煤层气开发——第6章 煤层气开采工程

一 煤层气开采方法与原理二 煤层气井排采工作制度三 煤层气增产措施四 煤层气田生产操作和管理 第五章煤层气开采工程 第一节煤层气开采方法与原理 一 煤层气排水降压方法 煤层气井的生产是通过抽排煤储层的承压水 降低煤储层压力 促使煤储层中吸附的甲烷解吸的全过程 即通过排水降压 使得吸附态甲烷解吸为大量游离态甲烷并运移至井口 因此 通过抽排地层中的承压水 暂时 相对地降低煤储层压力是煤层气井采气的关键 第一节煤层气开采方法与原理 煤层气井排采过程 煤层气井排采前 井中液面的高度即为煤层中地下水的水头高度 此时不存在压力差 地下水系统基本平衡 没有地下水的流动 煤层气井开始排采后 井筒中的液面下降 在煤层气井筒和煤层中形成压力差 地下水从压力高的地方流向压力低的地方 因此煤层中的地下水就源源不断地流向井筒中 使得煤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层段形成一个水头压降漏斗 并随着抽水的延续该压降漏斗不断扩大和加深 煤层的出水量和井口产水相平衡时 形成稳定的压力降落漏斗 降落漏斗不再继续延伸和扩大 煤层各点储层压力也就不能得以进一步降低 解吸停止 产气也就终止 第一节煤层气开采方法与原理 1 煤层气排采基本理论 1 煤层气的储层特性煤层气是一种介于常规天然气与煤层之间的非常规性天然气资源 其主要成分是甲烷 在地层压力作用下 煤层中的甲烷分子大部分以单分子形式吸附于煤基质表面 只有很少部分以游离气的形式存储于孔隙或裂隙中 或以溶解气的方式存在于煤层水中 第一节煤层气开采方法与原理 煤层气储层与常规天然气藏特性比较 煤层气井周围气水分布及流动状态径向剖面示意图 第一节煤层气开采方法与原理 2 煤层气的排水降压煤层气主要以吸附状态存在于煤基质的微孔隙中 其生产过程就是先排水 后采气 煤层气的生产一般可分为三个阶段 从煤基质孔隙的表面解吸 通过基质和微孔隙扩散到裂隙中 以达西流方式通过裂隙流向井筒运移 1 煤储层原始渗透率与改造后渗透率差不大时 排采阶段划分为煤层有 无越流补给两种情况 排采过程煤层无越流补给排采过程煤层无越流补给时 压力传播仅在煤层中发生 传播轨迹无串层现象 排采过程中地层供液能力与煤层渗透率变化 煤层中传播影响半径关系密切 与围岩关系较小 而排采过程中相态变化对水相渗透率的影响最大 第一节煤层气开采方法与原理 第一节煤层气开采方法与原理 排采过程煤层有越流补给排采过程煤层有越流补给时 煤层气垂直井排采阶段可划分为5个阶段 饱和水单相流 压力仅在煤层中传递阶段 排采初期 煤层中的压力梯度大于围岩中的压力梯度 压力将在煤层中首先传递 煤层中裂隙中的水将逐渐被排出 随着压降漏斗的扩展延伸 煤层中的压力梯度逐渐减小 因围岩储层渗透率相对较大 直到围岩压力梯度大于煤层压力梯度时 将进入第二阶段 饱和水单相流 压力仅在围岩中传递阶段 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 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围岩中的压力梯度为止 第一节煤层气开采方法与原理 饱和水单相流压力在煤层和围岩共同传递阶段 排采继续进行 围岩中压力影响半径增加 煤层中压力梯度逐渐等于甚至大于围岩中的压力梯度 压力将在煤层和围岩中共同传递 直到煤层中排采影响半径范围内压力达到临界解吸压力以下时 气体开始解吸 即进入非饱和两相流阶段 非饱和流阶段排采继续进行 当煤层排采影响范围内压力达到临界解吸压力以下时 一定数量的煤层气开始解吸 并形成气泡 阻碍水的流动 水的相对惨透率开始下降 但此时气体的量较小 无论在基质孔隙中还是在裂隙系统中 气水都是孤立的 没有互相连接 不能流动 此阶段称为非饱和单相流阶段 两相流阶段排采继续进行 压力进一步传递 煤层中有更多气体解吸出来 气体开始在裂隙系统中扩散 水相渗透率急剧下降 气相渗透率逐渐增大 产水量也随之下降 直至气泡相互连接 形成连续流线 产气量随之增多 进入两相流阶段 第一节煤层气开采方法与原理 2 煤储层原始渗透率与改造后渗透率差到较大时 排采阶段划分为煤层有 无越流补给两种情况 排采过程煤层无越流补给排采过程煤层无越流补给时 可分为以下四个阶段 饱和水单相流阶段煤层气井排采初期 井中液面开始下降 在几乎与水平最大主应力方向大致平行的方向上 煤储层改造效果较好 渗透率相对较高 而在几乎与水平最小主应力方向大致平行方向上 煤储层改造效果稍差些 渗透率相对较低 此时 可通过控制排采强度 使煤层气井在四周压力传递基本一致 在此阶段 煤层裂隙中的水开始流动 极少量游离气或溶解气在裂隙系统中处于运移状态 此阶段以饱和水单相流为表征 第一节煤层气开采方法与原理 非饱和水单相流阶段随着排采的进行 压降幅度的增大 井底压力下降 当储层中的压力降到临界解吸压力以下时 一定数量的煤层气开始解吸 并形成气泡 阻碍水的流动 水的相对渗透率开始下降 但此时气体的量较小 无论在基质孔隙中还是在裂隙系统中 气泡都是孤立的 没有互相连接 不能流动 此阶段称为非饱和单相流阶段 两相流阶段 井筒四周压力几乎平稳传递 排采继续进行 压力进一步传递 煤层中有更多气体解吸出来 气体开始在裂隙系统中扩散 水相渗透率开始下降 气相渗透率逐渐增大 产水量也随之下降 直至气泡相互连接 形成连续流线 产气量随之增多 此时 井筒四周压力改造几乎相等 压力传递速度几乎相等 此时处于两相流的井筒周围压力平稳传递阶段 第一节煤层气开采方法与原理 两相流阶段 压力仅在某些方向传递压裂储层改造的非均衡性 随着排采继续进行 在井筒某些方向上 压力传递到储层改造的边界 由于储层改造后的渗透率与储层原始渗透率差别较大 在未改造的储层方向上压力传递变慢甚至压力不再传递 而仅在压力改造较好的储层继续传递 此时压力传递在井筒周围发生变化 此阶段称为两相流的压力仅在某些方向传递阶段 排采过程煤层有越流补给时排采过程有越流补给时 若煤层与围岩渗透率相差较大 在开始阶段将一直排采围岩中的水 直到形成井间干扰或出现补给边界 围岩中的水变得很少时 可把排采作为无越流补给看待 能否达到无越流补给状态与围岩供液能力 封闭边界 煤层与围岩渗透率关系 地应力 排采时间 经济效益等因素密切相关 第一节煤层气开采方法与原理 3 煤层气的生产特点煤层气的产出可分为三个阶段 为排水降压阶段 主要产水 同时伴随有少量游离气 溶解气产出 当煤层压力降至临界解吸压力以下时 进入第二阶段 II即稳定生产阶段 该阶段煤层甲烷分子迅速解吸 然后扩散到裂隙中 使气的相对渗透率增加 水的相对渗透率减小 表现为气产量逐渐增大 水产量逐渐减小 随着采出水量的增加 生产压差的进一步增大 煤层中含水饱和度相对降低 变为以产气为主 并逐渐达到产气高峰 水产量则相对稳定在一个较低的水平上 为产量下降阶段 随着地层能量的衰竭 产气量下降 产少量水或微量水 第一节煤层气开采方法与原理 煤层气生产井的气 水产量变化曲线 第一节煤层气开采方法与原理 4 煤层气开发的认识煤层气排水阶段水量的大小主要取决于煤层的地解比 地层压力与临界解吸压力之比 和地层的渗透率 地解比较大 所需的压降就较大 所要排的水量较多 地解比较小时 地层压力与临界解吸压力值接近 水量较少 一定压力条件下 煤储层内气体的吸附与解吸处于动态平衡状态 压力的变化将破坏这种平衡 压力下降 解吸作用加强 气体得以解吸 但是压力的持续下降并未导致气体持续解吸 这与压差的有效传递有关 在煤层气井排采初期 只出水不出气 因此在排采过程中 需要抽出大量的水 使煤储层的压力下降到煤层气的解吸压力以下 气体开始解吸 井口开始产气 第一节煤层气开采方法与原理 2 煤层气井排采关键因素分析煤层气井生产控制的参数主要有 井底压力 套压 动液面 产气量 产水量等动态参数 1 井底压力井底压力是指气井在正常生产时所测得的井筒中煤层中部的压力 是流体流经储层到达井底的剩余压力 井底流压是预测煤层气井生产的一个基本要素 是进行有效人工举升设计的一个关键参数 其重要性表现在以下两个方面 煤层气井依靠排水降压采气 只有把井底压力降到临界解吸压力以下时 才会发生解吸 动液面的下降幅度 排水量大小的控制 工作制度的调整都要由合理的井底流压来确定 第一节煤层气开采方法与原理 2 产气量产气量是生产监测的核心内容 主要表现在三个方面 产气量是煤层气开发的最终目标 衡量煤层气井开发成败的重要指标 是计算经济效益的重要依据 认识煤层气藏的生产能力 了解生产动态和开发过程中产气的变化规律 分析工艺技术措施效果 分析产气特征 为单井配产 排水采气工艺设备设计 地面集输系统设计提供依据 3 产水量煤层水的产出体现在两个方面 煤层水的产出 给气体的解吸提供了一定的空间 保证了气体持续解吸 煤层水的产水降低了煤储层的孔隙压力 使之低于解吸压力 为气体解吸提供了先天环境 第一节煤层气开采方法与原理 3 煤层气井排采类型划分1 单井排采单井开采的产气机理是 开井排水形成压降漏斗 在井底压力大于临界解吸压力而小于原始地层压力时 只有水的单向流动 第一节煤层气开采方法与原理 泄流半径继续增大 解吸漏斗继续增大 原解吸漏斗范围内早已解吸的煤层气开始渗流 形成气和水的两相渗流流动 第一节煤层气开采方法与原理 最后形成的解吸漏斗开始解吸 出现水的非饱和流动 泄流半径以外的水不流动 第一节煤层气开采方法与原理 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 煤层气单井的排采状况可分为五种情况 煤储层存在补给边界煤储层存在越流补给煤储层存在阻隔边界煤储层无限边界煤层气井间干扰边界 第一节煤层气开采方法与原理 1 煤储层存在补给边界压力降落漏斗随着排采的继续在上覆地层中不断扩展 当其遇到张性断层时 若该断层与地表水或其他地下水层相沟通 这些水系的水就会通过断层补给煤储层 当补给量与抽出量相当时 压力降落漏斗达到稳定 不再扩展 煤储层甲烷解吸停止 煤层气井不再产气 煤层气存在补给边界 第一节煤层气开采方法与原理 2 煤储层存在越流补给煤储层的顶板或底板为弱透水层 且其相邻的地层为含水层 此时煤储层存在越流补给 煤储层中压力的降低使得邻近含水层中的地下水通过顶板或底板补给煤储层 压力降落漏斗的扩大使得补给量不断增加 当补给量与抽出量相当时 降落漏斗达到稳定 不再扩展 煤储层甲烷解吸停止 煤层气井产气终止 煤层气存在越流补给边界 第一节煤层气开采方法与原理 3 煤储层存在阻隔边界当煤储层中存在隔水边界 如逆断层 推覆断层等 时 随着抽水时间的延续 降落漏斗不断扩展 当降落漏斗扩展至隔水边界时 由于隔水边界无法补给或补给量小于抽出量 降落漏斗不再向远处发展 而迅速加深 煤储层压力快速下降 甲烷大量释放 井口表现为气产量大增 若煤层周围都为隔水边界且无越流补给 煤层压力将最终接近井底压力 整个系统压力平衡 4 煤储层无限边界当煤层气井附近不存在断层 含水层时 随着抽水时间的延续 降落漏斗不断扩展 当降落漏斗扩展一定程度 降落漏斗不再向远处发展 而降落漏斗也不明显加深 煤储层压力缓慢下降 甲烷少量缓慢释放 井口表现为气产量长期稳定低产 第一节煤层气开采方法与原理 5 煤层气井间干扰边界当煤层气井附近存在其它煤层气井时 随着抽水时间的延续 降落漏斗不断扩展 当降落漏斗扩展一定程度 临近井的降落漏斗之间开始相互干扰 从而使降落漏斗联系到一起 不断共同扩大 煤储层压力快速下降 甲烷大量释放 井口表现为气产量长期稳定高产 通常煤层气井属于无越流补给 且煤层水平无限延伸 附近无补给边界或给水边界 这种情况 煤层气井随着抽水的延续 煤层中的压力降落漏斗不断扩大和加深 但其扩展速度变慢 逐渐趋于稳定 其排水降压过程一般可以分为初期定流量排水和后期定降深排水两个阶段 第一节煤层气开采方法与原理 2 井群排采 开井排水 压力下降到解吸压力以上形成压降漏斗 但只有单相水流动 与单井开采相同 继续排水 压力下降到解吸压力以下 未达到井间干扰 解吸漏斗内的气解吸 形成水的未饱和流动 这时也与单井开采相同 第一节煤层气开采方法与原理 当相邻井的泄流半径之和大于井距时 由于井间干扰 井间压力都下降到临界解吸压力以下 井间都开始解吸气 同时先前解吸的气扩散 溶解 渗流 形成两相流动 当井间压力都下降到井底压力 井间的气全部解吸 扩散 溶解 渗流 形成大面积的解吸和两相流动 第一节煤层气开采方法与原理 二 煤层气排水采气设备煤层气排采设备可分为有杆类排采设备和无杆类排采设备两类 有杆泵又可分为抽油杆往复运动类 如游梁式和无游梁式抽油机 和旋转运动类 如电动潜油泵 排采设备的选择主要取决于井深 井底压力 水的流速及气的流速 1 梁式泵梁式泵也称有杆泵 由以下几部分组成 地面部分为游梁式抽油机 由电动机 减速箱和四连杆机件组成 井下部分为抽油泵 多为管式泵 它悬挂在套管内油管的下端 联系地面和井下的中间部分为抽油杆 第一节煤层气开采方法与原理 第一节煤层气开采方法与原理 2 螺杆泵螺杆泵是一种新型采液装置 与连杆传动的梁式泵不同 螺杆泵是用旋转杆传动的 主要由地面传动装置 抽油杆和井下泵三部分组成 地面传动装置包括一台电动机和皮带轮 来驱动抽油杆和井下泵 螺杆泵设备具有不间断抽排的特点 从防砂排粉 平稳降液及控制井底压力方面来考虑具有优越性 但当产气量过高时 螺杆泵易于损坏 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 螺杆泵 第一节煤层气开采方法与原理 3 电潜泵电潜泵是浸没在被泵送介质中的离心泵 由一台井下电动机和离心泵组成 电动机和泵体安装在油管末端 通过缠绕在油管上的电缆提供电力 由于井内流体在通过电动机进入离心泵时可起到冷却电动机的作用 因此 离心泵应置于产层之上且一定不要将井抽干 第一节煤层气开采方法与原理 第一节煤层气开采方法与原理 三类泵排水采气方法对比表 第一节煤层气开采方法与原理 4 射流泵井底射流泵使用扩散或收缩形喷嘴装置形成高压流体 向地层流体中传递动能 常见的射流泵由于其环空容积小 易固相堵塞等原因 在煤层气开采中难以应用 射流泵处理煤粉的能力较差 已形成煤粉堵塞 而且射流泵仅适用于开采初期井底压差较高条件下 5 液面监测设备由于煤层压力系数低 解吸压力也低 准确监测动液面的深度对排采的诊断与决策是非常重要的 现场常选择易操作 精度高的液面监测仪 如SHD 3诊断仪等 此外 排采中还应根据实际需要选择油管 抽油杆 动力设备等其它相关设备 第一节煤层气开采方法与原理 三 煤层气井智能控制排采技术1 煤层气井智能控制原理智能控制系统是指具备一定智能行为的系统 具体来说就是 对于一个问题的激励输入 系统具备一定的智能行为 能够产生合适的求解问题的响应 这样的系统便成为智能系统 1 智能控制系统的结构及自适应控制传感器包括位置传感器 力传感器等 感知信息处理将传感器得到的原始信息加以处理 认知部分主要接受和储存知识 经验和数据 并对他们进行分析 推理 做出行动的决策 送至规划和控制部分 通讯接口除了建立人 机之间的联系外 也建立系统各模块之间的联系 规划和控制是整个系统的核心 它根据给定的任务要求 反馈的信息及经验知识 进行自动搜索 推理决策 动作规划 最终产生具体的控制作用 第一节煤层气开采方法与原理 自适应控制是一种解决系统不确定性问题的方法 简单的说 自适应控制系统能适应系统的环境条件或对象特征的变化 根据对可达的输入输出量的在线观测信息 自动校正或调整控制器的参数和性能 使系统保持在最优的或满意的工作状态 智能控制系统的典型结构 参数自适应自组织控制 第一节煤层气开采方法与原理 2 煤层气井电潜泵智能控制原理电潜离心泵控制排采系统根据煤层气井井底流压变化规律和排采规律 地面人工预先设定液面下降速度值 控制系统根据井下压力计采集的流压变化情况 采取 控制液面排水 法 即通过调整流量 使液面按要求以恒定速度下降 对于排采过程中液面下降不易控制问题 应用闭环控制技术予以解决 智能控制原理图 第一节煤层气开采方法与原理 2 煤层气井控制排采系统 1 系统组成和结构煤层气井控制排采系统主要由煤层气专用离心泵 潜水电机 压力计 动力电缆 压力计电缆 绕丝筛管 扶正器 离心泵专用井口 控制柜等组成 控制排采系统组成及结构 第一节煤层气开采方法与原理 1 煤层气专用离心泵煤层气井电潜离心泵由多级离心叶轮 导壳和泵轴 泵壳体 上下接头组成 多节泵可以通过连接法兰和花键套串接 以满足扬程的需要 导轮结构示意图 离心泵结构示意图 第一节煤层气开采方法与原理 2 潜水电机潜水电机为两极三相鼠笼式异步电动机 由定子 转子 轴承及接头等构成 电机转子主要是为电机提供电磁转矩 电机中的轴承采用滑动轴承结构 它包括一个用于承载转子重量的止推轴承和多个径向轴承 径向轴承主要是保证电机定子和转子保持一定的间隙及转子轴的顺利转动 电机联接接头主要用于电机同保护器连接及多节电机时串接使用 潜水电机采用多节串接方式 按所需功率大小 分别制成上节电机 中节电机 下节电机 电机功率为多节电机功率之和 电压为多节电机电压之和 便于使用中选择 第一节煤层气开采方法与原理 2 地面控制系统地面控制柜采用先进的远距离变频控制技术 控制柜包括控制器 触摸屏 升压变压器 变频器 正弦滤波器 防浪涌保护器 断路器 24V开关电源 无线数传模块等组件 控制柜内部安装有防浪涌保护器 可以在雷电天气下正常工作 有效预防因雷电而导致系统瘫痪的情况发生 在变频器的输出端安装了正弦滤波器 为远距离控制煤层气井电潜离心泵 提供了良好的电压波形 变频控制系统示意图 第一节煤层气开采方法与原理 3 井下信号采集及传输系统沁水地区井底压力监测主要通过两种方式进行监测 一种方式通过井下压力计实时连续读取 另一种是通过测动液面 进行井底压力折算 数字式电子井下压力监测系统主要包括三部分 井下设备 包括压力传感器 数据转换器 依靠电缆供电并传输信号 井筒设备 包括铠装电缆 扶正器 电缆卡子 仪器卡座 仪器托筒等 井口设备 包括地面数据存储单元及微型蓄电池供电单元 负责数据观察 数据存储并向电子压力计提供直流24V电源 第一节煤层气开采方法与原理 4 智能控制排采系统功能1 软启动功能变频控制系统采用变频器启动时 随着电机的加速相应提高频率和电压 起动电流被限制在150 额定电流以下 2 升压稳压功能升压变压器有425V 450V 475V 500V四档 根据现场的电源电压情况和井深 选择合适的档位 同时合理设置变频器 控制变频器的输出电压 以达到升压稳压的目的 使电机工作在合适的电压范围内 340 420V 第一节煤层气开采方法与原理 3 控制功能该系统的控制功能包括三方面 手动控制 可根据现场的实际排采情况 通过手动调节变频器的输出频率 从而改变电机转速来控制电潜泵的排量 自动控制 根据排采制度的要求 设定液面的下降速度 控制器按照下达的指令 自动控制变频器的输出频率 最终使实际的液面下降速度与设定值一致 达到连续 平稳降液面的目的 远程控制 通过安装无线数传通讯模块 对电潜泵进行远程启停操作和运行参数的调节 4 数据采集功能该系统能够准确录取各类数据信息 从而对系统的运行状态进行监控和分析 采集的数据主要包括电机运行频率 电机运行电流 井下温度 动液面 井底流压 套压 瞬时气量 出水流量等 第一节煤层气开采方法与原理 3 控制排采系统配套设备 1 控制排采系统电压升压稳压设备该设备由升压变压器 变频器和滤波器组成 在电网电压波动或负载冲击时 均保证稳压输出 无波形失真 电压线性调节 超载能力强 可长期连续工作 并设有过压 欠压 过载 短路 相序 缺相等自动保护 2 控制排采系统回流装置该装置在井口加装回流管三通 将回流管紧靠油管下至压力计处 回流管的另一端接进回流控制柜 通过改变电磁阀的开度来对回流量进行调节 第二节煤层气井排采工作制度 一 排水降压的阶段排水降压过程可分为定流量排水与定降深排水两个阶段 定流量排水是指通过控制排水流量 每天以恒定的流量排采 定降深排水是指通过液面信号控制流量 使井下液面按要求以恒定的速度调整 升降 二 排采工作制度常规油气井合理的工作制度是通过系统试井和试采资料来确定的 由压力带来的煤储层伤害应该通过控制压力变化的方法来解决或缓解 故提出逐级降压排采工作制度 该制度的指导思想是 在排采时 分级逐次降低煤层气井的井底流压 第二节煤层气井排采工作制度 煤层气采气工作制度建立的原则确定煤层气井排采工作制度的指标是 泵挂深度 泵径 冲程 冲次 确定指标的原则是在满足排液的前提下优先考虑使用小泵径 长冲程和小冲次 优点 可充分利用泵筒的有效长度 按比例地增加泵的排量 可降低单位时间内的冲程次数 减少振动载荷 改善示功图形状 还可减轻抽油杆磨损 从而延长其使用寿命 由于冲次减少 使得柱塞自上死点到下死点的时间增加 使煤层产出的砂及煤粉等有充分时间沉降 上冲程时柱塞运行速度变慢 有利于增强气 砂锚的防气和防砂效果 从而减轻泵的磨损 延长检泵周期及泵的使用寿命 第二节煤层气井排采工作制度 排采制度主要有定压和定产排采两种定压排采制度 核心是如何控制好储层压力与井底流压之间的生产压差 关键是控制适中的排采强度 保持液面平稳下降 保证煤粉等固体颗粒物 水 气等正常产出 排采过程中的 定压制度 主要是通过调整产水量以控制动液面来控制储层压力与井底流压的压差 定产排采制度 根据地层产能和供液能力 控制水 气的产量 以保障流体的合理流动 适用于稳产阶段 定产制度可以通过改变套压或动液面来控制井底压力以实现稳产的目的 第二节煤层气井排采工作制度 2 举升工艺的选择人工举升煤层气方式主要有抽油机 有杆泵 螺杆泵 气举 电动潜油泵 水力气泵 人工举升煤层气方式比较 第二节煤层气井排采工作制度 气举可分为气举凡尔法和柱塞法两种 气举凡尔法是用高压气源向井内注水 以气混水将井内的水及甲烷排出井筒至地面 气举管柱有管式 开式 半闭式 封闭式 双管并列式 双管同心式三种结构 柱塞气举既可气井自身能量 亦可靠注入气补充能量来推举油罐内的柱塞 将柱塞以上的液体排到地面上来 人工举升示意图 第二节煤层气井排采工作制度 气举开采的优点 灵活的设计开采速率 可以用钢缆进行回收作业 整个有关区域完全敞开 与气层充分接触 一个空气压缩机可以同时为单一井口或多个井口进行供气作业 气举开采的缺点 需要提供高压气源 高粘度流体条件下 工作性能较差 第二节煤层气井排采工作制度 1 抽油机的选择步骤 根据煤层气井预测的最大产水量初步确定泵径 冲程和冲数 根据煤层气井在预测最大产水量下需要的泵深和抽汲参数设计抽油杆组合 由已选出的泵径 冲程 冲次组合及抽油杆柱计算悬点最大载荷和减速箱输出轴扭矩 根据计算得出的最大载荷和扭矩及选用的冲程和冲次 选出需要的抽油机型号 初选后 再进行参数配合及抽油机和抽油杆柱的校核 如校核不合格 则调整后重新校核 第二节煤层气井排采工作制度 2 泵的选择泵是在气 水两相流体中工作 通常影响泵工作的主要因素有腐蚀 液击 气锁 砂卡 结垢等 管式泵以其结构简单 成本低 排量调节范围大的特点 在现场得到广泛的应用 目前常采用的泵挂结构 自下而上 为 丝堵 沉砂管 气锚 管式泵 生产油管 井口悬挂装置 现场应用中选用有杆泵应注意以下三点 1 由于浅煤层的压力较低 应尽可能将泵下至最深的产气煤层 以使液面抽至最低的射孔眼或割缝以下 尽可能降低井筒中的静液柱压力 以最大限度提高井的产气量 2 泵在井筒液体中的沉没度要尽可能大 以减少进入泵中的气量 3 在美国黑勇士盆地中 有些煤层气井安装了 无锁 杆式泵 以防气锁现象的发生 第二节煤层气井排采工作制度 3 生产压差的选择 初选的生产压差 要以不破坏煤层的原始状态 不使煤层的割理系统受到损害 避免造成煤层大量出砂和煤粉以及煤层的坍塌为原则 使泵的排液能力与煤层的供液能力相适应 充分利用地层能量 保证环空液面均匀缓慢下降或稳定 套压的控制 放大油嘴 套压下降 气量上升 反之 减小油嘴 套压上升 生产压差减小 对有一定产气量的井 油嘴在2 6mm之间为好 综合考虑 排液时井口压力不应低于0 01MPa 第二节煤层气井排采工作制度 4 下泵深度选择排采初期 基本以排压裂液为主 产液量较大 因而 泵挂不宜过深 过深则易造成煤粉和砂卡泵 排采的过程中 根据实测的动液面确定适当的生产压差 当环空液面下降逐渐相对稳定的情况下 泵才能下至煤层中部以下30 40m 5 洗井与冲砂洗井与冲砂是为了冲掉并携带出套管壁上的泥饼和井底的沉砂等杂质 避免射孔后堵塞孔眼 污染油气层 洗井和冲砂可采用清水或钻井液来进行 为了减少伤害可采取以下措施 1 对洗井液体进行优化 使用过滤后的地层排出液或用优化后的活性水洗井 2 一律采用正洗或正冲的方式 3 对漏失量很大的井 采用气举法进行冲砂 第二节煤层气井排采工作制度 三 排采曲线分析 1 排采连续性对产气量的影响煤层气井的抽排应连续进行 使液面与地层压力持续稳定下降 防止地层压力回升 使甲烷在煤层中再吸附 另外长期关井 裂隙容易再次被水充填 阻碍气流 JS1井排采曲线图 排采初期 排出的主要是水 气量极小 但水产量下降较快 当井底流压达到2 8MPa时 气产量急剧上升 而水产量对压差的敏感性不大 继续降压 当井底流压达到1 6MPa时 出现产气高峰 并有一段相对稳定时间 再继续降压 气产量则急剧下降 因此在图中出现了明显的拐点 第二节煤层气井排采工作制度 2 排采强度对支撑裂缝的影响由于煤层的低渗透特性 一般首先要经过压裂改造 形成一条气水容易流通的通道 压后裂缝的有效支撑 对煤层气产出具有重要作用 在裂缝尚未完全闭合时 井底压差过大会引起砂子的流动 影响压裂效果 3 抽排强度对排采效果的影响由于煤质较脆 易碎 易坍塌 煤粉及煤层其它颗粒易产生运移等特点 若抽排强度过大易引起煤层激动 使裂隙产生堵塞效应 降低渗透率 妨碍煤层整体降压 影响煤层的开采效果 煤粉 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 第二节煤层气井排采工作制度 4 生产压差对煤层渗透率的影响随着流体的产出 孔隙压力降低 裂缝支撑点压力增加 支撑处煤岩被压缩 裂缝宽度减小 渗透率降低 如果裂缝支撑应力达到地层临界闭合应力 则裂缝会闭合 由于煤层甲烷气解吸 扩散过程导致了煤层气渗流的滞后性 气体无法及时排出 基质收缩率变小 从而使渗透率变小 导致采气量下降 影响煤层的降压效果 5 井底流压对煤层气产量的影响较低的井底流压 使煤的表面压力下降快 有利于增加气的解吸速度和解吸气体量 井底压力降到一定程度 低渗透率的煤层无法将压力传递到煤层的更深处 井筒附近煤层压力过低 有效应力增加 引起局部煤层的渗透能力下降 使产气高峰期缩短 影响气体的采收率 而水产量较小 受影响不大 第二节煤层气井排采工作制度 四 沁水盆地晋平2井组排水采气分析1 晋平2 2井排水采气情况晋平2 2井的排采分为三个阶段 第一阶段是排水降压阶段 该阶段累计产水114 9m3 开始产气时液面深度为233m 折算解吸压力为2 23MPa 第二阶段是波动生产阶段 液面由233m下降到371m 套压在0 0 34MPa范围内变化 该阶段累计产水220 6m3 累计产气44406m3 第三阶段是稳定生产阶段 液面由364m下降到452m 套压在0 19 0 24MPa范围内变化 该阶段累计产水449m3 累计产气40760m3 该阶段排采情况基本稳定 工作制度变化不大 冲程一直是1 5m 冲次在1 1 5次 min之间变化 水样清澈 日产气较小 最高只有542m3 第二节煤层气井排采工作制度 晋平2 2井煤层开始解吸产气前会出现三种现象 一是液面突然上升 二是产水量大幅增加 三是测液面杂波影响严重 晋平2 2井出现以上三种现象的原因是 在原始煤层中 没有可释放的空间 气体吸附于煤基质内表面 煤层水充满煤层的孔隙和裂隙中 当地层压力下降 地层水伴随少量游离气向井筒渗流 随着排采时间的延长 煤层水大量排出 随着压降漏斗的不断扩大 吸附气开始解吸 解吸气进入油套环空后 造成井内液体混气而密度降低 第二节煤层气井排采工作制度 为平衡煤层压力 液面就要相应地升高 同时在气体作用下 地层水大量流向井底 使得液面升高 产水量增加 快速解吸的气体大部分通过油套环空排出 当大量气体涌向井口时 造成井内液体混气而密度降低 推动环空液柱 在液面上形成气泡 并快速溢出流向井口 气体在环空流动的声音会产生一种声波 对高压氮气做声源的液面测试仪影响很大 产生杂波 影响液面的正常测试 2 晋平2 4井排水采气情况晋平2 4井的排采可分为两个阶段 第一阶段是排水降压阶段 该阶段累计产水379 2m3 累计产气478 9m3 第二阶段是产气阶段 液面为374m 465 7m 套压0 64 0 22MPa 该阶段累计产水504 1m3 累计产气20577 2m3 该阶段工作制度变化不大 冲程一直1 8m 冲次2 2 3次 min 日产水变化较大 水样清澈 日产气最高只有675 3m3 第二节煤层气井排采工作制度 晋平2 4井开始解吸时 井底流压和动液面远远低于晋平2 2井开始解吸时的井底流压和动液面 究其原因主要有三方面 1 在钻井过程中划出新井眼 新盲眼比洞穴低1 5m 比原井眼低2 5m 新井眼未能与晋平2 4井直接汇通 2 钻井时 与洞穴交汇时的施工不理想 后采用高压20MPa强行击穿与洞穴之间的煤层 才交汇成功 由此可判断洞穴与主支之间可能存在一些碎屑堵塞 使连通性能变差 严重影响了压降漏斗的形成与扩大 只有进一步降低液面 才可在距离井筒较远的煤层形成压降漏斗 3 钻井液漏失严重 对煤层产生严重污染 第三节煤层气井增产措施 一 煤层压裂 一 煤层压裂的特殊性煤层气压裂的机理 通过高压驱动液流 将液流挤入煤层原有和压裂后出现的裂缝内 使这些裂缝变宽 变长 进而在煤中产生更多的次生裂缝和裂隙 增加煤层的渗透率 煤储层通常以多个煤层组形式存在 各组之间或相距很近或相距很远 这一特征加上煤岩本身易碎以及煤层具有吸附的特性 使得煤层压裂与常规储层压裂之间存在一些差异 1 煤粉煤是易碎物质 压裂时会产生大量的煤粉 并可延续到生产阶段 导致流通能力下降 甚至充填二 三级割理 降低渗透率 第三节煤层气井增产措施 2 压裂液对储层的伤害压裂液对煤层的伤害会导致渗透率的下降 其原因包括压裂液的吸附作用引起煤基质膨胀和堵塞割理 而堵塞割理系统会限制煤层气的解吸 随着压裂液在煤样中侵泡时间增长 煤样对压裂液的吸附量增大 导致压裂液对煤储层的伤害程度加重的因素 第一 压裂液经垂直裂缝向薄煤层中侵入的距离较长 第二 单流阀效应引起孔隙压力下降 割理闭合 导致侵入的压裂液滞留其中 第三节煤层气井增产措施 3 处理压力过高现象造成压裂处理压力过高的原因可能包括 第一 井眼失稳 或射孔产生碎屑 疏松的煤碎片会推迟压裂裂缝的产生 第二 煤粉堵塞裂缝 煤粉和煤碎片的聚集会阻挡压裂液前缘 从而改变裂缝的方向 第三 形成弯曲裂缝通道 增大了压裂液在流动时的压降 第四 形成多裂缝网络 欲使主裂缝扩张 需要较高的压力 第五 缝端出现煤粉 第六 井眼附近孔隙压力上升 第三节煤层气井增产措施 上图直观地描述了压裂处理压力过高的机理 各机理或同时作用或单独作用 其中 孔隙弹性效应在井眼附近产生碎屑 井眼附近及外围形成的弯曲裂缝通道和多裂缝网络可能是主要原因 第三节煤层气井增产措施 4 滤失现象一般情况下 对煤层进行压裂时 压裂液的滤失现象相当严重 其负作用主要包括 第一 限制裂缝延伸 第二 降低压裂效率 第三 极易伤害产层 第四 增大脱砂的可能性 岩心分析表明 压力较高时 滤失量加大 如果采用浓度240kg m3的100目砂 将有助于滤饼的形成 从而降低滤失量 此外 正确选择支撑剂尺寸和合理的泵注程序 对限制复杂裂缝扩张和滤失现象非常重要 目前 氮泡沫在煤层压裂中的应用有上升趋势 第三节煤层气井增产措施 二 煤层气井的压裂设计1 煤层压裂方案现场实践证明 应选择煤层稳定 单层厚度大于0 6m 煤层埋藏浅 煤层物性好 裂隙发育 含气量高 烟煤或半烟煤 的井进行压裂 S A Holditch等人根据实践经验 将煤层压裂方案分为四种类型 第一种煤层特点 浅煤层 会产生水平裂缝 第二种煤层特点 薄煤层序列 会产生平面垂直裂缝 第三种煤层特点 单一厚煤层 压裂裂缝将完全限制在煤层内 同时可能产生复杂裂缝系统 第四种煤层特点 在压裂初期 裂缝限制在煤层内 到压裂后期 裂缝开始垂直向界面扩张 第三节煤层气井增产措施 1 浅煤层中的水平裂缝这种情况最小应力是垂直方向的 因此水力裂缝最初是水平板状或平行于煤层的 对于这种煤层主要采取以下压裂措施 1 水平裂缝可以用限流法压裂 又可用机械分流法压裂 使每一煤层得以彻底改造 2 建议不要使用交联液 3 井底施工压力梯度应大于0 023Mpa m 浅煤层中的水平裂缝 第三节煤层气井增产措施 2 多层 薄煤层中单一垂直裂缝多层 薄煤层中单一垂直裂缝的特点是 1 裂缝延伸压力梯度小于0 023MPa m 2 单一 盘状 垂直裂缝将切割几个煤层可用常规三维压裂设计模型进行压裂模拟 3 滤失通常不成问题 并且常规压裂的前置液量可用于这种煤层压裂 4 稠化液 延迟交联液 或泡沫压裂液 也可用于这种压裂施工 但要慎用 多层 薄煤层中的垂直裂缝 第三节煤层气井增产措施 3 单一厚煤层中的复杂裂缝系统这种情况是煤层压裂特有的 在施工过程中的最大特点是较高的施工压力 并且增长很快 一直到施工结束 在这种情况下一般很难加入大量的支撑剂 施工压力高主要是多条垂直裂缝或是近井地带的 T 形缝造成的 单一煤层中的复杂裂缝 第三节煤层气井增产措施 高施工压力与煤层压裂施工的关系1 滑动带影响 滑动带产生在紧接人工裂缝端的高裂隙发育区 裂缝顶端应力集中 产生滑动带 并吸附能量 使裂缝延伸 2 孔隙弹性影响 由于液体滤失较高 背景应力在压裂过程中有所增长 同时注入压力也将升高 3 煤粉阻塞裂缝端部 如果产生了大量煤粉 即可集中在裂缝端部阻止裂缝延伸 4 混在压裂液中的煤粉增加了压裂液的浓度 此种影响尽管较小 但是仍使注入压力稍有增加 解决高压 高滤失 应采取以下措施 在压裂施工过程中 加大泵注排量以消除高滤失的影响 加入高粘液体等防滤失措施补偿液体滤失 第三节煤层气井增产措施 4 厚煤层中的复杂裂缝延伸到围岩中这种情况包括了以上三种情况 因此它包括了前述所有的裂缝几何形状 超压的增长起源于复杂的裂缝形状 垂直裂缝部分可以开始在围岩中 如果产生这种现象 液体流入围岩层会在煤层中产生裂缝 减小缝宽 如果在垂直缝开始产生时 即泵入高砂比的携砂液 就会导致脱砂 对于这种情况 施工必须要准备超量的压裂液 如果裂缝垂直部分开始延伸 就要重新打前置液 如果重新注入了前置液 则必须注入足够的量来扩张裂缝 使裂缝足够大 然后再加入支撑剂 第三节煤层气井增产措施 2 煤层气井压裂设计在煤层压裂设计过程中 必须首先进行压裂前的地层评价和微型压裂测试 以便提取必要的设计参数 其中 地层评价包括提取岩心 测井和地层测试等资料 分析煤层特性参数 地层应力与应力特性等 微型压裂测试通过小型压裂实验获取现场动态测试结果 了解地层参数对压裂措施产生的影响 这些结果将作为压裂模拟与设计参数的主要参考资料 第三节煤层气井增产措施 1 选择裂缝模型进行压裂设计在掌握了大量基础信息之后 选择模拟参数并运行手册中的COALFRAC模型 计算在各种压裂处理条件下裂缝的长度和宽度 COALFRAC模型中四种裂缝形式 第一种 水平径向裂缝 适于第一种煤层特点 第二种 固定高度的 二维 垂直裂缝 适于第三种煤层特点 第三种 不定高度的 三维 垂直裂缝 针对第二种煤层特点 如果边界层能限制裂缝在缝高方向上的扩张 就采用这种形式 否则 应该选用第四种形式 第四种 扁平型 径向 垂直裂缝 实际应用结果表明 地应力是控制裂缝扩张的主要因素 因此通常可以以地应力为依据选用裂缝模型 第三节煤层气井增产措施 根据地应力选择裂缝模型 第三节煤层气井增产措施 2 压裂液的选择压裂液分为前置液 携砂液及顶替液 一般为2 氯化钾防膨液 压裂液添加剂的优选 稠化剂在国外 煤层气井成功的压裂一般选择肌胶和注丙基肌胶作为稠化剂 交联剂交联剂的作用是使稠化剂溶液中的稠化剂分子迅速形成长链 粘度迅速增加 提高液体的造缝和携砂能力 煤层气井地温低 破胶问题尤为突出 交联剂有高 中温之分 关键在于交联剂于稠化剂分子链上的顺式羟基结合的牢固程度 结合的愈牢固抗温性能越强 这将导致低温下破胶困难 选择货源充足 价格较低的硼砂作为交联剂比较理想 第三节煤层气井增产措施 粘土稳定剂常用氯化钾作为粘土稳定剂 同时为了满足裂缝监测的需要 往往加大氯化钾的浓度 以提高地层的导电性能 如吴试1井压裂液矿化度高达30000mg l pH值调节剂加入pH值调节剂的作用是改变压裂液体系的酸碱性 目的是为了保证压裂液与煤层配伍 降低对煤层的伤害 提高压裂液的携砂能力 破胶剂与活化剂目前用于煤层的破胶剂是过硫酸钡和CH 2低温活化剂 加入量可根据不同地区不同煤特性及工艺的要求进行优化 第三节煤层气井增产措施 3 支撑剂的选择选择支撑剂时 主要应考虑以下因素 第一 支撑剂回流问题 第二 支撑剂应能深侵煤层 第三 能够最大限度地降低煤粉回流影响 第四 强度和成本 大直径的支撑剂比小直径的支撑剂渗透性好 但最好选用小粒径的支撑剂 它可以进入到地层深部 使更多裂缝相联 理想的支撑剂应当具备的特点是 密度小 强度大 圆球度高 在高温水中呈化学惰性 第三节煤层气井增产措施 3 现场施工现场压裂设备包括 砂罐车 混砂车 输砂器 管汇车 压裂泵车 仪表车 液氮车及压裂井口 压裂现场设备 第三节煤层气井增产措施 现场施工时 应注意以下三个步骤 作业之前 应先将各压裂泵车排空 关闭压裂井口总阀门试压 一般试压压力比预测最高压力高6 89MPa 并检查管线及设备有无刺漏 10 15min后放压 压裂作业时 液体和支撑剂是强迫供给混砂罐的 混砂罐将液体和支撑剂混合均匀后 由混砂车排出 经密度计监测后 强迫供给6 8台压裂泵车吸入胶管管汇 进行泵注时 首先以低排量向井筒内泵入液体 直到压力开始上升 说明此时井眼已经被液体充满 此时提高排量 井口压力会相应上升 直至压开煤层 此破裂压力通常从地面压力自动记录仪上不易明显看出 因为其压力测量装置有很高的阻尼 煤层一旦被压开 排量稳定在全部压裂车调到合适的排量之后 开始对前置液计量 若设计要求录取瞬时停泵资料时 可在前置液泵注一部分之后进行 第三节煤层气井增产措施 水力压裂的具体施工工序如下 4 压裂效果评价煤层压裂后的效果综合评价将由裂缝检测与诊断和宏观效果评价两部分组成 裂缝检测与诊断通常采用微震检测 测斜仪实时监测 测井跟踪和压力恢复分析等方法 了解裂缝发育情况及分布形态 包括缝高 缝长 方位与扩张能力 宏观效果评价将主要了解压裂措施产生的作用和影响 通常采用生产测井和地层测试等方法 获得煤层压裂后的流体流动特性参数和地层特性参数 结合压裂井生产测试结果 对压裂设计方案进行技术和生产效果评价 有时还会利用这些测试结果 结合经济指标 对压裂设计进行经济效果分析 第三节煤层气井增产措施 三 煤层气井压裂技术煤层气井压裂处理主要有四大目的 第一 避开井筒附近被污染的地层 第二 更有效地连通井筒与煤层的天然裂缝系统 第三 增产且加速脱水 增大煤层气解吸速度 第四 扩大井筒附近压降分布范围 避免应力集中以及降低煤粉量 煤层气井采用的压裂方法包括 交联凝胶压裂 水力压裂 不加砂水力压裂和泡沫压裂 对初次压裂效果不佳的煤层气井 可以进行重复压裂 以便增产 第三节煤层气井增产措施 1 水力压裂技术水力压裂技术是采用地面高压压裂泵车 以高于储层吸入的速度 从井的套管或油管向井下注入压裂液 当井筒的压力增高 达到克服地层的地应力和岩石抗张强度时 岩石开始出现裂缝 形成一条或数条裂缝 水力压裂包括三个主要技术环节 一是在煤层中劈开裂缝 二是把劈开的裂缝通过支撑剂支撑 三是把井筒中的支撑剂顶替到煤层中 第三节煤层气井增产措施 2 高能气体压裂高能气体压裂具有成本低 施工简便的特点 其中裸眼压裂弹 有壳弹 无壳弹 深穿透复合射孔技术等已广泛应用 煤层气井高能气体压裂技术发展的趋势有 在煤层部位采用 爆炸松动 法 大面积提高渗透率增加产气量 深穿透复合射孔联作增产技术 多级脉冲高能气体压裂增产技术 2007年 由中原油田井下特种作业处设计施工的LG 3井二氧化碳压裂煤层气井获得成功 这是我国首次在煤层气开发中应用二氧化碳压裂技术 第三节煤层气井增产措施 3 复合射孔压裂复合射孔压裂的作用原理 是把射孔技术与高能气体压裂技术融合在一起对地层进行复合作用 提高地层渗透导流能力 以达到实现增加油气井产量的目的 向煤层射孔后 能在近井地带形成多条微裂隙 紧随着的气体压裂将会在射孔形成的裂隙处生成裂缝并得以延伸 有利于沟通煤层的天然裂隙或割理 达到降压解附 改善煤层渗透性 提高煤层气产量的目的 复合射孔压裂的优点是 其作用产生的介质是金属粒子流与高压高速气体 能穿透煤粉与煤碎屑的堵塞 十分有效的疏通裂缝 从本质上提高了煤层的渗透性 第三节煤层气井增产措施 4 液态CO2压裂工艺技术液态CO2压裂工艺技术 是指将CO2在低于临界温度和高于临界压力条件下 以液体的状态用专用的泵注入煤层 液态CO2压裂技术与常规压裂方法在工艺技术上的主要差别是 液态CO2压裂首先将支撑剂加压降温到液态CO2的储罐压力和温度 在专用的混砂机内与液态CO2混合 然后用高压压裂泵泵入井筒进行压裂 而常规压裂方法是先把支撑剂与携砂液混合 然后一起泵入井筒 液态CO2压裂工艺技术对煤层的适应性表现在 具有低压 压裂液返排困难 的特点 压裂后排液更加迅速彻底 具有低渗且煤岩吸附性强的特点 压裂成本低 经济效益好 第三节煤层气井增产措施 5 连续管压裂技术连续管压裂压裂方式可以减少成本提高响应速度 通过这种系统可以对压裂施工进行精确的设计 在更好的位置进行填充 减少施工的时间 这个系统目前在Raton盆地的VermejoParkRanch的煤层使用 相对传统的压裂技术 连续管压裂每口井的成本要便宜3000美元 而且压裂的效率要提高10 22 二 注气注气开采煤层气 是向储层注入N2 CO2 烟道气等气体 其实质是向煤层注入能量 改变压力传导特性和增大或保持扩散速率不变 从而达到提高单产量和采收率的目的 第三节煤层气井增产措施 注气开采的增产机理 当向煤层中注入的气体吸附能力大于甲烷时 吸附能力大的气体要排挤甲烷使甲烷解吸 这种作用称作竞争吸附置换 煤的表面张力一定 当注入直径较小的气体分子能进入较小孔隙使其表面张力降低 并使其不再对外部的气体分子产生吸附力 从而引起孔隙外部的另一种气体分子吸附能力降低或引起其解吸 这种作用称为筛滤吸附置换 依据扩散渗流理论和多组分