煤層氣井冬季產氣曲線特征分析

張光波

(中石油華北油田山西煤層氣勘探開發分公司，山西 048000)

1 基本情況

針對沁水盆地南部樊莊區塊煤層低壓、低產、低滲、低飽和的特性和山西南部地形復雜、相對高差大，以低產、低壓為出發點，以低成本為落腳點，通過多年的技術研究與現場實踐，建立了“井口計量、閥組串接、按需增壓、集中處理”的集氣工藝模式(見圖1)：單井低壓氣(0.05～0.1MPa)經簡易流量計計量后進入閥組，閥組匯集入采氣干線后進入集氣站，增壓至0.8～1.4MPa計量外輸后進入集氣干線，最后匯入中央處理廠，中央處理廠經過過濾分離、壓縮增壓、分離脫水等步驟以外輸壓力3.8～5.7MPa銷售至下游銷售終端。考慮到成本、管理等因素，井口煤層氣未做除煤粉、脫水等工藝流程。

圖1 樊莊區塊集輸工藝模式

2 冬季產氣曲線類型

選取樊莊區塊某井區的200口井為研究對象，從圖2產氣曲線可以看出：每年進入10月份后，產氣量呈緩慢下降趨勢，1月份左右達到最低值，到4月份后隨著天氣逐步回暖，產氣量逐步回升。根據氣量變化趨勢，如圖3所示，煤層氣井冬季生產產氣曲線可分為四種類型：波動型、臺階型、混合型和平穩型。

圖2 樊莊區塊某井區產氣曲線

2.1 “波動型”產氣曲線分析

該類型井表現為：進入冬季后產氣曲線呈鋸齒形波動，天氣回暖后氣量恢復正常。此類井約占總井數的21%，典型井產氣曲線如圖4所示。

圖3 冬季生產產氣曲線類型

圖4 波動型典型井產氣曲線

在井筒中聚集的煤層氣是飽和氣，這些飽和氣到井口后由于管壓與套壓不同形成生產壓差(即井口節流)，根據工程熱力學中水的相態圖，如圖5所示，井口溫度恒定，隨著壓力降低飽和氣變為不飽和氣。當管線壓力恒定時，隨著溫度降低，不飽和氣逐漸變為飽和氣，溫度進一步降低，飽和氣中析出液態水。氣體從井筒經過生產閥門后，在井口壓力表和流量計之間的U型采氣管線入地部分(見圖6)易產生積液，在極端惡劣天氣情況下，有可能發生凍堵現象。由于積液存在，管容減少，管壓增大，生產壓差減小，造成氣量瞬時下降，產氣量也隨之下降，清理管線內的積水后氣量隨之恢復。由于積液的存在，需要定期對管線清掃，造成產氣曲線鋸齒形波動特征。

圖5 工程熱力學水相態圖

圖6 煤層氣井口工藝流程

2.2 “臺階型”產氣曲線分析

該類型井表現為：進入冬季后單井產氣量呈臺階式下降，天氣回暖后氣量恢復正常。此類型井占總井數的8%，典型井生產曲線如圖7所示。造成此類型曲線形態的原因有兩方面：流量計計量誤差和采氣支線管線積液。

圖7 臺階型典型井產氣曲線

圖8 某管線高程圖

2.2.1 流量計計量誤差

考慮到交接計量和成本因素，除了集氣站、中央處理廠使用智能流量計外，單井計量為三級計量，多采用非智能渦輪流量計，計量的標準狀態為20℃，絕對壓力為101.325KPa，根據井口產氣計算公式：

式中：Q表為產氣量；Q瞬為瞬時流量；p管為單井管壓；T工為工況下熱力學溫度。

可以看出，煤層氣計量準確度受到溫度變化的影響。冬季生產中，在井口管線未做保溫的情況下，氣體溫度遠小于流量計設計溫度20℃，在瞬時不變的情況下，計量出來的氣量未考慮溫度變化情況，小于實際產出氣量,曲線呈現出臺階式下降特征，進入3、4月份天氣回暖后，產氣逐步恢復至正常。

2.2.2 采氣支線管線積液

煤層氣經單井計量后進入采氣支線后匯入閥組。由于晉城地區地形復雜，采氣支線高低起伏較大，飽和氣析出的凝析水易在管線低洼處聚集，由于閥組的串接方式，無法采用通球清管作業的方式清除凝析水，由于采氣支線管容減小、管壓升高，造成管線前端生產壓差降低，導致單井氣量下降，產氣呈臺階式下降特征。例如圖8,管線A位置海拔775m，B位置海拔871m，C位置海拔784m，D位置海拔1019m，E位置海拔785m。當氣體從A位置走向E位置時，析出的凝析水易在A、C、E位置匯集，若不及時清理管線積液，易導致產氣呈臺階式下降。

2.3 “混合型”產氣曲線分析

該類型井表現為：進入冬季后單井產氣先臺階式下降，后呈現出鋸齒形波動，天氣回暖后兩種情況均消失，氣量恢復正常。此類型井占總井數的15%，典型井生產曲線如圖9a所示。

圖9 混合型、平穩型典型井產氣曲線

造成此類曲線形態的原因是復合的：首先臺階式下降與臺階型產氣曲線相同，流量計計量誤差或者采氣支線管線積液；其次鋸齒形波動是因為井口U型采氣管線積液，定期掃線造成的。

2.4 “正常型”產氣曲線分析

此類型井曲線為正常生產曲線類型，說明未受到冬季管線積液影響和計量誤差影響。此類型井占總井數的56%，典型井生產曲線如圖9b所示。

3 治理措施

3.1 井口保溫

由于飽和氣從井筒進入生產流程時，產生節流現象導致壓力、溫度下降快，水大量凝析，從而導致管線積水氣量下降。因此可以考慮在生產閥門之前的地面管線加纏電熱帶，減弱溫度變化對氣量計量的影響。

3.2 單井、閥組掃線放水

對于單井井口U型采氣管線內的積液可通過掃線方式清理。在井口管線球閥前端加裝放水閥門，單井氣量發生波動后，關閉球閥，打開井口生產閥門，利用生產壓差將單井U型采氣管線內的積液吹掃清除。

由于采氣支線采用閥組串接方式，無法采用通球清管作業的方式清除管線積液，為了提高管網的輸送效率，可在采氣支線的低洼處安裝凝液缸，定期進行掃線放水，具體可分為正掃和反掃。正掃線是關閉閥組處的生產閥門，利用生產壓差將單井至凝液缸段的管線積液匯集到凝液缸處，反掃線是指關閉單井生產閥門，利用閥組內的系統壓力將凝液缸至閥組段管線積液最大限度的匯集到凝液缸處。通過凝液缸可以有效的清除采氣支線的積液。

3.3 溫度補償

非智能流量計計量未考慮到溫度補償問題。在冬季生產過程中，井口計量除了做好管線保溫處理外，還需要考慮溫度補償問題。選取部分單井安裝溫度變送器，測量井口計量點的氣體溫度，每天早晨8點計算前一天的平均溫度，建立溫度數據庫。裝有溫度變送器的單井按照測量溫度進行補償計算，未安裝溫度變送器的單井選取鄰近的裝有溫度變送器的單井測量溫度進行近似補償計算。

3.4 添加化學抑制劑

添加化學抑制劑法，是防止管線凍堵常采取的方法之一。考慮到經濟性和實際應用效果，煤層氣行業主要加入的化學抑制劑為甲醇。甲醇的冰點低且可以與水任意比互溶，通過向集輸系統中添加甲醇等抑制劑，可以改變冰生成的熱動力條件，預防凍堵現象的發生。

3.5 管線下放

沁水地區凍土層厚度一般為50～65cm，管線埋深應大于凍土層深度。由于管線多在丘陵山地中穿行，上覆沙土易被雨水沖刷走，造成管線埋深不足或者裸露。如果管線在凍土層以上或者裸露地表，容易發生積液或者凍堵。因此一般要求管線埋深1.2～1.5m且平時應加強管線巡護，發現管線埋深不足或者裸露，立即實施管線下放施工。