煤層氣排采技術適應性分析

摘 要：本文對煤層氣的賦存狀態、地下流動及產出特點進行了簡要介紹，分析了開采煤層氣的兩種主要方式，詳細介紹了煤層氣排水采氣技術，對排采中常用的各種舉升方式的適應性進行了總結和對比，針對目前各種舉升方式存在的問題，對煤層氣排水采氣技術的發展提出了認識與建議。

關鍵詞：煤層氣;排水降壓;開采技術;舉升工藝

煤層氣是歷經漫長的地質年代，自生自儲于煤層及其圍巖之中的一種清潔的非常規天然氣，以吸附在煤層顆粒基質表面為主，一般使用降壓的方法進行開采。

1 煤層氣產出特點

煤層氣的賦存狀態及地下流動機理，決定了煤層氣的產出特點。煤層氣在煤層中的賦存有三種狀態，即吸附狀態、溶解和游離狀態。

1.1 煤層氣的地下流動

煤層氣儲層的蓋層被鉆開以后，隨著煤層水的排出，井筒液柱壓力不斷下降。當煤儲層壓力低于臨界解吸壓力時，煤層氣開始從煤層孔隙內表面解吸，依其濃度梯度擴散并通過微孔隙和自然裂縫網絡，以達西流的方式流入井筒。

煤層氣儲層流體的地下流動歷經以下三個階段：

1.1.1 單相流動階段

在排水過程中，井筒液面不斷下降，煤層氣儲層所受的壓力也隨之降低，在到達臨界解吸壓力之前，儲層只有水的單相流動。

1.1.2 非飽和單相流動階段

煤層氣儲層所受壓力低于臨界吸附壓力，煤層氣開始從煤孔隙內表面解吸，出現孤立、互不連接的氣泡。氣泡增加，水的流動阻力增大，水的相對滲透率就隨之下降。儲層仍然只有水的單相流動。

1.1.3 兩相流動階段

煤層氣儲層所受壓力進一步下降，有更多的氣解吸出來，水中氣含量達到飽和，氣泡互相連接成為氣流，水的飽和度和相對滲透率下降，氣相的相對滲透率相應上升，儲層出現氣水兩相流動。

1.2 煤層氣井生產過程

煤層氣井生產的全過程都需要進行排水作業，煤層氣與水的產出規律。對應于其產水產氣規律，將其分為三個階段。

1.2.1 排水降壓階段

排水作業使井筒水柱壓力下降，若這一壓力低于臨界吸附壓力后繼續排水，氣飽和度升高和相對滲透率降低，產量開始增加;水相對滲透率相應下降，產量相應減少。在儲層條件相同的情況下，這一階段所需的時間，取決于排水的速度。

1.2.2 穩定生產階段

繼續排水作業，煤層氣處于最佳的解吸狀態，氣產量相對穩定而水產量下降，出現高峰產氣期。這個階段所持續的時間，取決于煤層氣含量。

1.2.3 氣產量下降階段

隨著壓力的下降及煤內表面煤層氣吸附量的減少，產氣量下降，并產出少量或微量的水。這一階段延續的時間最長[1]。

2 煤層氣排水采氣技術

煤層氣的開采主要有兩種方式：井下抽采和地面鉆采。

井下煤層氣抽采就是借助煤炭開采工作面和巷道，通過煤礦井下抽采、采動區抽采、廢棄礦井抽采等方法來開采煤層氣資源[2]。

目前世界上主要產煤國對煤層甲烷的資源化開發利用程度較高，主要方法是地面鉆井開采[3]。即利用垂直井或定向井技術來開采原始儲層中的煤層氣資源。解吸是煤層氣進行地面鉆采的前提，降壓又是解吸的前提。因此，地面鉆采煤層氣能否發生的根本在于煤層氣是否能降壓解吸。

基于煤層氣的地面鉆采開發，主要應用排水開采技術。

2.1 排水采氣工藝現狀

煤層氣的生產機理，決定了煤層氣排采時，必須最大限度地進行排水作業，這樣不僅降低了儲層壓力，也降低儲層含水飽和度，增加了氣體的相對滲透率，從而增加解吸氣體通過煤層裂隙系統向井筒運移的能力，進而增加井孔的煤層氣生產量[4]。煤層氣排采井的生產概括說即為使用油管抽水，利用套管產氣，因此，煤層氣生產中井孔排水用的泵是必不可少的，其地面生產工藝是石油行業抽油機有桿抽油和低壓天然氣井生產工藝的結合，其生產管理多類同于后者，但也有所差異。目前，國內外煤層氣排水開采的方法主要有有桿泵法、電潛泵法、螺桿泵法、氣舉法、水力噴射泵法、泡沫法、優選管柱法等。我國應用最多的是有桿泵、螺桿泵和電潛泵。選用哪種泵更經濟有效，要考慮煤層的產能、井深、井深結構、產水量、地層出砂、氣體影響等因素，并結合各種排采設備的能力來確定。

2.2 排采方式適應性分析

2.2.1 煤層氣排水采氣有以下幾點要求

①排液速度快，不怕井間干擾;②降低井底流壓，排水設備的吸液口一般都要求下到煤層以下;③要求有可靠的防煤屑、煤粉危害的措施。

采油用的抽油機工作制度不需隨時調整，并且調整范圍大。而煤層氣排采要求抽油機工作參數隨時調整，以適應連續、勻速穩定降液的要求。現場常與電磁調速電機或變頻調速電機配合使用，可使沖次在較大范圍內連續調整。為防止在上下沖程中對煤層的激動，應盡量選用長沖程抽油機，靠長沖程代替大沖次。在美國圣胡安盆地，使用的抽油機一般為160、320和640型（減速箱的最大扭矩值），沖程長度為1.625～5.08m。而黑勇士盆地由于東部地區井淺，一般使用的抽油機為40型和80型，沖程長度一般為0.915～1.83m。

煤層要有效地產氣必須充分進行排水，故生產井的壓力必須保持很低。有些地方水是從滲透性非煤層區流入井內的。如果不使用大排量的泵排水，高水位即會減少煤層氣的產量。同樣，如果不使用大排量的泵，要排掉高滲透煤層的水是很難的。2001年以來，我國先后在某實驗區的幾口井上使用，日產水95～400.3m3，日產氣2000～4000m3，解決了高產水層的排水問題。

氣舉系統由一系列安裝于油管上的工作筒或氣舉閥構成。有兩種氣舉方法可以采用，一是通過油管注氣，由套管產出水和氣;二是由套管注氣，通過油管采出煤層氣和水，這是最常用的方法。無論哪種方法，都是將氣混入水中，降低水的密度，以易于將其排出地面。氣舉盡管地面設備少，井下管柱相對簡單，但在技術上要求很高。一般將壓縮煤層氣作為氣源用于氣舉，如用空氣作介質，壓縮空氣中的氧氣與甲烷混合還有爆炸的危險。氣舉的最大特點是能夠處理固體顆粒，不受出砂的影響，機械方面的影響較小，同時，它能適應開采初期的大排量排水。根據美國黑勇士盆地的經驗，在采氣的初期，對于井組面積降壓、大量排水時使用氣舉方法比用泵抽方法更經濟有效。到后期，隨著產水量的降低，可以更換小型的泵抽裝置。

2.2.2 排水采氣工藝選擇

對給定的一口產水煤層氣井，為了獲得較高的經濟效益，應在對氣井壓力、產量及產水情況進行分析之后，對不同排水采氣方式進行比較，優化選擇排水采氣方法及其設備。選擇應滿足以下幾點要求：①所選用的排水采氣方法應兼顧前后期氣井產水量變化，適用范圍較大;②必須滿足在最小井底壓力下采出最大水量的要求，以保證在盡可能短的時間里，將儲層壓力降到解吸壓力以下，使氣井盡早產氣;③提高采收率，降低煤層氣生產成本。目前國內外形成的各種排水采氣工藝對比。

3 結論與認識

①抽油機在煤層氣開采中發揮了較大作用并得到了普遍使用。但在應用中存在著操作不便利和能源消耗大的情況。為了合理利用能源和節電，很有必要對抽油機在煤層氣井生產前后期的操作使用制定規范化要求;②螺桿泵在防砂卡和抗磨性上有待進一步改進，對于電潛泵，如何突破其高成本及降低修井費用是值得深入研究的;③排采工藝的選擇要綜合考慮多方面因素，在最小生產成本的條件下獲得最大經濟效益;④國內還沒有對煤層氣排采流程形成統一的標準，各煤層氣開發生產公司使用的排采流程結構、功能各異，這也是排采技術下一步需要解決的問題。

參考文獻：

[1]饒孟余，江舒華.煤層氣井排采技術分析[J].中國煤層氣， 2010，7（1）：22-25.

[2]徐春成，綦耀光，孟尚志，等.煤層氣排采技術評價與設備優選[J].石油礦場機械，2012，41（10）：59-64.

[3]肖富強，鄒勇軍，桑樹勛，等.煤層氣井排水采氣理論與技術研究[J].江西煤炭科技，2014（4）：133-136.

[4]柳迎紅，房茂軍，廖夏.煤層氣排采階段劃分及排采制度制定[J].潔凈煤技術，2015（3）：121-124.

作者簡介：

王瀟（1983- ），中國石油大學（北京）油氣田開發工程碩士，主要從事油氣田開發研究、技術培訓及管理相關工作。