焦坪礦區(qū)煤層氣排采關鍵技術探討

萬志杰

(中煤科工集團西安研究院，陜西 710054)

1 關鍵技術

焦坪礦區(qū)煤層氣排采系統(tǒng)的關鍵技術主要包括排采設備選型和排采工藝。

2 排采設備選型

2.1 排采設備的組成

排采設備包括地面設備和井下設備。地面設備主要有井口裝置、抽油機、閥門、氣水分離器、管線及電子直讀壓力計地面儀;井下設備主要由抽油泵、生產油管、抽油桿系統(tǒng)、直讀式電子壓力計和柱塞等組成。煤層氣井的排采設備選擇是保障煤層氣井長期、穩(wěn)定和連續(xù)生產的關鍵。

JPC－01井地面設備包括:①井口裝置:選擇250型采氣井口，并裝有防噴盒。②抽油機:選擇5CYJ－1.8－13HF型抽油機，并配備與之相適應的動力系統(tǒng)。③閥門:氣、水管線分別安裝氣、水閥門。④管線:排采的產氣系統(tǒng)和排液系統(tǒng)管線均采用D73mm油管，并配備彎頭、三通、四通等配件。井下設備包括油管、抽油桿、泵、篩管、沉砂管等。其結構如下:①管柱結構:φ73mm外加厚油管+φ44mm管式泵+φ73mm平式油管+φ73mm篩管+SEPT電子壓力計 +φ73mm平式油管 +φ73mm絲堵。②抽油桿結構:φ25mm光桿 +φ19mm抽油桿短節(jié)+φ19mm抽油桿+φ44mm活塞。

2.2 排采設備選擇的關鍵技術

垂直煤層氣井排采設備選型關鍵在于抽油機和泵的選擇，結合焦坪礦區(qū)煤層氣生產井的產水情況，該地區(qū)實際日產水量最高25m3左右，排采2年后日產水量也在5m3左右。本次抽油機選擇的型號是5CYJ－1.8－13HF，其額定懸點載荷達到了50KN，沖程達到了1.8m，在實際生產中，由于井深只有628m，井下負載不到30KN，沖程也一直采用1.5m。從節(jié)約成本的角度出發(fā)，建議在該地區(qū)以后的開發(fā)中，采用4型抽油機。

另外，通過修井作業(yè)所反應出的情況，聯(lián)系日常排采中所出現(xiàn)的問題，可以發(fā)現(xiàn)管壁磨損和吐砂(煤粉)是目前影響排采效果的主要問題，因此，在制定排采制度時，建議排采中沖次不應調的過高，應結合抽油機情況，適當調大抽油機沖程而相對調小沖次，通過大沖程+小沖次的組合，以減少管壁過度磨損和煤層吐砂 (煤粉)。

3 排采工藝

3.1 排水產氣原理

煤層氣主要以吸附狀態(tài)存在于煤基質的微孔隙中，煤儲層壓力必須低于氣體的臨界解吸壓力，煤層氣才能解吸出來，在實際生產中是通過排水降壓來實現(xiàn)采氣目的的。

在原始地層條件下，煤層孔隙、裂隙中的流體處于一種相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。當鉆開煤層后，引起煤儲層原地應力重新分布，特別是完井作業(yè)和排水采氣生產，對煤層應力的改變和影響是長期的重要的因素。煤儲層中的甲烷氣體主要以物理吸附狀態(tài)儲存于煤巖之中，連續(xù)不斷的排水將使煤儲層中的壓力持續(xù)下降，當煤儲層的孔隙、裂隙中的流體壓力低于煤儲層的臨界解吸壓力時，煤層氣便從煤巖表面解吸出來，解吸出的氣體在壓力差和濃度差的雙重作用下擴散、運移、滲流到大的裂隙或裸眼井眼中，最終通過井筒采出地面 (圖1)。

圖1 煤層氣井產氣機理圖

JPC－01井實測含氣量、等溫吸附曲線計算的臨界解吸壓力 3#煤層為 1.75MPa，4-2#煤層為1.06MPa，通過排采數據分析，3#煤層臨界解吸壓力約2MPa，4-2#煤層臨界解吸壓力約1.6MPa，臨界解吸壓力測試數據偏大，可能與現(xiàn)行的測試手段及計算模型有關。其它一些煤層氣試驗井的排采資料表明，氣井的實際臨界解吸壓力一般都要高于等溫吸附曲線所計算的值。如樊莊北TL003井的實際臨界解吸壓力比計算的高0.7MPa，鐵法DT-3井液面降到85m就開始產氣，上煤組深度為532m，實際臨界解吸壓力為4.47MPa，比計算的臨界解吸壓力高得多。

3.2 煤層氣生產規(guī)律

一般煤層氣井在剛開始排采階段主要以產水為主，水中會有少量的溶解氣;隨著排采的不斷進行，由于流體沖洗作用的結果，會有更多的溶解氣產出，但是，這不是解吸氣;一旦煤儲層的壓力降到臨界解吸壓力，近井眼區(qū)域的煤層氣就會開始解吸，由于該區(qū)域的煤層滲透率比較高，煤層的壓降傳遞的速度比較快，所以，煤層解吸的氣量比較多，現(xiàn)場生產表現(xiàn)為環(huán)空壓力上升的比較快 (出現(xiàn)第一產氣高峰);隨著排采的繼續(xù)進行，煤層的壓力降不斷向煤層的深部傳遞，由于煤層深部的滲透率越遠越低，壓力降傳遞的速度逐漸變慢，煤層氣的解吸速度也會變慢，如果產氣速度不變，就會出現(xiàn)供不應采的現(xiàn)象 (出現(xiàn)產氣低谷);堅持繼續(xù)排采降壓，煤層內的壓降面積會進一步擴展，煤層的供氣面積和供氣量也會隨之增加，煤層氣井的產氣量又會逐漸上升，緩慢地達到一個高峰期 (出現(xiàn)第二產氣高峰);當煤層解吸的氣與地面生產的氣達到一個動態(tài)平衡時，煤層氣井的產氣量將會有一個相對穩(wěn)定期;再繼續(xù)排采下去，煤層氣井的供氣距離到了有效邊界，整個控制區(qū)域的煤層壓力全面下降，整個煤層解吸的氣量開始逐漸減少，氣井的產氣量也會跟著下降，直到煤層氣生產枯竭為止。

3.3 排采管理

煤層氣井排采主要有兩種工作制度，一種是定壓排采，另一種是定產排采。通常對儲層壓力較低的煤層，為防止激動儲層顆粒，避免吐砂吐煤粉，一般采用定壓排采。JPC-01井采用這種方式，井底壓力的控制以少吐砂、少吐粉為判別原則。

JPC-01井煤層氣井排采包括如下四個階段:排水降壓階段、產氣初期階段、產氣高峰階段及產氣相對穩(wěn)定階段。

第一階段:排水降壓階段。為防止煤層出砂、出煤粉，實現(xiàn)平穩(wěn)降液面的目的，確定的排采原則為:排采初期，關閉套管閥門，同時要監(jiān)測環(huán)空液面，沖次調整循序漸近，單日沖次調整控制在0.5次/min之內，日產水量控制在25m3/d之內，降液速度控制在10m/d之內。這一階段時間盡可能長一些，其目的是保持壓裂后形成一個穩(wěn)定的高導流能力的裂縫。如果套管出現(xiàn)高真空，應暫時打開套管閥門，使壓力趨于平衡。

第二階段:產氣初期階段。在這一階段，隨著排水，首先表現(xiàn)出一部分游離氣和溶解氣產出，過一段時間后，環(huán)空液面降低，吸附氣開始解吸。當儲層壓力接近解吸壓力時要特別注意，這時易產生一個突變，一般表現(xiàn)為氣產量突然增大，套壓增大，有時氣會將環(huán)空水帶出，造成環(huán)空液面突然下降。這一突變，對于比較疏松的煤層，極易出大量的煤粉，可能造成填砂裂縫的堵塞;對于較軟的煤層，可能由于儲層孔隙壓力突然降低，造成割理關閉，從而影響煤層滲透性。正確做法是當接近解吸壓力時，適當放慢降液速度，控制套壓，并使儲層壓力仍然緩慢下降。

第三階段:產氣高峰階段。在這一階段，由于液面降低，有效應力增加，導致割理間隙減小，孔隙度降低，滲透率減小。當吸附氣開始解吸后，煤層割理收縮，孔滲性增加，繼續(xù)降低流壓，有利于彌補地應力造成的割理閉合。在這一階段主要通過控制環(huán)空液面來控制井底流壓。可用套管針形閥或較小油嘴控制開始產氣。由于繼續(xù)排水，液面緩慢下降，同時逐步加大油嘴使套壓降低，減小套壓利于儲層中更多的水進入井筒并疏干井筒附近的水，目的是在環(huán)空液面降低到泵的吸入口后，地面壓力長期保持在正常工作的范圍。

第四階段:產氣相對穩(wěn)定階段。在這一階段，保持液面，控制套壓，并使井底流壓相對穩(wěn)定。

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