煤层气集输.doc

单位代码:10615西南石油大学硕士学位论文论文题目:煤层气开采与集输工艺研究硕士生:肖燕导师:袁宗明(教授)学科专业:油气储运工程研究方向:油气集输工艺2007年4月摘要随着常规天然气资源的不断减少,能源需求的不断增加,特别是对环境保护要求的日趋严格,煤层气作为巨大的潜在资源在我国能源消费中的地位也逐步提高。在我国,目前对于煤层气的开采还有一定的难度,并且煤层气的集输还只是处于起步阶段,因此本文讨论了煤层的排水采气工艺以及地面钻井开采出的煤层气的集输问题,重点是集输工艺的研究。在排水采气工艺方面,对排水采气机理以及采气过程进行分析;简单介绍了几种常见采气设备的采气原理;提出了排水采气工艺连续性的临界条件的合理的计算方法;为了取得最佳的排水采气量,提出了井筒液面的计算方法;提出了气井的防砂工艺、工艺参数设计方法以及相应的计算框图。在集输方面,只考虑井场到集气站的工艺,重点研究气体的集输。井场不设置节流阀,考虑将气液分离装置布置在井场,且采用两个分离器,并在分离器出口的气管线和水管线分别布置一个除杂设施;将压气站、脱水站合并到集气站进行气体的预处理,考虑到脱水的经济性,将增压站布置在脱水站的前面;对于含氧量超标的煤层气考虑脱氧操作;建立了集气站位置确定模型,并对简化模型进行求解;对于采气管线沿途凝析水的收集考虑在采气管线上安装凝析水收集装置或者在压缩机入口处设置专门的气液分离器;最后提出了不同水质的采出水的处理工艺。在集输设备选择方面,通过多种设备的比较对采出气分离、采出水分离、采气管线上的凝析水收集装置、增压装置及增压装置前的凝析水收集装置、脱水系统设备以及气管线、水管线、压缩机前的固相杂质控制设备进行了选择并列出设计参数的计算方法和相应的计算框图;提出了适合地面钻井开采出的煤层气的脱氧工艺;对压缩装置中水的凝析情况进行了预测,根据工程热力学方法和实际气体状态方程对析水量的计算公式进行了推导;经过比较,推荐出集输系统中气体和水的计量装置。最后,应用本文提出的煤层气集输工艺,通过Hysys软件和Matlab编程以及Exoel拟和等对一组四口井的煤层气田进行工艺计算、设备选型等,并作出了井口到集气站的流程图。本文对煤层气这种低压、含水量大以及杂质多的气体的集输工艺进行了系统的研究,研究结果对于现场作业具有一定的指导意义和参考价值。关键词:排水采气集输工艺集输设备固相控制采出水处理AbstraCtWiththedeereaseofnormalnaturalgassoureeandtheeonstantinereaseofenergydemand,esPeeiallytherigorousdemandtoenvironmenialProteetion,CBMPlaysanmoreandmoreimPo比川troleinenergyeonsumPtionashugeandPotentialresourees.TheCBMexPloitationinoureoUntryhassomediffieultyandthegatheringteehnologyforCBM15onlyatthePrimarystage,therefore,thePaPerhasdiseussedthedrainageteehnologyandgatheringteelinologyofCBMexPloitedbysurfacewelldrilling,andfocusedongatheringteehaology.Onwaterdrainageteehnology,thePaPerhasanalysedthemeehanismandgasProeess;introducedthegastheoryofgasaPParatus;raisedtheeritiealeonditionofwaterdrainageandliquidlevelealculationofwellbore;thePaPeralseraisedthesandeontroltechnologyandPar田刀eterealeulation.Ongasgathering,thePaPerhasconsideredtoloeatethesegregating画tinwellfield叨deonsideredtotwoseParator,oneforProducedgas,theotherforProdueedwater;incorporatedboosterstationanddehydratingstationintogatheringstation,andloeatedtheboosterstationbeforedehydratingstationineonsiderationWithconunereialeffieieneyofde衍dration;eonsidereddeoxidizationProcesswhentheoxygeneonteni15morethanl%.ThePaPerhasbuiltuPloeationmodelofgatheringstationandraisedtheresolutionProeedure:eonsideredtoinstalleondensedliquideollectoronthewayoffiowline;raisedeontrolwaytosolideontaminant,ineludinggaswell,娜line,waterlineandinletPortofeomPressor.ThePaPeralsoresearchedtheProdueedwatertreatmentbythewayofeonsultingagreatquantityofdoetunentsathomeandabroad.OngatheringequiPment,thePaPerhasehoosedProdueedgasandProdueedwaterseParator,boosterequiPmentanddehydrationequiPment;raisedfeasibledeoxidizationProeess,andealeulationProeedureofcondensedliquidCollector;summeduPmeteringPractieeofProducedgasandProducedwaterinsinglewellorsinglelayerFinaily,thePaPerhaseonductedealculationandequiPmeniseleetiontoafour-welleoalbedmethanefieldbythewayofHysys,MatlabandExcel.Atlast,draweduPProeessflowdiagr田肛fromwellheadtogatheringstation.仆15耐elehasresearehedonthegatheringteehnologyofCBM,thefindingshavecertainguidingandrefereneevalueforthefieldoPeration.Keywords:waterdrainage,gatheringteelmology,gatheringequiPmeni,solideoniarnin呱eontrol,Produeedwatertreatment目录绪论1.1研究目的和意义.,1.2国内外煤层气集输工艺现状.1.2.1美国煤层气集输工艺1.2.2国内煤层气集输工艺现状二1.3本文的研究思路和目标.1.4本文的主要工作.2煤层气的开采工艺.2.1煤层气与常规天然气比较.2.2煤层气采气过程分析.,.92.2.1煤层气采气机理.92.2.2排水采气过程分析.102.3煤层气排采工艺参数控制.112.3.1排水采气设备.n2.3.2连续排液临界参数的确定.132.3.3井筒液面深度确定.142.4气井的防砂技术,.142.4.1防砂工艺选择.142.4.2防砂工艺参数设计.巧2.5本章小结.,.183煤层气的集输工艺研究.193.1井场工艺系统.,.193.1.1常规天然气井场工艺特点.193.1.2煤层气井场工艺.193.2煤层气集输系统.213.2.1煤层气集输系统及比较.223.2.2集气站位置确定.233.2.3采气管线管径的确定.,.253.3集气站工艺设计.263.3.1煤层气集气站工艺.273.3.2工艺方案比较.283.4本章小结.284主要工艺设备及工艺计算.304.1分离单元设备选取.304.1.1采出气分离单元.304.1.2采出水分离单元.314.2集输管线工艺.344.2.1管线设计.344.2.2凝析水收集工艺.354.2.3气管线中固相杂质控制.384.2.4水管线中固相杂质控制.414.3脱氧方法选择.424.4增压单元工艺.434.4.1增压设备选择.434.4.2压缩机入口气体的净化.454.4.3水凝析情况预测及对压缩机影响的控制.484.5脱水设备选取及主要工艺参数设计.524.5.1脱水设备选取.524.5.2脱水工艺计算.524.6水合物的预测及抑制方法.554.7地面计量方法选择.554.7.1气计量方法选择.564.7.2水计量方法选择.564.8采出水处理工艺.574.9本章小结.595某煤层气田集输设计实例.615.1基础数据.615.2集输设计.615.2.1集输设计思路.615.2.2集输设计过程.626结论及建议.70致谢.、.72参考文献.73附录A.76第一章绪论1绪论1.1研究目的和意义煤层气是煤在生成过程中的一种伴生产物,是自生自储式的非常规天然气。目前世界上有74个国家蕴藏着煤炭资源,同时也赋存着煤层气资源。根据国际能源机构(IEA)估计,全球煤层气资源总量可达260万亿立方米,俄罗斯、加拿大、中国、美国和澳大利亚煤层气产量均超过10万亿立方米。其中独联体17x10Zm,加拿大(5.6676.4)x10,m3,中国(3035)x10丫,美国11.35x10,m。澳大利亚(8.514.16)x10,ms,德国和波兰均为2.sx1o丫。采用不同方法开采、抽放的煤层气甲烷含量有很大差别。当前我国煤层气的开发技术主要有3种,即地面钻井开采、井下抽放以及废气矿井开采。地面开采,通过压裂、排水等工艺,直接从原生煤层中采得的煤层气CH;浓度高,可达95%以上,基本不含或少含重烃和硫,这种煤层气可通过少量的处理,直接输入天然气管道使用;井下钻孔抽放出的气体主要含有CH;、COZ、NZ,还有少量的HZS、HZ、S仇及其他碳氢化合物和稀有气体,由于受开采的影响,抽出的煤层气CH;浓度高的有50%60%,一般为30%一40%,差的只有20%甚至更低。另外,由于采掘松动直接散逸到工作面或巷道中,随矿井通风气流从井口排出的煤层气则含量更微,按安全规程规定,最大也不能超过0.5%。表1.1为不同地区地面钻井开采出的煤层气组分数据。表1.1地面钻井开采煤层气组分数据气气样地点点层层深度,mmm气体组分,%.煤阶阶位位位位位位位位位位位位位位位位位位位位位位位位位位CCCCCCCCC比比C:C。C氏氏从从022222江江西丰城曲试1井井P:9600096.62220.08880.58881.51111.2111焦煤煤河河北大城大参1井井P-120512711197.9444440.23330.9990.9333焦煤煤美美国沃里尔盆地地C333218022511196.05550.0111113.448880.00222气一一焦焦焦焦焦焦焦焦焦焦煤煤煤矿中煤层气的存在,引发了无数次的矿井灾难。早期人们往往是在煤炭开采前或过程中,投入大量的资金、人力和物力,进行井下抽放收集这种气体并就将其排放到空中。这种作法虽然在保障矿区安全方面产生了良好的效果,但同时造成了环境污染,主要表现在:以原子为基准,甲烷的加热效应是COZ的2530倍,以重量为基准则达70倍,是造成温室效应的3种主要气体之一;甲烷对臭氧层的破坏能力是二氧化碳的7倍,严重削弱了臭氧层对太阳紫外线侵袭的防护作用,危害人类健康。另外,煤层气同时又是一种利用价值很高的天然能源,将其排放到空气中是一种极大的浪费。,/、第一章绪论对煤层气的开发利用有着其特殊的意义,主要体现在以下几个方面:在热值上,煤层气与常规天然气相当,发热量在8000大卡/才以上,每100Oms煤层气相当于1t石油或1.25t标准煤;地面开采出的煤层气中95%以上是甲烷,基本不含硫,对各种设备腐蚀小,燃烧产生污染物少,是一种清洁的气体,同时减少甲烷排放,可有效缓解温室效应;开发利用煤层气可以从根本上防止煤矿瓦斯事故,改善煤矿安全生产,提高经济效益,同时改善我国的能源结构,增加洁净气体能源,拉动相关产业的发展。随着常规天然气资源的不断减少,能源需求的不断增加,特别是对环境保护要求的日趋严格,煤层气作为巨大的潜在资源在能源消费中的地位也逐步提高。在过去的十余年里,美国人凭借雄厚的技术力量和良好的自然条件,在一系列政策、法规的保障下,对煤层气资源进行了有效的开发和利用,取得了显著的经济效益,现已形成了一种新的能源产业。美国在研究、勘探、开发利用煤层气方面处于世界领先地位,到2002年底,全美煤层气生产井达14200余口,年产量达410xl0丫,比我国常规天然气产量还高,是煤层气商业化开发最成功的国家,它的煤层气技术基本代表了国外煤层气技术的水平。我国也是一个煤炭生产大国,是继俄罗斯、加拿大之后的第三大储量国。我国煤层气埋深适于开发的资源比例大。据统计,埋藏于300IOO0m之间的资源量约占总量的29.05%;10001500m之间的占总量的31.6%;1500m2000m的占总量的39.35%。同时煤层气资源在我国境内分布广泛,地理位置又相对集中,基本可以划分为中部、西部和东部三大资源区。中部地区煤层气资源量约占全国资源量的64%;其次是西部地区,以沁水盆地和鄂尔多斯盆地资源量最大,超过10万亿扩,为集中开发提供了资源条件。加快这些地区煤层气资源的勘探开发,将是对“西气东输工程”气源的补充,另外,西气东输以及陕京两条输气管线经过多个煤层气富集区,也为勘探开发煤层气创造了管网条件,有利于煤层气的销售以及形成系统的产业环境。同时,在美国煤层气田的大规模成功开发的条件下,通过引进、消化、吸收美国成功经验,为我国实现煤层气的商业化开发提供了良好的渠道,因此,我们应该充分利用这些有力条件,加快步伐推动和促进我国煤层气产业的形成和发展。我国的煤矿井下抽放己有数十年的历史,相关的技术和经验已经比较成熟,处于世界领先水平,但是,由于抽放出的气体气质条件不好、甲烷含量比较低,通常只用于周边地区工厂发电等,不能形成商业化生产。而废弃矿井开采要受资源量的限制,也难以形成产业化、规模化。地面钻井,通过排水工艺开采煤层气,产气量大、资源回收率高、机动性强,可形成规模效益。因此,地面钻井,通过排水工艺开采煤层气是实现煤层气商业化生产的一个很好的途径。目前,煤层气井一般采用油管排水,套管采气的方法开采煤层气。生产时,通过抽排煤层中的承压水,降低煤层压力,使煤层中吸附的甲烷气释放出来。对煤层抽水降压是煤层气生产的手段,也是人们目前唯一可以采用的比较经济的方法。能否抽出第一章绪论地层中的承压水以及怎样调整排水措施,以有效降低煤层压力是煤层气生产的关键。因此,有必要对煤层气的排水采气工艺以及采气工艺参数进行研究,以作出正确的决策并使煤层气最大限度地解析出来,达到商业化生产的目的。另外,煤层气的产业化开发还要配置相应的地面设施,统筹考虑煤层气资源与市场的配置,通过地面集输系统把资源和市场联系起来。粗略估计,煤层气地面生产系统的投资要占整个气田投资的一半以上,因而煤层气集输的工艺和设备是煤层气成功开发的关键之一。由于专业的限制,本文没有研究煤层气的地面钻井技术,只讨论排水采气工艺、采气工艺参数设计以及对地面钻井开采出的气体进行集输技术研究,重点是集输工艺的研究。1.2国内外煤层气集输工艺现状1.2.1美国煤层气集输工艺在美国,有9既以上煤层气产量是从圣胡安和黑勇士两个煤田生产的,这两个煤田的煤层气集输技术已经相当成熟。(1)、黑勇士盆地集输工艺图1.1是美国黑勇士盆地煤层气开采典型的地面流程:兰兰过全全-一一一一美国黑勇士盆地煤层气开采地面流程日11翻1一泵支架:2一针形阀;3一水流管线;4一阀;5一涟网;6一气体流动管线;7一滴水器:8一气体分离箱;9-过滤器;10一气体流t计:11一出水管;12一火焰消除器:13一火炬装里;14一绷绳支架:15一输气管黑勇士盆地一般采用低压分离装置。煤层气井产出水的温度一般在2025,但在冬季,由于较冷,易出现冰冻,因此所有的地面管线和分离器都采取加热和保温措施。在黑勇士盆地最常用的分离器有常规两相分离器,常用的第二类分离器是游离水第一章绪论脱除器,它是一种体积相对较小的分离器,内设游离脱除挡板。主要用于来自生产套管的水流的游离水脱除,效率高,但水中的溶解气无法俘获。第三类分离器是一种管线蒸汽分离器。这种分离器是一种离心式分离器,可有效地脱除蒸汽和凝析油,但不适用于脱除大量的游离水和天然气中的固相。这种分离器用作二次分离十分有效,通常安装在两相分离器之后,用作辅助分离器,可产生最佳效果。(2)、圣胡安盆地集输工艺圣胡安盆地井场工艺圣胡安盆地井场工艺流程见图1.2l。丁习一井口分分分分分分分分分分离离离离离离离离离器器器器器器器器器器图1.2圣胡安盆地井场工艺流程该地区使用的分离器是立式分离器,名义操作压力为3Opsig到15Opsig(即310到1140kPa)。分离器内部的进口采用旋风式进口,即使通过的流体转向产生离心力来提高气体、水和煤粉等机械杂质的分离效果。分离器外部装备有一个水套,用自然通风体燃烧器来加热以免在冬天进行操作时水结冰。水接受装置包括两个容量为300桶(48时)的加热的、衬套的钢罐,相邻的是一个容量为100桶的玻璃纤维污水坑,它是作紧急用以及接收从罐底部脱除的煤细粒。当水处理系统发生紊乱时,两个罐还可以就地作储存用,以便继续生产。罐装备有气体覆盖系统避免氏进入。在罐和污水坑周围还设有土制的排水道。集输系统美国整装开发的煤层气田大都采用中心压缩系统,即利用井口压力,通过合适口径的管线,将天然气集中到集气压缩中心站。这种煤层气集输类型在美国天然气研究所的RockCreek气田及阿拉巴马州的一些气田中得到成功的应用。圣胡安盆地集气站工艺圣胡安盆地集气曳举艺流程见图13tllo在压缩装置中,气体分为三个阶段进行压缩,从集输系统终端压力3Opsig到550psig的销售气体压力,同时,压缩机也要压缩气体到750Psig以当气井枯竭期时作举升气体用。机组安装在机房以免压缩机组受天气影响,使用催化的空间对流加热器来对压缩机组进行防冻保护。脱水装置采用的是注三甘醇工艺,吸收塔采用板式塔,脱水装置的残留物送到三甘醇再生装置。第一章绪论脱脱脱脱脱脱脱脱脱脱压压缩装置置置水水塔塔塔塔塔/111j.水槽槽图1.3圣胡安盆地集气站工艺流程储水罐为500桶的加热的储罐。水管线上安装有25微米和10微米的过滤器。输水泵能为水注入到水处理井中提供350Opsig的压力。9个处理站仅装备有6口水处理井。、因为井的花费大以及每口井能处理不止一个地区的采出水,所以井的数量比处理站的数量少。出水量少的地区的采出水运送到有水处理井的处理站,低压水的输送是通过连接到相邻区域的集水干线来实现。每个集中处理站都安装有天然气发动机驱动的发电机组,它主要用作建筑和本地的照明,保证小泵的运行。这些发电机组对于集中处理站的连续运行不是必要的,只有需要的时候才使用。1.2.2国内煤层气集输工艺现状由于煤层气的地面钻井开采技术由于还不是很成熟,没有形成商业化产气,相应的对地面钻井开采出的煤层气集输工艺的研究也很少。2006年6月初,长庆科技工程公司根据山西樊庄区块煤层气的具体情况,按照“降低成本、简化优化工艺、控制工程投资”的思路,通过深入研究和管网模拟优化设计,总结出了“低压集气、多井单管串接、燃气驱动增压、集中处理”等适合煤层气开发的地面工艺技术。形成了从井口一采气管网一集气站一气体处理一外输的一整套地面工艺技术。这些技术在与中石油勘探开发研究院廊坊分院、华北油田煤层气分公司、采油院等单位合作,并对主体技术进行集成优化后,有效地降低了煤层气的开发成本,为煤层气规模化开发奠定了良好基础。第一章绪论1.3本文的研究思路和目标包括两个方面的内容。(l)、开采工艺:讨论采气工艺临界流速、临界流量、液面深度的确定,以正确的指导生产,为取得最佳的排水采气量提供理论基础。为了减少采气过程中出现的煤粉等杂质进入到地面系统,考虑从气井开始控制固相杂质,选取恰当的气井防砂工艺。(2)、集输工艺:鉴于煤层气井间距小,本文考虑通过对集气站的合理布置以及采气管线管径的选择,采用卫星压缩系统对煤层气集输工艺进行研究。由于经过预处理后,净化厂的工艺同常规天然气是一样的,因此本文仅对井口到集气站的集输工艺进行研究。针对煤层气CH;含量高、含大量水、固相杂质多以及低压的特点,在对常规天然气的集输工艺分析比较的基础上,从除水、除杂、增压三个方面进行考虑,推荐出合理的煤层气井场、集气站工艺。对工艺中的设备的作用以及使用条件进行分析、选择并作出相应的参数计算框图以方便求解。最后,举一个具体的实例,按照前面推荐的集输工艺,借助Hysys专业软件、Matlab编程以及Exoel拟和,对水合物、井场工艺、压缩机以及脱水系统等进行模拟计算、选型,最后提出一套适合实例的具体的煤层气集输工艺并作出工艺流程图。通过对上述两方面的研究,提出一套具体的集输工艺,给现场作业提供一定的指导和参考。1.4本文的主要工作简单讨论煤层气的排水采气工艺参数的设计,重点在集输工艺的研究。(1)、对于地面排水采气工艺:为保证排水采气的连续性,本文对排水采气工艺的临界流速和临界流量确定的方法进行讨论;根据相似性原理对采用回声仪得到的曲线进行处理,得到液面深度的计算方法;对气井的防砂技术进行选择,推荐出适合的防砂技术,并提出关键参数的计算方法以及相应的计算框图。(2)、对于煤层气的地面集输,本文只考虑井口到集气站的工艺。针对地面开采出的煤层气低压、含大量水、杂质多的特点,本文在与常规天然气集输工艺比较的基础上,分别推荐出井场工艺、集输系统以及集气站工艺。、建立确定集气站位置的简化模型、提出求解方法、求解步骤并作出计算框图,在实例部分,通过Matlab编程确定集气站的位置。(4)、对集输工艺中用到的分离器(采出气分离、采出水分离)、采气管线上的凝析水收集器、气水管线固相杂质的控制设施、压缩机、压缩机前气体的除水、除杂净第一章绪论化设备、脱水装置以及计量装置等设备进行选取,列出关键参数的计算方法及相应的计算框图。(5)、对压缩机布置在脱水装置前时饱和水汽对压缩机运行的影响进行讨论,包括:对压缩装置中水的凝析情况进行预测、利用工程热力学理论和实际气体状态方程推导出物理意义更明确的析水量的计算公式,并针对凝析水对压缩机的不良影响,提出解决方法。(6)、推荐出适合本文所研究的CH;含量高的煤层气的脱氧工艺;针对采出水不同的水质情况,提出煤层气采出水的处理利用工艺。(7)、学习Hysys软件在集输工艺模拟方面的应用,同时借助Matlab编程以及Excel拟和,应用文中推荐的集输工艺,对某煤层气田进行集输设计。通过计算、模拟结果,提出适合实例的具体的集输工艺并作出集输工艺流程图。第二章煤层气地面开采工艺2煤层气的开采工艺2.1煤层气与常规天然气比较(1)、相同点煤层气主要由95%以上的甲烷组成,另外5%的气体一般是CO:或氮气。而天然气成分也主要是甲烷,其余的成分变化较大。两种气体均是优质能源和化工原料,可以混输混用。(2)、不同点二者的不同点列表:表2.1常规气藏与煤层气藏的对比常常常规气藏藏煤层气储层层埋埋深深有深有浅,一般大于1500米米一般小于1500米米资资源量计算算不可靠靠较可靠靠勘勘探开发开发模式式滚动勘探开发或先勘探后开开滚动勘探开发发发发发发发储储气方式式圈闭,游离气气分子团形式吸附于煤系地层中(大部分)气气成分分烃类气体,主要是clC。95%以上是甲烷,基本不含重烃、无机杂杂质质质质质储储层孔隙结构构多为单孔隙结构,双孔隙结构,微孔和裂隙发育育渗渗透性性渗透率较高,对应力不敏感感渗透率较低,对应力敏感感开开采范围围在圈闭范围内内大面积连片开采采井井距距大,可采用单井,一般用少少小,必须采用井网,并的数量较多多量量量生产井开采采采储储层压力力超压或常压压欠压或常压压产产出机理理气体在自然压力下向井筒渗渗需要排水降压,气体在压力下降后解吸,流流流,井口压力大大在微孔中扩散,然后经裂隙渗流到井筒筒产产量曲线线初期产量高,生产周期一般般初期产量低,但生产周期长,可达20一3000在在在8年左右右年年增增产措施施一般不需要要一定需要要地地面影响区域域120mX120mmm小小井井间干扰的影响响有害害有利利钻钻井及生产工艺艺较简单单较复杂,需要人工提升排水采气。第二章煤层气地面开采工艺2.2煤层气采气过程分析2.2.1煤层气采气机理赋存于煤层中的天然气有三种状态,即游离状态、吸附状态和溶解状态。煤层中绝大部分裂缝空间被水饱和,因此很少有或没有游离气,大多数吸附在煤的表面。煤层气吸附在煤颗粒内表面,吸附的动力在于煤颗粒本身对甲烷分子的吸引力和外部静水压力等对这一吸引力的强化作用。每个煤层都能在一定的压力下吸附一定量的甲烷典型的煤在不同压力下的吸附曲线如图2.1示。_一终异竺几吸/云附I/竺气,/量l/储集层压力力压.,吸解图2.1煤在不同压力下吸附甲烷的典型曲线煤层气解吸压力就是这样一种压力,煤岩储层压力压力低于这个压力吸附甲烷解吸为游离甲烷。如果大于甲烷的解吸压力,要使甲烷解吸就须将储集层压力减小到解吸压力以下。煤层水处于一定封闭条件下的煤层,煤层水压力的高低就直接体现了煤岩储集层压力的高低。因此,煤层水是通过其与临界解吸压力的相互关系而对煤层气的产出产生影响的压力,同时储层水饱和程度的降低还可以增加气体的相对渗透率,加速气体的产出。甲烷解吸压力越是接近静态储集层压力,甲烷解吸与生产所需要的脱水量就越少,解吸压力越高产气所需要的水位下降越小,产气的范围就越大。因为煤层气主要是以吸附态存在的,所以煤层气产出的全过程都需要进行排水作业,气体产量则由小至大,再由大至小,这是与常规天然气产出的最大区别。煤层气产出过程中,气与水的产量变化见图2.2示。产t一_色-时间图2.2气水产t变化情况第二章煤层气地面开采工艺2.2.2排水采气过程分析从上述分析可以看出,煤层气井的采气可以看作是对承压含水层的抽水过程。根据地下水的流态和压力降落漏斗随时间延续的发展趋势,将煤层气生产分为单井排采和井群排采。只有井群排采才能实现煤层气的商业化开采,但是单井过程的分析对群井开采具有很重要的理论意义,是群井开采过程分析的基础。(1)、单井采气过程分析在煤层气单井排水采气过程中,随着抽水时间的延续,压降漏斗不断扩展,并逐渐稳定。假设煤储层无越流补给且水平无限延伸(附近无补给边界或给水边界),可将排水降压的过程分为初期定流量排水与定降深排水两个阶段。、初期定流量排水煤层气井排采初期,排出的水量由泵的排量确定,当抽出的水量一定时,井筒中的动液面不断下降。根据Theis公式(无补给承压水完整井定流量非稳定流计算公式),抽水井影响范围内任一点任一时刻的水位降S为:s=业w(u、47t(2.1)式中:r计算点到煤层气井的距离;p储水系数;T导水系数,表示水力坡度等于1时,通过整个含水层厚度上的单宽流量;t抽水时间;wu=卜(2.2)式中(2.3)一解Q一一Qes一一煤层气井的产水量。在定流量排水阶段,在煤层气并影响范围内的任一点,随着t的延续,该点降深S不断加大,但加大的速度不断降低。也就是说,在这个阶段,煤储层压力降落漏斗的变化逐渐增大,但增大的速度逐渐变缓。煤层气井井口表现为产水量稳定,产气量逐渐增加。、定降深排水阶段煤层气井采气时井中的液面是不能无限下降的,当液面降低到接近抽排煤储层时,降深就无法继续,煤层气井进入定降深采气阶段。Q=2二巩G(义)(2.4)式中:5.煤层气井液面降深;G(入)定降深井流的流量函数,随抽水时间延长,人增大,G(人)减小;第二章煤层气地面里塑乡(2.5)几wZ尸r.,一一煤层气井半径。此阶段井口产水量逐渐降低,层甲烷释放速度缓慢,气产量小,(2)、群井采气过程分析产气量由于降落漏斗的缓慢发展仍在继续,但煤储且逐渐降低。,这是因为形成的压力降落漏斗延伸有限,距率拙曰一目方不万、/曰寸、一”一一离小且只在近井地带形成较大的压力降低。只有形成一定规模的煤层气井群,通过气井之间的井间干扰作用,才能获得稳定高产的工业性气流,较大地提高煤层气井的单井平均产气量和总产气量。这是因为,在承压含水层中,地下水的流动方程是线性的,可以直接运用叠加原理,即当两口井的降落漏斗随抽水的延续不断扩展至两个压力降落漏斗相互交接、重叠时,重叠处的压力降等于两个降落漏斗所形成的压力降之和。对于n口井同时抽水,则影响范围内i点的压力降S,为:(2.6)由上式看出,群井采气单位时间内的压力下降幅度相对于单井来说更大,煤储层甲烷的解吸速度快,井口表现为一定时间内产出的甲烷气量多。随着抽水时间的延续,当两个降落漏斗相接时,压力降落漏斗不再在水平方向上扩大,而是在垂直方向上加深,最终使得两井间的煤储层压力可以降低到很低的程度,这将使得两井间范围内的煤储层中的大部分甲烷气都解吸出来,使煤层气井的总产气量增加很多。井组规模越大,井组数越多,排采效果越好,但并不是越大越好。田永东等人通过实验证明16J,当井数为5070时,曲线的曲率处于相对较大的部分,低于此规模的煤层气井组的排采效果急剧降低,高于此规模的煤层气井组的排采效果提高较慢。2.3煤层气排采工艺参数控制2.3.1排水采气设备由于”层压“氏,“层”井一”需要“工赞少塑缨篮霎鬓粱常在翼函箭薪茱俞以下打一个“的挤尸赞覃任塑口资气皇翼嚣翼馨京漏巍石前o-这种井身结构除了减蝉暨屯几勇乎夕卜还犷”果”倒甲器茹摹漏;一蔽了杂质进入排放设备壑哗色竺竺;*。、二、,。、q”一召箭蘸袱土举升的方法很多。选用竺要考事多鳄灸罗二氛瑟鹭纂压力了器昼、“从量等。煤层气井的产水量变化大,早期会产出大量的芯仕厄厂第二章煤层气地面开采工艺水量相对减少,甚至很小,所选用的排水采气方法应兼顾前后期变化,适用范围较大;同时必须保证在尽可能短的时间里,将储层压力降到解吸压力以下,使气井尽早产气;另外,还要能提高采收率,降低煤层气生产成本。采用哪种排水方式更经济有效,还没有具体的确定方法。目前国内外应用得最多的是有杆泵和螺杆泵,电潜泵也有一定的应用。(1)、螺杆泵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水中,当转子旋转时,即将水和气体从油管内举升至地面。螺杆泵在美国黑勇士盆地的许多气田得到广泛的应用,在圣胡安盆地的许多井中也进行了现场试验。使用经验表明,在正常工作条件下,螺杆泵并不比有杆泵差而且地面系统占地面积小,可在较宽的转速范围内工作,适应不同排量,安装成本也低于有杆泵。但螺杆泵在空抽情况下工作易造成干磨而烧坏。一旦泵体受到过度磨损,就有可能需要更换整个井下装置。螺杆泵要求井筒水含细煤粒不大于10%且井深不大于1SO0m,因此,深井、煤粉沉淀严重的气井一般不用这种方法,以免螺杆断裂。(2)、有杆泵有杆泵排水采气过程是:电动机通过三角皮带传动,带动减速箱减速后由曲柄、连杆、横梁和游梁等四连杆机构把减速箱输出的旋转运动变为游梁驴头的往复运动,驴头再带动光杆和抽油杆作上下往复运动,再将这个运动传给井下抽油泵的柱塞,抽油泵的下部装有吸入阀,柱塞上装有排出阀,当抽油杆上行时,吸入阀打开而排出阀关闭,泵从井中吸水,柱塞将油管中的水举到井口;当抽油杆下行时,吸入阀关闭而排出阀打开,柱塞下面的水通过排出阀向上排泄。有杆泵的机械效率正常情况可达50%80%,电和天然气均可作动力。有杆泵的主要优点就是能够提供比气举小10%到15%的井底生产压力且驱动可以用气体,但从资金和操作角度来讲比较贵。另外,因为煤粉等杂质的存在,有杆泵常常被堵塞,需要通过频繁的修井来解决,而且降低了煤层气的产量,因此操作费用相比气举来说高很多。有杆泵排水系统在圣胡安盆地和黑勇士盆地得到较广泛的应用。检泵周期取决于所泵出的水量和井的生产时间。通常情况下,当抽油杆出现故障、泵出现磨损时,就需要修井更换。一般来说,一口井刚投入运行时,往往需要多次修井,但运行12年以后,修井的次数就会减少。(3)、电潜泵潜水电泵的工作深度远比不上潜油电泵,因此,煤层气的排水采气工艺选择潜油电泵,唯一的缺点是工作深度会大幅度下降。潜油电泵的泵体及辅助部件安装在油管的最下端,下至井内被抽吸液体中的预定位置,潜油电泵中的离心泵出口上部装有单流阀,避免液体倒流使离心崩叶轮倒转,第二章煤层气地面开采工艺也方便下一次启动,单流阀上装有卸油阀,在起出机组时,将油管中的液体泄至井筒。潜油电泵工作流程示意图见图2.3。动动力电缆将电力力力保护器防止井液液液液液液液液液液液液液送送至井下电机机机进入电动机机机电机带动离心泵工作作动动能转变为压头,水水水水水水水水水水水经经油管举升至地面面面离心泵泵送水水图2.3潜油电泵工作流程示愈图潜油电泵的工作条件要求比较苛刻:要求井筒水含有的细煤粒不大于0.02%,气液体积比不大于0.05%,1200m井深时排量为640时/d,井深不大于3000m,机械效率只有40%,对工作温度和电故障非常敏感,投资高。因此,选择时要慎重。2.3.2连续排液临界参数的确定煤层气的抽排应连续进行,使液面持续稳定下降,防止地层压力回升,避免甲烷在煤层中再吸附。因此选择的排采设备应能保证排采工作连续进行,即井底管鞋处的气液流速、流量应达到连续排液的临界流速及临界流量。因此临界流量和临界流速的确定是相当重要的。目前世界范围内广泛使用的计算方法是美国的R.G.T盯ner诺模图阁,它是建立在Dukle和Uewitt关于连续液膜模型理论的基础上,根据井口压力直接求解最低流量、最低流速。这种方法只适用于水气比很小的气井,在气井水气比)0.5时/k时时存在偏差。对于水气比大的煤层气的临界流速和临界流量的计算推荐采用下面的公式,计算(l)、气井连续排液的临界流速砚在管鞋处的同一断面,气流速度是一定的,与断面处的气体体积流量的关系如下:g=8.64xlo一x二D,xK/4(2.7)式中:Q一井底状况下油管鞋断面处的气体体积流量,ma/s;D一一.油管内径,cm;根据气体状态方程有:Q,=几凡兀月ZOTO(2.8)合并整理前两个公式有:K=”05097xz.兀乌(君D,)、气井连续排液的临界流tQkP(2.9)第二章煤层气地面开采工艺在标准状况下所必须建