煤層氣井產出液煤粉含量監測

楊萬有 鄭春峰

中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司

煤層氣井產出液煤粉含量監測

楊萬有 鄭春峰

中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司

針對目前煤層氣井排采過程中出煤粉狀況嚴重且無法實現連續煤粉含量計量的問題，通過開展流體溫度、流量對煤粉含量的補償室內評價實驗，并基于質量守恒原理建立了煤層氣井產出液煤粉含量的計算方法。同時開發出一套適用于煤層氣井產出液煤粉含量的實時監測裝置，該裝置通過壓差式密度傳感器監測產出液密度值，并實時傳輸至數據終端，通過數據轉換得到實時產出液煤粉含量值。現場應用表明，煤粉含量監測裝置可實現實時遠程數據監測，且監測精度滿足現場技術需求，為現場防煤粉控制、排采工作制度的制定提供依據。

煤層氣井；產出液；煤粉含量；監測；計算方法

煤層氣井通過長期排水降壓的方法降低儲層壓力開采，在排采過程中煤層氣井產出液常伴隨著煤粉的產出［1］。目前我國主要采用有桿泵、螺桿泵和電潛泵來實現排水采氣，能夠承受的最大煤粉質量分數3.0%～8.0%，一般微細顆粒煤粉以懸浮液的形式攜帶至地面，中粗、較粗顆粒煤粉過量堆積會堵塞泵吸入口，產出液煤粉含量過大導致煤粉卡泵、抽油桿斷脫及井底煤橋膠結等故障發生，導致頻繁檢泵作業［2-4］。頻繁作業引發井底流壓大幅度波動，進而破壞氣、水、煤粉流態連續性而影響單井產能［5-6］。排采速度過快造成煤粉產出量增加，在地面直觀表現為產出液煤粉含量增加。煤層氣井井口煤粉含量是重要的排采指標［7］。煤層氣現場主要采用量杯取樣通過觀測產出液顏色，并經過靜止沉淀后人工讀取數據方式求取煤粉含量。該煤粉含量測試方法耗時時間長、不能實現實時連續煤粉含量監測，且因個人能力水平的差異性，測試結果準確性難以保證。

目前煤粉含量監測技術主要應用在電廠發電鍋爐送粉與鋼廠送粉管道等監測煤粉含量的領域，監測技術主要針對氣固兩項為基礎開展研究［8-9］。劉升貴等人給出了煤層氣井排采煤粉含量預警及防控措施，但未給出具體煤粉含量監測方法［10］。針對勞動成本高、測量精度差且不能實現連續煤粉含量監測等技術問題，依據煤粉含量與液固兩相流密度關系，通過產出液密度實時監測數據推導出靜態條件下產出液煤粉含量值，為現場防煤粉控制、排采工作制度提供參考依據。

1 煤粉含量監測原理

Monitoring principle of slack coal concentration

1.1 監測原理

Monitoring principle

煤層氣井產出煤粉密度和水密度的濃度加權平均為產出液煤粉含量值為

由式（1）推導出密度與煤粉含量關系式為

式中，c為產出液煤粉含量，小數；ρw為地層水的密度，g/cm3；ρc為煤粉密度，g/cm3；ρm為產出液密度，g/cm3。

產出液密度是在生產流動狀態下測得，而產出液煤粉含量為靜止狀態下濃度值，所以需將流動狀態下測得的產出液密度校正到靜止狀態下以確保準確性。產出水的密度在不同流量和溫度下存在一定差異，需進行產出水的溫度和流量補償分析，為式（3）、（4）所示

式中，c（S）為靜止條件下的煤粉含量，小數；ρm（S）為靜止條件下產出液密度，g/cm3；ρm（M）為流動條件下產出液密度，g/cm3；ρw（T）靜止地層水溫度補償密度，g/cm3；ρw（Q）流動地層水流量補償密度，g/cm3。

煤層氣井地層煤粉密度通過2種方法確定：直接對所述煤層取樣，按照體積法求取煤層氣井地層煤粉密度；或者由式（1）和式（2）聯立可得地層煤粉密度表達式為

在煤層氣井井口取產出液濃度相差較大的2個樣品，分別計算出兩個靜止條件下煤粉含量所對應的地層煤粉密度，然后對地層煤粉密度取平均值，為式（6）、（7）、（8）所示

式中，c1（S）為靜止條件下煤粉第一濃度值，小數；c2（S）為靜止條件下煤粉第二濃度值，小數；ρc1為地層煤粉第一密度值，g/cm3；ρc2為地層煤粉第二密度值，g/cm3。

1.2 誤差分析

Error analysis

（1）煤粉含量與密度誤差分析。煤粉含量與密度絕對誤差關系式為

式中，Δc為煤粉含量絕對誤差值，小數；Δρm為煤粉密度絕對誤差值，小數。

若煤粉密度ρc=1.5 g/cm3，壓差式密度傳感器精度Δρm=0.000 5 g/cm3，則Δc=0.001，即精度為0.1%。

（2）煤粉含量與壓差誤差分析。選取壓差式密度傳感器入口（A點）及出口（B點）處為基準面建立伯努利方程

式中，hA，hB，h差分別為A點、B點處液柱高度和兩點高度差，m；PA，PB，P差分別為A點、B點處壓力和兩點處壓力差，Pa；hf為沿程阻力，m；λ為沿程阻力系數，無量綱；νA，νB分別為A點和B點處流速，m/s。

煤粉密度與壓差絕對誤差關系式為

式中，ΔP差為壓差絕對誤差值，小數。

為達到壓差式密度傳感器測量精度0.000 5g/cm3，則壓差測量精度ΔP差需滿足0.04%。若測試管段合理設計，因沿程阻力導致濃度誤差可以忽略。

2 煤粉含量監測系統設計

Design of slack coal concentration monitoring system

測量系統主要由壓差式密度傳感器、電磁流量計、溫度探頭、氣液分離罐、閥門、管線、數據采集系統、無線傳輸模塊等組成。煤層氣井產出液經進液口到氣液分離罐，少量的氣體從出氣口排出，液體進入U型管，流經密度傳感器、溫度計和電磁流量計，最終由出液口排至沉淀池，如圖1所示。

圖1 煤層氣井產出液煤粉含量監測裝置Fig.1 Monitoring device for slack coal concentration in the fluid produced from the coalbed methane well

3 煤粉含量溫度、流量補償評價實驗

Evaluation experiment on slack coal concentration temperature and flow rate compensation

室內評價裝置由供液系統、動力系統和煤粉含量監測系統組成，其中供液系統包括煤漿池、攪拌器恒溫箱，動力由泥漿泵提供。以40目煤粉粒徑配置煤粉含量5%的水煤漿200 L（水為實際煤層氣井產出的地層水）置于池中，用泥漿泵做為循環動力裝置，如圖2所示。

圖2 煤粉含量補償評價實驗平臺Fig.2 Evaluation experiment platform for slack coal concentration compensation

3.1 煤粉含量的溫度補償評價實驗

Evaluation experiment on temperature compensation of slack coal concentration

產出水的密度在不同溫度條件下存在一定差異，需開展產出水的溫度補償實驗。根據式（2）可知，煤粉含量與煤粉和產出水的密度關系。假定煤粉密度與溫度無關，則只需考慮產出水的密度與溫度的關系。測試溫度范圍為0～50 ℃時水的密度，并將測試密度值與4 ℃時水的理論密度值作比，得到不同溫度條件下產出水的密度變化百分比（與4 ℃水的理論密度值相比），如圖3所示。回歸實測產出水不同溫度條件下密度關系式為

式中，ρ為實驗產出水密度，g/cm3；T為實驗溫度，℃。

3.2 煤粉含量的流量補償評價實驗

Evaluation experiment on flow rate compensation of slack coal concentration

由上述可知，流經傳感器流體密度與兩端壓差、傳感器高度差和沿程阻力有關，而沿程阻力與流經傳感器流體速度有關（流速值直觀反應為流量值），需開展產出水的流量補償實驗。設定測試溫度為10℃、20 ℃、30 ℃、40℃、50 ℃，測試流速為2 m3/d～150 m3/d（1 L/min～104L/min），測得不同溫度、不同流量條件下產出水密度值，如圖4所示。對測試數據回歸分析得到不同流量與密度關系，如式（17）～式（21）所示，可以求解出不同溫度、不同流量下產出水密度值，若求解0 ℃～50 ℃范圍內的密度值，可通過差值法求取。

圖3 不同溫度下實測產出水密度與4℃水理論密度回歸Fig.3 Produced water density measured at differenttemperatures and regression of theoretical density of water at 4℃

圖4 不同溫度、不同流量條件下產出水密度實驗測試結果Fig.4 Experimental test result of produced water density at different temperatures and different flow rates

10 ℃時不同流量條件下產出水密度關系式為

20 ℃時不同流量條件下產出水密度關系式為

30 ℃時不同流量條件下產出水密度關系式為

40 ℃時不同流量條件下產出水密度關系式為

50 ℃時不同流量條件下產出水密度關系式為

式中，q為實驗測試流量，L/min。

4 實例應用

Field application

以中聯煤公司柳林區塊X1井為例進行現場試驗。X1井位于鄂爾多斯盆地東緣斜坡中部，3#+4#煤層平均含氣量10.98 m3/t，平均滲透率0.73 mD，平均臨界解吸壓力1.67 MPa，5#煤層平均含氣量9.74 m3/t，平均滲透率0.67 mD，平均臨界解吸壓力1.87 MPa。該井于2011年4月投產，完鉆井深775 m，生產層厚13.2 m，采用螺桿泵排采，產氣1.52×104m3/d，產水10.6 m3/d，套壓0.31 MPa。該井排采時產出液中伴有大量煤粉產出，歷史化驗煤粉產出質量分數在0.83%～5.62%，經常造成卡泵、抽油桿斷脫、砂埋等故障。

于2016年1月在山西柳林縣X1井場現場安裝試驗，通過煤粉含量在線實時監測裝置測試產出液產出溫度、產出液流量和產出液密度，通過遠程傳輸至數據終端，數據終端經過對溫度、流量補償修訂產出液密度值，計算得到靜止狀態下產出液煤粉含量值，測試結果如圖5所示。

圖5 柳林區塊X1井在線實時監測產出液煤粉含量與實際測量值對比曲線Fig.5 Correlation curve of on-line real-time monitored slack coal concentration of produced fluid and actually measured value of Well X1 in the Liulin block

為驗證監測裝置測試結果準確性，在X1井口取產出液樣品8份，通過蒸餾沉淀測定煤粉含量，井口產出液質量分數值在2.1%～3.2%之間波動，平均值2.64%，見表1。由圖5所示，產出液實測煤粉含量與在線實時監測煤粉含量值平均誤差1.5%，監測煤粉含量技術指標可滿足現場需求。

表1 柳林區塊X1井實測產出液煤粉含量實際測量值Table 1 Measured slack coal concentration of fluid produced from Well X1 in the Liulin block

5 結論

Conclusions

（1）推導出適用于現場煤粉含量監測理論方程，并導出誤差修正關系式，為在線實時監測產出液煤粉含量系統的設計提供理論支持。

（2）開發一套監測產出液煤粉含量監測裝置，該裝置可實現產出液煤粉含量在線實時監測。

（3）在線實時產出液煤粉含量監測，可有效指導現場煤粉防控方法優選和合理排采工作制度，實現煤層氣井的長效連續排采目的。

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（修改稿收到日期 2016-09-08）

〔編輯 李春燕〕

Monitoring of produced fluid of coal content in coalbed methane wells

YANG Wanyou,ZHENG Chunfeng
CNOOC EnerTech-Drilling &Production Co.,CNOOC Energy Technology &Serνices Limited,Tianjin 300452,China

Lots of slack coals are produced in the production of coalbed methane,and the slack coal concentration cannot be continuously metered.A laboratory test was conducted to assess the compensation of flow temperature/flow rate to slack coal concentration,and a method for computing the slack coal concentration in the fluid produced from the coalbed methane well was established according to the principle of mass conservation.Furthermore,a real-time monitoring device suitable for slack coal concentration in the fluid produced from the coalbed methane well was developed.This device can monitor the produced fluid density value through a differential pressure type density sensor,and transmit the value to data terminal in real time,so that the real-time slack coal concentration of produced fluid can be obtained through data conversion.Field application shows that the slack coal concentration monitoring device can realize real-time remote data monitoring,with the accuracy subject to the field requirement,which provide bases for the field control of slack coals and the arrangement of production system.

coalbed methane well;produced fluid;slack coal concentration;monitoring;computation method

楊萬有，鄭春峰.煤層氣井產出液煤粉含量監測［J］.石油鉆采工藝，2016，38（6）：882-886.

TE37

A

1000-7393（ 2016 ） 06-0882-05

10.13639/j.odpt.2016.06.032

:YANG Wanyou,ZHENG Chunfeng.Monitoring of produced fluid of coal content in coalbed methane wells［J］.Oil Drilling &Production Technology,2016,38(6):882-886.

中海油能源發展非常規科技重大專項“煤層氣排采配套工藝技術研究”（編號：HFKJ-CJFZ-1310）。

楊萬有（1967-），1989年畢業于東北石油大學（原大慶石油學院）油氣田開發工程專業，現從事海上采油工藝研究及管理工作，高級工程師。通訊地址：（300452）天津市塘沽區渤海石油路688號增5號B座715室。電話：022-66907304。E-mail:yangwy3@cnooc.com.cn