煤層氣井超聲霧化連續氣舉排水技術探討

程 浩 白建梅 湯繼丹

(中國石油華北油田采油工藝研究院, 河北 062552)

煤層氣井的開采主要通過排水降壓使吸附在煤中的甲烷氣體解吸來實現的, 煤巖應力敏感較為明顯, 排水降壓要求液面長期、連續、穩定下降, 特別是在煤層氣井排采中后期, 必須控制好排水采氣的速度, 保持井底流動壓力和煤層的壓力相對穩定, 防止氣、水混合流體在煤層中流速過快, 引發煤層內固相顆粒的運移, 避免煤層受到不必要的傷害。

沁水盆地煤層氣井排采中后期日產水量通常在1m3以下, 日產氣量通常大于1000m3/d, 目前使用的排水工藝主要有整筒泵排水工藝、電潛離心泵排水工藝、螺桿泵排水工藝, 上述工藝對產水量較小的情況均有局限性, 不能很好滿足排采的需求, 在天然氣開采中有利用超聲霧化排液工藝的研究, 適用于產液量較小 (包括凝析液和自由液體) 、產氣量較大的天然氣井, 煤層氣井與天然氣井不同。投產后需要先進行排水降壓, 相對天然氣井產氣量小, 井底流壓低, 利用超聲霧化排水必須設計適用于煤層氣井的工藝流程和管柱結構。

1 超聲霧化排水原理

1．1 氣井連續攜液理論

氣井攜液的理論認為, 在氣井開采過程中, 當井底氣體流速達到氣井攜液臨界流速時, 井內液體會隨氣體一起流出, 一般情況下液體會以液滴或霧狀形式隨氣體流到地面。其中主要的理論是Turner、李閩等人提出的液滴模型理論和楊川東等人提出的優選管柱理論。

Turner 等人提出了確定氣井攜液的兩種模型,即液膜模型和液滴模型, 用礦場資料對兩個模型進行了檢驗后認為液滴模型更實用, 適用于氣液比大于1367 的工況。李閩等人的液滴理論是在Turner等人的液滴理論基礎上提出的, 考慮了被高速氣流攜帶的液滴變形的情況, 選取了不同的曳力系數,導出了新的臨界流速公式：

式中 v——氣體攜液臨界流速, m/s;

ρv——水的密度, kg/m3;

ρg——煤層氣的密度, kg/m3;

σ——氣水表面張力, N/m;

q——氣體攜液的臨界流量, 104m3/d;

A ——油管內截面積, m2;

p——壓力, MPa;

z——氣體偏差系數;

T——溫度, K;

曳力系數取1．0。

由液滴模型理論可知：

(1) 臨界流速與液滴直徑有關, 液滴直徑越大, 對應的臨界流速越大;

(2) 管柱內徑對臨界流量有明顯的影響;

(3) 臨界流量與壓力、溫度有關, 與氣液比無關, 應把井筒中臨界流速和臨界流量最小的位置點作為計算條件, 對于僅產生少量液體的氣井, 可以根據井口條件來預測臨界流速和臨界流量, 對于產出大量液體的氣井, 可根據井底條件來預測臨界流速和臨界流量。

分析山西沁水煤層氣井的實際生產情況, 在排采的后期, 產氣量與產液量比大于1367, 因此,本文在設計以氣井攜液理論為基礎的煤層氣井排采工藝時選用李閩等人的液滴理論。

1．2 超聲霧化原理

超聲霧化是在超聲作用下, 液體在氣相中分散而形成微細霧滴的過程。超聲霧化的原理是： 當超聲作用于液體時, 處于振動表面的薄液層激起毛細重力波。當振動面的振動幅度達到一定值時, 液滴從駐波波峰上飛出而成霧。

2 超聲霧化排水工藝流程

圖1 超聲霧化排水工藝流程圖

根據上述煤層氣井開發情況和超聲霧化原理以及石油天然氣行業排水采氣工藝技術的研究, 提出煤層氣井利用超聲霧化排水的工藝技術。先利用超聲方法將井底水進行霧化, 再利用注入氣或煤層氣井生產氣流排至地面, 主要包括地面和井下兩部分, 地面主要由控制系統、氣體壓縮系統和氣液分離系統組成, 井下由井下注氣、排水管柱和超聲波霧化器及井下傳感器等組成。井下超聲波霧化器包括若干個超聲波換能器, 數量根據煤層氣井產液的具體情況設計。

工藝流程如圖1 所示, 超聲波霧化器接在井下注氣管柱下端, 隨管柱送到井底液體中, 地面控制系統中的超聲波霧化器專用電源通過井下電纜給井下的超聲波霧化器提供電能, 霧化器的底部安裝有可控制進液開關, 系統啟動時, 先運行霧化器, 再打開進液開關, 保證合適的進液量。超聲波霧化器工作時將水霧化成微米級的小水珠, 當煤層氣井在排水階段未產氣時, 霧化后的小水珠隨注入井下的氣體通過排水管柱排至地面; 當煤層氣井產氣時,霧化后的小水珠隨生產氣流通過排水管柱排至地面, 產出液在地面進行分離后進入氣、水管線, 地面控制系統通過井下傳感器采集井下液面、壓力、溫度等井下參數, 經過控制系統判斷后通過控制井下超聲波霧化器的霧化量來控制產水量。

3 設備選擇

3．1 超聲波換能器選型

在實際生產中, 氣流中夾帶的液滴和管壁上的液膜之間不斷交換, 液膜下降最終又破碎成液滴,因此為了最大限度的降低臨界流速, 可以利用霧化器在井底將液體霧化, 霧滴直徑小于或等于管柱中能形成的最大液滴直徑即可。

氣體攜液時液滴直徑由氣體的慣性力和液體表面張力控制, 氣流的慣性力試圖使液滴破碎, 而表面張力試圖使液滴聚集, 韋伯數綜合考慮了這些力的影響, 當韋伯數超過20～30 的臨界值時, 液滴將會破碎, 不存在穩定液滴。最大直徑由以下公式確定：

式中 Nwe——韋伯數;

v——氣體攜液臨界流速, m/s;

ρg——煤層氣的密度, kg/m3;

d——最大液滴直徑, m;

σ——氣水表面張力, N/m。

對于沁水煤層氣井, 井底溫度298K, 產氣時井底流壓0．1～0．5MPa 之間, 氣體中甲烷含量達到98%以上, 液體主要為水, 臨界流速的計算可取以下值： 水的密度1074kg/m3, 氣體密度取甲烷密度0．7kg/m3, 氣水表面張力0．06N/m。計算可得臨界流速為8．5m/s; 最大液滴直徑為36mm。

霧滴直徑大小與振動頻率及液體的物理參數有關, 改變超聲頻率可方便地控制霧滴直徑的大小,而且霧滴直徑大小分布比較均勻。對于水, 當超聲頻率為10～100kHz 時, 其霧粒直徑為120～30μm,換能器振動頻率選擇10～100kHz, 霧化的液滴直徑即能滿足煤層氣井氣體攜液的要求。

超聲霧化的速度與聲強大小密切相關, 聲強大, 則霧化量大, 考慮煤層氣產液的實際情況, 選擇換能器最大外徑不超過100mm, 多個換能器總霧化量達到1～5m3/d。

3．2 排水管柱選型

得到臨界流速后, 通過公式 (2) 可以得到臨界流量與對應的管柱內徑的關系：

式中 D——管柱內徑, m;

q——氣體攜液的臨界流量, 104m3/d。

由上式看出, 臨界流量越小則對應的管柱內徑越小, 為了在煤層氣井產氣時利用生產氣流進行排液, 根據煤層氣井的實際情況, 選取溫度298K,壓力為0．5MPa, 氣體偏差系數0．93, 臨界流速8．5m/s, 則可以得到不同日產氣量做為臨界流量時利用生產氣流排液對應的管柱內徑, 如表1。

表1 不同日產氣量對應的管柱內徑

考慮沁水煤層氣井實際情況, 參考煤層氣井經濟產量, 選擇臨界流量為1000m3/d, 則管柱內徑選擇18mm。

排水管柱下面不懸掛工具, 材質及壁厚只考慮自身重力及腐蝕等原因, 而沁水煤層氣井深一般在1000m 以內, 經過優選, 壁厚1mm 內徑18mm 的不銹鋼管即能滿足要求。

3．3 空氣壓縮機選型

空氣壓縮機是地面空氣壓縮系統的主要設備,在煤層氣井未產氣時, 排液的氣體由空氣壓縮機提供, 這里主要考慮空氣壓縮機的出口壓力和排量。

臨界流速計算時考慮到利用煤層氣生產氣流攜液, 選擇壓力為0．5MPa, 因此空氣壓縮機出口壓力也選擇0．5MPa?？諝鈮嚎s機排量要達到相應管柱內徑時的臨界流量即可。綜合考慮, 地面空氣壓縮機選擇日排量1000m3, 排氣壓力0．5MPa 即可。

4 技術適應性分析

4．1 技術適應性

以李閩等人的液滴模型理論和超聲霧化理論為基礎, 根據山西沁水煤層氣開發實踐設計的煤層氣井超聲霧化排采工藝技術能夠適用于日產水量小于5m3、氣液比大于1367、舉升高度小于1000m、出砂出煤粉不嚴重的煤層氣井; 同時該排采工藝技術也適用于其他工況的煤層氣井, 但需要根據具體工況選擇關鍵設備。

由于排液量較其他排采設備可更精確的控制,因此能更好的滿足煤層氣井井底壓力嚴格控制的需求, 同時超聲波換能器在井下煤層位置工作, 能夠有效防止和治理煤粉及其他固體顆粒堵塞煤層孔隙系統, 對近井地帶煤層具有一定的解堵和清洗作用。另外, 超聲波換能器相比其他排采設備功耗很小, 生產管理簡單, 能夠有效節約能源, 降低生產損耗, 降低運行成本。

4．2 需要進一步研究的問題

(1) 井下超聲波霧化器需要通過井下動力電纜供電, 另外, 地面注氣排水時注入的是空氣, 若與煤層氣井產出的甲烷氣體混合具有危險性, 因此從安全角度考慮需要對排水采氣管柱進一步優化設計。

(2) 氣體攜帶霧化后的液體在排水管柱運移時, 小水珠在排水管柱中以及節箍、閥門等處容易凝結成大的液滴, 影響系統的效率, 因此需要進一步對擬采用的管柱結構進行水動力學計算, 設計效率最佳的排水管柱。

5 結論

(1) 煤層氣井超聲霧化排采工藝能夠適用于日產水量小于5m3、氣液比大于1367、舉升高度小于1000m、出砂出煤粉不嚴重的煤層氣井, 且能夠節能降耗、降低成本; 該排采工藝技術也適用于其他工況的煤層氣井, 但需要根據具體工況選擇關鍵設備。

(2) 井下超聲波霧化器工作時, 對近井地帶煤層具有解堵和清洗作用, 有利于煤層氣的開采。

(3) 煤層氣井超聲霧化排水工藝還處在試驗階段, 排水采氣管柱的優化設計、提高井下超聲波霧化器的效率等還需要進一步的改進與完善。

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