煤层气井排采理论与技术[深度荟萃]

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1、 事实上，在原地储层条件下的煤层气主要呈事实上，在原地储层条件下的煤层气主要呈吸附态吸附态赋存于煤层孔隙内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。表面被大量的等温吸附实验和煤层气开发实践所证实。煤层气赋存状态：煤层气赋存状态：(1)(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接近吸附饱和状态，很少有吸附过饱和状态。这一

2、事实充分证明煤层气的赋存状态的赋存状态以吸附为主以吸附为主。证据有三：证据有三：煤层气赋存状态：煤层气赋存状态：(2)(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。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。出的特征。证据有三：证据有三：煤层气赋存状态：煤层气赋存状态：(3)(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。气含量值而言是微不足道的。

3、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升水所能溶解的甲烷也不过0.05 0.05 3.113.11升。若煤层孔隙按升。若煤层孔隙按30%30%（此假（此假设值远大于实际情况）计算，每吨煤最多也只有设值远大于实际情况）计算，每吨煤最多也只有0.25m0.25m3 3的水；用最大的水；用最大溶解度溶解度 3 L/L3 L/L计算，每吨煤最多计算，每吨煤最多溶解溶解甲烷只不过是甲烷只不过是0.750.75mm3 3证据有三：证据有三：煤层气赋存状态：煤层气赋存状态：解吸解吸扩散扩散渗流渗流解吸模型解

4、吸模型LangmuirLangmuir方程方程式中：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。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。扩散模型扩散模型FickFick定律定律渗流模型渗流模型DarcyDarcy定律定律式中：Vl为l相的渗流速度，m/s；l 为l相的粘滞系数，Mpas；Pl为l相的压差，MPa；L 为渗流途径的长度

5、，m；Kl为l相的有效渗透率，10-3m2；K 为多孔介质的绝对渗透率，10-3m2；Krl为l相的相对渗透率，10-3m2。VKuPLllllKl=K Krl煤层气物理吸附煤层气物理吸附煤层气物理解吸煤层气物理解吸作用过程作用过程吸附偶于煤的热演化生烃、排烃过程之中吸附偶于煤的热演化生烃、排烃过程之中（是一种（是一种“自发过程自发过程”）人为的排水人为的排水-降压降压-解吸过程解吸过程（是一种（是一种“被动过程被动过程”）作用时间作用时间吸附是一个漫长的过程吸附是一个漫长的过程以百万年计以百万年计解吸是一个相对较快的过程解吸是一个相对较快的过程以天、以小时计以天、以小时计作用条件作用条件煤具

6、有很强的吸附能力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、增压煤层在演化中逐步脱水、升温、增压煤具有更强的吸附能力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有限的降压和极有限的基质孔隙空间几乎是恒定的温度几乎是恒定的温度影响因素影响因素煤质、基质孔隙内表面积等煤质、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为游离态的煤层气逸散速度等 大量的实验研究表明，煤层气吸附大量的实验研究表明，煤层气吸附/解吸具有解吸具有一定的可逆性一定的可逆性并且并且解吸解吸表现出一定的滞后性表现出一定的滞后性，这是，这是

7、一个问题的两个方面一个问题的两个方面，是物理吸附客观本质，是物理吸附客观本质的体现。的体现。根据煤层气解吸条件和解吸特征（物理），将其解吸分为：降压解吸降压解吸置换解吸置换解吸扩散解吸扩散解吸升温解吸升温解吸 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。（1）降压解吸）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

8、缪尔方程。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。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

9、、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”。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

10、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。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

11、价煤层气富集程度和可采性的重要综合指标。废废弃弃压压力力临临界界解解吸吸压压力力实实测测储储层层压压力力理论吸附量理论吸附量实测气含量实测气含量残余气含量残余气含量临界产气压力（井底流压临界产气压力（井底流压)废废弃弃压压力力临临界界解解吸吸压压力力实实测测储储层层压压力力理论吸附量理论吸附量实测气含量实测气含量残余气含量残余气含量临界产气压力（井底流压临界产气压力（井底流压)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

12、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 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。废废弃弃压压力力临临界界解解吸吸压压力力实实测测储储层层压压力力理论吸附量理论吸附量实测气含量实测气含量残余气含量残余气含量临界产气压力（井底流压临界产气压力（井底流压)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。废废弃弃压压力力临临界界解解吸吸压压力力实实测测储储层层压压力力理论吸附量理论吸附量实测气含量实测气含量残余气

13、含量残余气含量临界产气压力（井底流压临界产气压力（井底流压)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。废废弃弃压压力力临临界界解解吸吸压压力力实实测测储储层层压压力力理论吸附量理论吸附量实测气含量实测气含量残余气含量残余气含量临界产气压力（井底流压临界产气压力（井底流压)2023-4-12495年年 1月，月，9口口95年年 7月，月，7口，共口，共16口口95年年12月，月，5口，共口，共21口口96年年5月，月，10口，共口，共31口口96年年10月，月，10口，共口，共41口口97年年 1月，月，12口，共口，共53口口井网排采有利于提高煤层气

14、产量拉顿盆地拉顿盆地井网排采增井网排采增 加煤层气产量的成功实例加煤层气产量的成功实例 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）（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）（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）（煤粉堵塞伤害、气锁水锁伤害等）无因次渗透率与围压和有效压力的关系无因次渗透率与围压和有效压力的关系煤层气储集特征（吸附）煤层气储集特征（吸附）煤层气产出的先决条件是煤层气产出的先决条件是降压解吸降压解吸排水排水降压降压解吸解吸产气产气项目项目条件

15、条件有杆泵有杆泵电潜泵电潜泵水力泵水力泵气举气举螺杆泵螺杆泵射流泵射流泵排量排量m m3 3/d/d正常范围正常范围1 11001008080700700303060060030303003005 52502501010300300最大值最大值50050014001400124512451000100010001000500500泵深泵深m m正常范围正常范围300030002000200035003500300030001500150020002000最大值最大值442044202500250054865486365836583000300035003500井身井身斜井斜井一般一般适宜适宜适

16、宜适宜很适宜很适宜不宜不宜适宜适宜环境环境气候恶劣气候恶劣一般一般适宜适宜适宜适宜很适宜很适宜一般一般适宜适宜操作操作问题问题高气水比高气水比较好较好一般一般一般一般很适宜很适宜较好较好一般一般出砂出砂较好较好不适宜不适宜一般一般很适宜很适宜适宜适宜一般一般维修维修管理管理检泵工作检泵工作较大较大大大容易容易容易容易较大较大容易容易免修期免修期2 21.51.50.50.53 31 10.50.5自动控制自动控制适宜适宜适宜适宜适宜适宜一般一般一般一般适宜适宜生产测试生产测试一般一般不适宜不适宜不适宜不适宜很适宜很适宜不适宜不适宜不适宜不适宜灵活性灵活性适宜适宜适宜适宜适宜适宜很适宜很适宜一般

17、一般适宜适宜各种排水采气工艺对比各种排水采气工艺对比单管气举井下管柱示意图单管气举井下管柱示意图（a a）开式管柱；（）开式管柱；（b b）半闭式管柱；（）半闭式管柱；（c c）闭式管柱）闭式管柱气举过程气举过程（a a）停产时；（）停产时；（b b）环形液面达到管鞋；（）环形液面达到管鞋；（c c）气体进入油管）气体进入油管气举井压力分布气举井压力分布套管内的气柱静压力近似直线分布，即套管内的气柱静压力近似直线分布，即 avavscscgsccogZTpxgTpxp1)(气举井内的压力及其分布气举井内的压力及其分布 气举井生产时的压力平衡式为气举井生产时的压力平衡式为)(LHGHGppoDd

18、fgiDufwhwf“三抽”设备：抽油抽油机机抽油抽油杆杆抽油抽油泵泵井下部分井下部分潜水电机、保护器、分离器潜水电机、保护器、分离器和多级离心泵和多级离心泵 中间部分中间部分 地面部分地面部分 潜水电缆潜水电缆 控制屏和变压器控制屏和变压器 潜水潜水电泵电泵供电供电流程流程 地面电源地面电源潜水电机潜水电机控制屏控制屏变压器变压器潜水电缆潜水电缆潜水潜水电泵电泵抽油抽油工作工作流程流程 分离器分离器单流阀单流阀多级离心泵多级离心泵井口井口泄油阀泄油阀地面管线地面管线 煤层气井的排采设备选择是保障煤层气井长期、稳定和连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。续排采的

19、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。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。控制能力。煤层气井的排采设备可分为煤层气井的排采设备可分为地面设备地面设备和和井下设备井下设备。点点火火装装置置 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。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

20、内外煤层深度多在1200m以浅，选择35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=0.700.95W Tmax=0.600.95T W-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Wmax0.70W，Tmax0.60T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。抽油机：抽油机：抽油机：抽油

21、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

22、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。气锚：煤层气井排采是在气、液两相下进行的。在排采过程中，气体是影响生产的主要问题之一，即降低泵效和产率。气锚是在井下将水中的游离气体直接分离进油管环空的必要措施之一。砂锚：砂锚的主要作用是在液体进泵前分离随储层水而出的地层砂，防止抽油泵磨损，增加泵的使用年限，减少卡泵事故发生。煤层气井排采工作制度是指为适应煤层气储层地质特征和满足生产煤层气井排采工作制度是指为适应煤层气储层地质特征和满足生产需要时的产量和压力应遵循的关系。排采工作制度主要分以下几种：需要时的产量和压力应遵循的关系。排采工作制度主要分以下几种：压力管理压力管理液面液面产水量产水量产气量产气量套管压力套管压力煤粉管理煤粉管理连续性连续性可控性可控性设备维护设备维护储层维护储层维护1、最大程度地控制煤粉2、精细化控制排采速度3、自动化录取排采信息采用新的排采系统的优势：-减少修井-减少排采人员及成本-连续稳定排采-气体产量及采收率最大化采用的新的排采设备系统会增加一部分成本，但相对于可以获得的持续稳定高产来说，这些增加的投资是微不足道的