煤層氣同心管氣舉排水工藝技術研究

崔金榜 段寶玉 白建梅 郝 麗 王麗娜

(中國石油華北油田采油工藝研究院, 河北 062552)

1 煤層氣開采技術現狀

煤層氣是在煤層條件下吸附在煤基質孔隙內表面的以甲烷為主的氣體資源, 在開采過程中, 首先要進行排水降壓, 當煤層內的壓力達到煤層氣的臨界解吸壓力之下, 甲烷分子才能從煤基質孔隙內表面由吸附狀態變成游離狀態被開采出來。

國外在煤層氣開采方面主要采用有桿泵、螺桿泵、電潛泵等排水采氣技術, 國內在煤層氣開采方面目前大量采用的是有桿泵排水采氣工藝技術, 螺桿泵、電潛泵僅是小范圍的試驗性應用, 尚沒有形成規模。在排采實踐中, 上述工藝都不同程度的存在著一些缺陷： 有桿泵舉升存在桿管柱偏磨現象;由于后期排水量比較小, 導致與水同時進入柱塞泵內的粉煤灰沉積在泵筒內而卡泵; 小的水量會導致電潛泵由于不能有效地散熱而使電機燒毀, 螺桿泵也存在定子干磨而燒壞的現象。

因此, 研究一種既不受煤層產水量限制, 又能夠滿足排水采氣工藝要求的技術, 是有效開采煤層氣的基礎。

2 同心管氣舉排水工藝技術原理

煤層氣同心管氣舉排水工藝技術, 就是將注氣通道、排水通道和采氣通道有效的分離開來, 利用井下壓力計作為控制源, 以壓縮的空氣 (或煤層氣) 作為舉升煤層產出水的動力氣, 以氣攜水從而達到排出煤層產出水、采出煤層氣的目的。

(1) 工作原理

動力氣從油管和空心抽油桿環空注入, 通過空心抽油桿上的氣舉閥進入空心抽油桿內, 將空心抽油桿內的液體舉升到地面, 煤層氣從油套環空排出(見圖1) 。

圖1 煤層氣同心管氣舉排水工藝管柱

(2) 管柱組成

在煤層氣井中下入油管, 在油管內下入安裝有氣舉閥的同心氣舉短接的空心抽油桿; 管柱底部有將空心抽油桿和油管的環形空間密閉的密封裝置;在井口有油管與空心抽油桿的密封裝置。

(3) 同心氣舉短接

為滿足工藝要求, 設計同心氣舉短接 (見圖2) , 與空心抽油桿連接, 從油管和空心抽油桿環空注入的高壓氣體通過同心氣舉短接兩側的進氣孔進入氣舉閥, 氣液混合物通過短接內部側通道進入上部空心抽油桿內部, 流到地面。

圖2 同心氣舉短接結構圖

(4) 井口及井下密封短接設計

根據同心管氣舉系統的工作原理, 進行井口密封和井下密封設計, 解決動力氣對煤層的影響問題, 同時保證產出氣、產出水道、注入氣互不干擾。圖3 為井口及井下密封短節結構圖。

圖3 井口密封短接結構與實物圖

(5) 排液管管徑選擇

管徑主要取決于流量和流速, 而不同性質和操作工況的介質應選用不同流速, 一般液體介質流速不應超過3m/s, 氣體介質流速不應超過100m/s。

但液體在管道中流動的時候, 會受到摩阻損失

ρ——流體密度, kg/m3;

μ——流體動力粘度, Pa．s;

ν——流體運動粘度, m3/s;

υ——平均流速, m/s;

d——管子內徑, mm;

圖4 井下密封短接結構與實物圖

當Re＜2000 時,

當Re≥2000 時,

L ——管道長度, m;

ΔP——壓降大小, Pa。

以日產水40m3/d 計算, 每秒產水4．6 ×10-4m3/s, 產出水的最大流速以3m/s 計算, 那么管徑直徑為14．02mm。選用的空心桿外徑36mm (壁厚5．5mm) , 能滿足使用要求。

同時利用常用管徑計算流速公式計算其管徑：

式中 d——管徑, m;

w——體積流量, m3/s;

v——常用流速, m/s;

查找介質常用流速表可以看出, 當壓力＜8MPa 時, 常用流速2～3m/s, 由此推算管徑17．12～14．04mm, 由此也說明選用外徑36mm 的空心桿能滿足使用要求。

3 室內試驗條件

(1) 試驗場所： 采油工藝研究院500m 實驗井。

(2) 管柱結構： “27/8”TBG油管： 391．08m;KJ G36 空心抽油桿： 391．05m。

(3) 同心氣舉閥參數：

一期試驗： 閥嘴直徑： 4．0mm; 打開壓力：2．0MPa;

二期試驗： 閥嘴直徑： 2．0mm; 打開壓力：1．0MPa。

(4) 下入位置： 341m。

(5) 高壓氣源： 15MPa 壓風車, 排量10m3/min。

(6) 流量計量： 水量： 旋翼式水表; 氣量： 流量計。

(7) 氣液分離器。

4 室內試驗結果

在實驗過程中, 根據排出水情況, 控制高壓氣體流量。試驗數據見表1 及圖5．

表1 試驗數據表

圖5 同心管氣舉排水系統室內試驗效果

5 試驗效果分析

(1) 工藝簡單、可靠性強

該工藝采用同心管結構, 形成三個通道互不干涉, 并且井下沒有運動部件, 從而避免了其它工藝技術存在的煤粉卡泵、偏磨、燒泵等問題, 可以有效防止固體顆粒及粉煤灰對排采設備的影響。

(2) 排量調節范圍大

通過控制注氣量可以調節排水量, 實現1～60m3/d 的排量控制, 能夠充分滿足排水量不確定的煤層氣井的排水需要, 解決排采設備選型與排采水量不相適應的矛盾。

(3) 滿足煤層氣井液面降低需求

通過實驗, 液面可以降到氣舉閥以上10m 以內。

(4) 注氣量小、注氣壓力低

注氣量不高于1000m3/d, 在低液面時需要的注氣量更少, 在300m3/d 左右。注氣壓力可以降至1．2MPa 甚至更低。

(5) 能夠滿足叢式井、大斜度井生產的需要,可以一套壓縮機組帶多口井生產。

6 結論

(1) 采用同心管氣舉排水工藝, 可以提高排水效率, 有效防止了粉煤灰的沉積和堵塞。

(2) 該系統可實現排量在0～60m3/d、沉沒度最低10m 范圍內的任意調節, 滿足煤層氣排水量連續可調的要求。

(3) 整套工藝連接、組裝方便, 可操作性強。

[1] 楊川東．采氣工程 [M] ．北京： 石油工業出版社,1997．

[2] 孫國華, 崔金榜, 龔明珠, 等．排水采氣工藝在華北油田蘇1 潛山的應用 [J] ．石油鉆采工藝, 2007(5) ．

[3] 高貴民, 朱世民, 劉東等．蘇4—14 井借氣氣舉排水采氣技術 [J] ．石油鉆采工藝, 2006 (4) ．

[4] 李忠華, 張永利, 等．流體力學 [M] ．沈陽： 東北大學出版社, 2004, (5) ： 183- 187．