煤层气井排采理论与技术

煤层气井排采理论与技术第1页/共49页事实上，在原地储层条件下的煤层气主要呈吸附态赋存于煤层孔隙内表面被大量的等温吸附实验和煤层气开发实践所证实。煤层气产出机理煤层气赋存状态：第2页/共49页(1)通过将实测煤层气含量数据与等温吸附实验所获得的理论吸附量进行对比发现，绝大多数样点的煤层气吸附饱和度处于吸附欠饱和或接近吸附饱和状态，很少有吸附过饱和状态。这一事实充分证明煤层气的赋存状态以吸附为主。证据有三：煤层气产出机理煤层气赋存状态：第3页/共49页(2)煤层气开发实践进一步证实，煤层气以吸附为主的赋存特点。几乎所有煤层气井都是在排水降压之后才开始产气的，不具备游离气产出的特征。证据有三：煤层气产出机理煤层气赋存状态：第4页/共49页(3)尽管煤层孔隙及裂隙中充满了水，但水溶甲烷量相对实测煤层气含量值而言是微不足道的。甲烷水溶实验表明，在通常煤储层温度、压力和矿化度条件下，每升水所能溶解的甲烷也不过0.05～3.11升。若煤层孔隙按30%（此假设值远大于实际情况）计算，每吨煤最多也只有0.25m3的水；用最大溶解度3L/L计算，每吨煤最多溶解甲烷只不过是0.75m3证据有三：煤层气产出机理煤层气赋存状态：第5页/共49页经典的3D理论：煤层气产出机理解吸—扩散—渗流第6页/共49页解吸模型－Langmuir方程式中：C(p)—吸附量，m3/t；

VL—兰氏体积，m3/t；

P—地层压力,MPa；

PL—兰氏压力,MPa。经典的3D理论：煤层气产出机理第7页/共49页式中：qm为煤基质中甲烷扩散量，m3/day；

D为扩散系数，m2/day；为形状因子，m-2；g为甲烷的密度，t/m3；

Vm为煤基质块的体积，m3;C(t)为煤基质中甲烷的平均浓度，m3/t;C(P)为基质-割理边界上的平衡甲烷浓度，m3/t。扩散模型－Fick定律经典的3D理论：煤层气产出机理第8页/共49页渗流模型－Darcy定律式中：Vl为l相的渗流速度，m/s；l为l相的粘滞系数，Mpa·s；Pl为l相的压差，MPa；

L为渗流途径的长度，m；

Kl为l相的有效渗透率，×10-3μm2；

K为多孔介质的绝对渗透率，×10-3μm2；

Krl为l相的相对渗透率，×10-3μm2。Kl

=KKrl经典的3D理论：煤层气产出机理第9页/共49页煤层气物理吸附煤层气物理解吸作用过程吸附偶于煤的热演化生烃、排烃过程之中（是一种“自发过程”）人为的排水-降压-解吸过程（是一种“被动过程”）作用时间吸附是一个漫长的过程以百万年计解吸是一个相对较快的过程以天、以小时计作用条件煤具有很强的吸附能力煤热演化生成的煤层气足以满足煤的吸附煤层在演化中逐步脱水、升温、增压煤具有更强的吸附能力有限的降压和极有限的基质孔隙空间几乎是恒定的温度影响因素煤质、基质孔隙内表面积等解吸为游离态的煤层气逸散速度等解吸与吸附的差异：煤层气产出机理第10页/共49页大量的实验研究表明，煤层气吸附/解吸具有一定的可逆性并且解吸表现出一定的滞后性，这是一个问题的两个方面，是物理吸附客观本质的体现。解吸与吸附的差异：煤层气产出机理第11页/共49页

根据煤层气解吸条件和解吸特征（物理），将其解吸分为：降压解吸置换解吸扩散解吸升温解吸

等四个亚类。

当然，在这四类解吸作用中降压解吸是其中最主要的也是对煤层气产出贡献最大的。解吸动力学特征及解吸类型：煤层气产出机理第12页/共49页（1）降压解吸降压解吸是一种最特征的物理解吸作用过程，也是煤层气开采过程中最最主要的一种解吸作用。降压解吸的基本特征是，被吸附在煤基质孔隙内表面的煤层气分子由于“外界压力”的降低而变得更为活跃，以致于解脱了范德华力的束缚，由吸附态变为游离态。根据目前对降压解吸的基本认识，其解吸行为基本服从朗缪尔方程。解吸动力学特征及解吸类型：煤层气产出机理第13页/共49页（2）置换解吸置换解吸的本质是未被吸附的其他气体分子或水分子为而置换了处于吸附态的甲烷分子的位置，从而使原呈吸附态的甲烷分子变为游离态，故普遍存在于煤层气开采过程之中。事实上，置换解吸是“优胜劣汰的自然法则”的具体体现。一方面，未被吸附的其他气体分子和水分子，在普遍存在于各种原子、分子之间的范德华力作用下在不停地争取被吸附的机会，以力图达到动态平衡状态；另一方面，气体分子的热力学性质决定了这些被吸附的气体分子在不停地争脱范德华力束缚，变吸附态为游离态。解吸动力学特征及解吸类型：煤层气产出机理第14页/共49页（3）扩散解吸根据分子扩散理论，只要有浓度差存在，就有分子扩散运动，这是气体分子热力学性质所决定的。研究表明，甲烷气体分子在煤的孔隙内表面得以高度富集，这就与孔隙、裂隙内的流体构成了高梯度的浓度差，这种浓度差迫使甲烷分子扩散，从而造成非常规解吸。基于扩散的普遍存在性，因此扩散解吸也是煤层气开采过程中煤层气解吸的重要的一种作用类型。鉴于扩散解吸的实质是由于浓度差造成的扩散而导致的“解吸”，因此这种扩散的本身是偶于“解吸作用”之中的，是解吸作用与扩散作用的耦合。从解吸的角度，称之为“扩散解吸”。解吸动力学特征及解吸类型：煤层气产出机理第15页/共49页（4）升温解吸据现代物理化学研究表明，吸附剂对吸附质的吸附量是吸附质、吸附剂的性质及其相互作用、吸附平衡时的压力和温度的函数。温度与吸附量呈负相关，与解吸量呈正相关。温度升高，加速了气体分子的热运动，使其具有更高的能力可以逃逸范德华力的束缚而被解吸。有人将温度对解吸速率和解吸量的影响归于影响因素，我们认为温度与压力一样，都是引起解吸的一种动力，应将其定为一种解吸类型。这一类型在煤层气含量测定实验中早已得到证实。我们可以发现，在煤层气含量测定过程中，当解吸罐放入恒温水箱时，即使解吸罐内的压力在升高，煤层气解吸也会加速。在煤层气开采过程中，其温度往往几乎是“恒定的”。这是因为在煤层气开采过程中，无论是煤层气解吸、扩散还是渗流甚至水的渗流，均没有条件引起煤层温度发生重大变化。即使大量产水需要运距离的水源补给，也会在渗流过程中使其温度均衡。解吸动力学特征及解吸类型：煤层气产出机理第16页/共49页煤层气吸附饱和度是指煤层在一定的温度、压力和湿度等条件下对甲烷的吸附饱和程度，实际气含量与理论吸附量之比，一般用百分比表示。吸附饱和度是评价煤层气富集程度和可采性的重要综合指标。常规油气饱和度是指孔隙体积比吸附饱和度及物理意义：煤层气产出机理废弃压力临界解吸压力实测储层压力理论吸附量实测气含量残余气含量临界产气压力（井底流压)第17页/共49页吸附饱和度及物理意义：煤层气产出机理废弃压力临界解吸压力实测储层压力理论吸附量实测气含量残余气含量临界产气压力（井底流压)第18页/共49页饱和煤层（A）含有最大的气含量，这在理论上是可能的，如由实验室确定的等温吸附曲线所定义的。在开始脱水和压力下降时，气生产立即开始。

欠饱和煤层（B）含有比煤层可能吸附量要少的甲烷，由于先前发生过脱气事件。为了使气产气甚至需要几年的时间进行脱水和降压，而最终的储量减少。

饱和的

欠饱和的

吸附饱和度及物理意义：煤层气产出机理第19页/共49页气含量测定误差吸附饱和度误差等温吸附曲线实验误差地层压力测试误差吸附饱和度及物理意义：煤层气产出机理第20页/共49页

在煤层气开采过程中，随着排水降压，煤层中流体的压力将逐步降低，煤层气开始解吸时刻对应的压力则被称之为“煤层气临界解吸压力”，一般用MPa表示。临界解吸压力是评价煤层气可采性的重要指标。临界解吸压力及物理意义：煤层气产出机理废弃压力临界解吸压力实测储层压力理论吸附量实测气含量残余气含量临界产气压力（井底流压)第21页/共49页临储压力比为临界解吸压力与储层压力之比，临储压力比越大，表明越易于排采。临储压力比及物理意义：煤层气产出机理废弃压力临界解吸压力实测储层压力理论吸附量实测气含量残余气含量临界产气压力（井底流压)第22页/共49页在煤层气开采过程中，煤层气开始大量产出时刻的井底流压则被称之临界产气压力。临界产气压力(井底流压)及物理意义：煤层气产出机理废弃压力临界解吸压力实测储层压力理论吸附量实测气含量残余气含量临界产气压力（井底流压)第23页/共49页2023/4/17中国石油大学（北京）煤层气研究中心24压降漏斗与产出特征：煤层气产出机理第24页/共49页

井间干扰对煤层气生产是一项最有效的实现稳定高产的技术措施。而对常规天然气生产却恰恰相反，井间干扰会导致常规天然气产量大幅度锐减。井间干扰促进煤层气井稳定高产的原理在于，在储层条件下煤层气是呈吸附态存在的，煤层气产出需要通过排水-降压使其从煤的基质孔隙内表面解吸下来，因此井间干扰是造成有效降压的技术手段。

区域压力降、井间干扰与产气特征：煤层气产出机理第25页/共49页95年1月，9口95年7月，7口，共16口95年12月，5口，共21口96年5月，10口，共31口96年10月，10口，共41口97年1月，12口，共53口井网排采有利于提高煤层气产量拉顿盆地井网排采增加煤层气产量的成功实例

区域压力降、井间干扰与产气特征：煤层气产出机理第26页/共49页排采过程中的产层伤害与保护煤层气井排采过程中产层伤害的主要原因与伤害机理：1.排采过快带来的伤害（应力敏感伤害、气锁水锁伤害、吐粉伤害等）2.修井作业带来的伤害（外来物质伤害）3.关井带来的伤害（煤粉堵塞伤害、气锁水锁伤害等）第27页/共49页排采过程中的产层伤害与保护第28页/共49页无因次渗透率与围压和有效压力的关系排采过程中的产层伤害与保护第29页/共49页煤层气储集特征（吸附）煤层气产出的先决条件是降压解吸煤层气开采工艺排水——降压——解吸——产气煤层气井排采工艺第30页/共49页项目条件有杆泵电潜泵水力泵气举螺杆泵射流泵排量m3/d正常范围1～10080～70030～60030～3005～25010～300最大值5001400124510001000500泵深m正常范围<3000<2000<3500<3000<1500<2000最大值442025005486365830003500井身斜井一般适宜适宜很适宜不宜适宜环境气候恶劣一般适宜适宜很适宜一般适宜操作问题高气水比较好一般一般很适宜较好一般出砂较好不适宜一般很适宜适宜一般维修管理检泵工作较大大容易容易较大容易免修期21.50.5310.5自动控制适宜适宜适宜一般一般适宜生产测试一般不适宜不适宜很适宜不适宜不适宜灵活性适宜适宜适宜很适宜一般适宜煤层气井排采工艺各种排水采气工艺对比第31页/共49页煤层气井排采工艺单管气举井下管柱示意图（a）开式管柱；（b）半闭式管柱；（c）闭式管柱第32页/共49页煤层气井排采工艺气举过程（a）停产时；（b）环形液面达到管鞋；（c）气体进入油管第33页/共49页煤层气井排采工艺气举井压力分布套管内的气柱静压力近似直线分布，即

气举井内的压力及其分布

气举井生产时的压力平衡式为

第34页/共49页煤层气井排采工艺“三抽”设备：抽油机抽油杆抽油泵是否有游粱游粱式抽油机无游粱式抽油机结构不同常规型前置型异相型大轮式旋转驴头式六杆式双游粱型宽带式增距式链条式结构不同第35页/共49页煤层气井排采工艺井下部分潜水电机、保护器、分离器和多级离心泵

中间部分

地面部分

潜水电缆

控制屏和变压器

潜水电泵供电流程

地面电源潜水电机控制屏变压器潜水电缆潜水电泵抽油工作流程

分离器单流阀多级离心泵井口泄油阀地面管线第36页/共49页

煤层气井的排采设备选择是保障煤层气井长期、稳定和连续排采的前提条件。首先排采设备必须性能可靠，持久耐用，节能低耗，易于维修保养。其次，要有从低排量到高排量较大范围内的排液能力与控制排液能力，还要有较强的和较灵敏的井口及产气系统的压力控制能力。煤层气井的排采设备可分为地面设备和井下设备。煤层气井排采工艺第37页/共49页点火装置

煤层气井排采工艺第38页/共49页煤层气井排采工艺第39页/共49页井口装置：井口装置可选择250型采油树或采气井口，并且要装有防喷盒。煤层气井排采工艺第40页/共49页根据储层埋深及相应的井下泵挂深度选择与之相适应型号的抽油机。由于目前国内外煤层深度多在1200m以浅，选择3～5型的抽油机较为适宜，并且配备与之相适应的动力系统，即可确保排采作业的正常运转。选择抽油机的基本原则：在满足泵深及产液量的基础上，既要发挥抽油机的能力，又不致超负荷运转。因此，光杆最大悬点载荷不允许超过抽油机额定悬点载荷，曲柄的最大扭矩不允许超过减速器的额定扭矩。

Wmax=0.70～0.95WTmax=0.60～0.95TW---光杆最大悬点载荷

Wmax---光杆额定悬点载荷

T、Tmax---曲柄最大扭矩和减速器的额定扭矩如果Wmax<0.70W，Tmax<0.60T时，则应选择下一个级别型号的抽油机，以节省能耗，发挥抽油机的最大工作能力。煤层气井排采工艺抽油机：第41页/共49页煤层气井排采工艺抽油机：气体流量计：气体流量计是用来随时测量储层产气情况的重要仪器之一。计量表的类型多种多样。通过实践，采用涡轮式气体流量计较为适宜，因为涡轮式气体流量计具有精度高、耐压、耐腐、直读累计、价格低廉等优点。回声仪：煤层气井的排采对动液面的要求比较高，由于煤储层的解吸压力较低，几十米甚至十几米的深度误差将对排采决策产生非常重要的影响。因此，回声仪要求测量准确、精度高。要统一型号和误差标准。对不同类型的回声仪，在使用前要进行统一的深度标定。示功仪：示功仪用来随时监测并诊断抽油机及井下泵的工作情况，以便使抽油机及井下泵工作达到最佳状态。水分析仪器：水分析仪器用来进行水中氯离子含量和PH值的测定。水分析仪器用来进行水中氯离子含量和PH值的测定。及时检测储层水的各项离子含量变化和压裂液的返排速率情况。含砂仪：含砂仪用来对排出地面的地层水中的含砂量进行测定，以便及时了解储层的出砂情况。第42页/共49页煤层气井排采工艺第43页/共49页气锚：煤层气井排采是在气、液两