焦坪礦區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

焦坪礦區煤層氣排采系統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、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、穩定和連續生產的關鍵。

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。③閥門:氣、水管線分別安裝氣、水閥門。④管線:排采的產氣系統和排液系統管線均采用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+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，結合焦坪礦區煤層氣生產井的產水情況，該地區實際日產水量最高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。從節約成本的角度出發，建議在該地區以后的開發中，采用4型抽油機。

另外，通過修井作業所反應出的情況，聯系日常排采中所出現的問題，可以發現管壁磨損和吐砂(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定的平衡狀態。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儲存于煤巖之中，連續不斷的排水將使煤儲層中的壓力持續下降，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，近井眼區域的煤層氣就會開始解吸，由于該區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，現場生產表現為環空壓力上升的比較快 (出現第一產氣高峰);隨著排采的繼續進行，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，就會出現供不應采的現象 (出現產氣低谷);堅持繼續排采降壓，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平衡時，煤層氣井的產氣量將會有一個相對穩定期;再繼續排采下去，煤層氣井的供氣距離到了有效邊界，整個控制區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，實現平穩降液面的目的，確定的排采原則為:排采初期，關閉套管閥門，同時要監測環空液面，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定的高導流能力的裂縫。如果套管出現高真空，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，首先表現出一部分游離氣和溶解氣產出，過一段時間后，環空液面降低，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，一般表現為氣產量突然增大，套壓增大，有時氣會將環空水帶出，造成環空液面突然下降。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定。

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