实践表明，为美国理论所否定的高阶煤区恰恰是目前最活跃的勘探区，并取得了产气突破。低阶煤煤层气资源在中国占的比例最大，但按现有的理论和技术，其开发难度也大。煤体结构破坏严重，低渗、低压、低饱和现象突出；低渗、低压、低饱和是中国煤层气藏的又一个较为显著的特征，为煤层气资源的开发带来了很大的难度。,第一章：煤层气井生产特征,目录,第一章煤层气井生产特征,第二章国内外煤层气井排采设备研究,第三章煤层气井排采技术分析第四章煤层气井排水采气方式优化设计,2.1国外研究现状,当今世界各国在煤层气开发领域，无论是从开发规模，还是从技术水平等方面来看，美国一直处于领先地位。目前为止，美国已经形成部分煤层气专用开采设备及工艺技术。如：美国常用的煤层气排采设备虽然仍以有杆设备为主，有杆泵适应性强，操作简单，性能可靠，几乎不需保养，经改造和研制后，其工作深度和排量能较好的适应煤层气井的要求，但对整机设计和选型上，提出了新的方法，在以圣胡安和黑勇士盆地为主的各煤田取得了良好的经济效益。,第二章：国内外煤层气井排采设备研究,2.1国外研究现状,1986年，美国又开始使用螺杆泵排水采气实验，不断地改进螺杆泵系统，使其发展到适合煤层气井排水所需的排量和扬程，同时可以很好地适应井液中细煤粉及气液混合体，加上投资成本和运行成本低等特点，使该设备在特殊开采要求的煤层气井中得到推广。从80年代后期，美国根据一些煤层气井的排水量大、排量变化范围较大的特点和有杆排采设备在斜井、水平井方面应用受限的现状，开始广泛使用潜油电泵，随后依据煤层气排采用的潜油电泵一般都是小排量离心泵，要求对游离气的适应性高的特点并不断地改进潜油电泵系统，提高潜油电泵应用的可靠性、适应性和经济性。,第二章：国内外煤层气井排采设备研究,2.1国外研究现状,目前，国内外煤层气排水开采的方法主要有有杆泵法、电潜泵法、螺杆泵法、气举法、水力喷射泵法、泡沫法、优选管柱法等。关于排采设备选型方面的问题，目前国外普遍采用的方法是在生产工作制度中，选择多种排采方式。例如：低产水量或后期产水较少的煤层气井选用工作制度便于调整、液面比较好控制的变速调控抽油机、数控抽油机等。产水量大供液能力强的井，前期考虑以排水为主，选择大泵来加强排水降压，通常采用螺杆泵、大直径管式泵。,第二章：国内外煤层气井排采设备研究,2.2国内研究现状,我国煤层气的地面开发始于20世纪80年代末，经过近二十年的发展，在煤层气基础理论研究、煤层气勘探开发技术等方面取得了突破性进展。但是目前对适合我国煤层地质条件的排采生产理论和排采技术设备的研究开展较少，尚没有形成可用的成果，不能满足煤层气开采实际的需要；同时，盲目采用国外传统的煤层气开发技术，应用效果不够理想。,第二章：国内外煤层气井排采设备研究,2.2国内研究现状,目前我国钻煤层气井2600多口，投入排采1000多口，以中石油、中联煤和地方矿业公司为主，大多使用的是开采常规油气时常用的抽油机、管、杆和泵设备。据统计目前各煤层气井所选用的有杆排采设备，其型号都普遍大于实际所需要的型号，存在严重的投资大、设备不配套、抽空、检泵周期短等诸多问题，严重影响了煤层气井的正常排采，直接降低了煤层气的投资效益，成为了煤层气商业化、规模开发的瓶颈。螺杆泵正在推广使用中；电潜泵还处于探索阶段，气举法还未得到应用。,第二章：国内外煤层气井排采设备研究,2.2国内研究现状,综上所述，我国各煤田排采设备的选型不能按照煤层气开采的实际需要，选择合适类型和具体型号的排采设备，使得开采效益和设备的适应性、可靠性下降。可见，开展煤层气排采设备选型的基础研究，研究适合我国煤层气自身开采实际的排采设备选型方法，指导排采设备进行系统而科学地选型，对提升煤层气的开采效益，解决煤层气开采中的关键技术问题，实现我国煤层气的商业化开采十分必要。,第二章：国内外煤层气井排采设备研究,目录,第一章煤层气井生产特征第二章国内外煤层气井排采设备研究,第三章煤层气井排采设备分析,第四章煤层气井排水采气方式优化设计,3.1煤层气排采设备的选择,煤层气排采设备及其合理选型是保障煤层气井连续稳定排采的重要因素。因此所用的排采设备必须成熟可靠、持久耐用、节能低耗、易于维修，还要有较大范围的排液能力和控制排液、系统压力的能力以及有可靠的防煤屑、煤粉危害的措施。对于给定的一口煤层气井，究竟选择何种排水采气工艺应在对气井压力、产量及产水情况进行分析的基础上，地面环境、井下状况、开采条件、维修管理等也是考虑的重要因素。此外，选择排采设备时，还需要考虑可靠性、设计难易、维护简便性等。而最终考虑因素是经济投入。,第三章：煤层气井排采设备分析,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。,排水采气要求,气井系统,气井系统,井下泵挂结构:73mm抽油管回音标管式泵尾管筛管沉砂管丝堵,井下泵挂结构,泵一般下到筛管距煤层中部深度上下420m,平均为煤层中部深度以上5.98m处。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、56mm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、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+丝堵。,气井系统地面系统,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；自动数据采集和设备自动控制系统：探头、传输电缆。CNG站的自动控制系统通过安装于井口的探头和传输电缆来采集各井的产水量和套管压力数据以及控制抽油机和电机的运行。,工艺流程：油管内排水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。,工艺流程,3.2主要排采设备的工作原理和技术特点,第三章：煤层气井排采设备分析,3.2主要排采设备的工作原理和技术特点,第三章：煤层气井排采设备分析,3.2主要排采设备的工作原理和技术特点,第三章：煤层气井排采设备分析,3.2主要排采设备的工作原理和技术特点,第三章：煤层气井排采设备分析,3.3主要排采设备的适应性,第三章：煤层气井排采设备分析,3.3主要排采设备的适应性,第三章：煤层气井排采设备分析,3.3主要排采设备的适应性,第三章：煤层气井排采设备分析,3.3主要排采设备的适应性,第三章：煤层气井排采设备分析,3.3主要排采设备的适应性,第三章：煤层气井排采设备分析,3.4煤层气排采设备的特性总结,（1）有杆泵有杆泵技术在煤层气排采中是一种非常成熟的技术。是由抽油机、抽油杆和抽油泵为主的有杆抽吸系统实现。国内外应用最为广泛的有杆泵设备是游梁式抽油机泵装置。适应性强，操作简单，性能可靠，几乎不需保养；在排采不同阶段,根据产水量变化调整泵型,并可通过调速电机调频,根据各井情况选择适当的排采强度，因此它的工作深度和排量都能适应大部分煤层气井的排液要求；适合于产水量在100m3/d以下，井斜不严重，出砂、煤粉较少的井。对于产气量极高或大量出砂的井，需要进行特殊的井下设计。,第三章：煤层气井排采设备分析,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,由一或几种直径合钢级的抽油杆和接箍组成组成：三抽为主+辅助装置,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。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,3.4煤层气排采设备的特性总结,（2）螺杆泵地面设备结构简单，占地面积小，非常适应中国各煤层区块的复杂地形；排量和扬程也较适合煤层气井的排水要求；在美国已广泛用于浅煤层气井排水采气作业。投资费用和操作费用较低；可以有效地对付煤层气井液中的固体颗粒和气体，可以很好的适应井液中的细煤粉及气液混合体；适合于中低产液量的煤层气井;主要缺点是如果后期地层供液能力不足，会发生“烧泵”现象，同时目前的技术手段还不能对螺杆泵井进行环空测试。,第三章：煤层气井排采设备分析,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,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，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。,3.4煤层气排采设备的特性总结,（3）电潜泵适应性较强，排量大，扬程高；特别适于大水量的低压产水井强排水需要，适用于井斜较大、产水量较高的排采井；根据产液变化要求进行变频调速，而且经过改进它还能较好地进行气液分离、处理固体颗粒，地层出砂对电潜泵的影响相对较小；但工作条件比较苛刻,对出砂量和气体的适应性较差，如水中煤粉含量不能大于0.02%,气液体积比不能大于0.05%等；主要缺点是成本高、修井费用大。,第三章：煤层气井排采设备分析,电潜泵排水采气工艺流程,电潜泵排水采气地面流程示意图,电潜泵地面流程,变速电泵由以下三部分组成：井下井组部分包括电机、保护器、泵、离心泵气体分离器、PHD或PSI井下传感器；中间部分包括电缆、油管、单流阀、泄流阀地面部分包括变速控制器、升降压变压器、井口装置、接线盒,变速电潜泵系统组成,3.4煤层气排采设备的特性总结,（4）气举气举地面设备少，井下管柱相对简单，但在技术上要求很高；一次性的投资高；一般将压缩煤层气作为气源用于气举，气举的最大特点是能够处理固体颗粒，不受出砂的影响，机械方面的影响和受气体的影响较小；能适应开采初期的大排量排水;受井斜的影响较小。,第三章：煤层气井排采设备分析,气举采气原理,气井停产时，油管与套管的液面处于同一高度，当开始注气时，环形空间内的液面被挤压向下，环空中的液体进入油管，油管内液面上升。在此过程中，注气压力不断升高，当环形空间内的液面下降到油管鞋时，注气压力达到最大，称为启动压力。当压缩气体从油管鞋进入油管时，使油管内的液气混合，密度降低，液面不断上升，直至喷出地面。环形空间继续进气，混合气液的密度越来越低，油管鞋处的压力急剧下降，此时井底压力和注气压力也急剧下降。当井底压力低于地层压力时，地层流体进入井底。由于底层出液使油管内的混气液密度又有增加，所以注气压力又有上升，经过一段时间后趋于稳定。此时井口的注气压力称为工作压力。,射流泵排水采气,3.5煤层气井最佳排采设备的优选方法,依据煤层气井的开采实际情况，采用参数量化综合评价法为排采设备的优选方法。其实质是用参数化、量化方法来综合评价各种排采设备的主要指标，在综合考虑煤层气井动态参数、地面环境、井下状况、开采条件、维修管理、可靠性、设计难易、维护简便性和经济性等各重要因素的基础上，优选出适合给定煤层气井的排采设备。,第三章：煤层气井排采设备分析,3.5煤层气井最佳排采设备的优选方法,煤层气排采设备的综合参数可细分为三组局部参数：第一组用来评价某种排采设备的使用条件是否满足煤层气井动态的参数，用X表示。采用两级评价系数，即X=1表示为满足，X=0表示为不满足。其计算可表示为：式中，X为评价某种排采设备使用条件的局部综合参数值；Xi为局部参数的评估值；n为局部参数X的总数，根据煤田的具体情况确定。,第三章：煤层气井排采设备分析,3.5煤层气井最佳排采设备的优选方法,第二组用来评价某种排采设备适应于该煤层气井的程度，用Y表示。采用五级评价系数，即Y=4表示为很适宜，Y=3为适宜，Y=2为较好，Y=1为一般，Y=0为不适宜。其计算可表示为：式中，Y为评价某种排采设备适应程度的局部综合参数值；Yi为局部参数的评估值。,第三章：煤层气井排采设备分析,3.5煤层气井最佳排采设备的优选方法,第三组用来评价某种排采设备的难易度、经济性等因素，用Z表示。采用三级评价系数，即Z=3表示为较好，Z=2为一般，Y=1为较差。其计算可表示为：式中，Z为评价某种排采设备有效性的局部综合参数值；Zi为局部参数的评估值。终评。评价某种排采设备的适应性需综合各局部综合参数值，其计算为：式中，V为评价某种排采设备适应性的综合参数值。,第三章：煤层气井排采设备分析,3.5煤层气井最佳排采设备的优选方法,参数综合评价法的具体用法是：按给定煤田的具体情况选定各个局部参数项，局部参数项可根据具体情况增减；依据煤层气井排采工艺和技术水平，对煤层气排采设备的主要技术经济指标进行量化，给出各局部参数的评估值；依据式(3-1)式(3-3)计算出各排采设备的使用条件、适应程度和可行性的局部综合参数值，然后带入式(3-4)计算出各排采设备适应性的综合参数值；完成最佳排采设备的优选：选出综合参数值最高的排采设备，即为首选的煤层气排采设备。,第三章：煤层气井排采设备分析,目录,第一章煤层气井生产特征第二章国内外煤层气井排采设备研究,第三章煤