煤系氣排采井筒綜合模擬試驗裝置研制

夏星帆，高 飛

(1.中國石油大學(華東)石油工業訓練中心，山東 青島 266580；2.青島黃海學院，山東 青島 266591)

煤系氣屬于非常規天然氣，包括煤層氣、致密氣、煤系頁巖氣等氣藏。煤層氣屬于解吸產氣，需要排水降壓才能獲得工業氣流[1]。隨著排采的不斷深入，氣井的產氣量逐漸增加，產液量不斷下降，有的井產水很少甚至幾乎不產水[2]。在進行排水過程中，煤粉、泥、砂等固相顆粒將隨著產出液進入到井筒，影響泵和排出設備的運行[3]。對于產氣量較高的致密氣、煤系頁巖氣井，如果合理地設計管柱，實現氣攜水生產，對于提升生產效益意義重大[9]。由于煤系氣儲層一般是煤層與砂層多層疊置共存，因此，在氣體產出的同時，將伴隨著煤粉等固相顆粒的產出。這些固相顆粒進入到井筒和集輸管道，將影響設備的正常運行，對井筒和集輸設備提出了新的要求[4]。從上面分析可見，對于煤系氣排采，探索井筒內產出氣體的攜液能力、液攜(氣攜)固相顆粒的運移規律及其不同屬性的固相顆粒運移特征，對于維持井筒的正常功能、保障煤系氣的穩產、高產意義重大。為完成國家科技重大專項的研究任務，探索中低產煤系氣井井筒的流場規律[5-8]，研制了煤系氣井筒模擬綜合試驗裝置。該試驗裝置的主試驗管柱具有管套、桿管、桿內3個通道，通過改變氣量、液量，模擬煤系氣井不同的產氣(液)量，可以較好地模擬煤系氣井筒氣(液)的流動規律，進行低壓氣(液)攜能力試驗，對于分析井筒流場規律有重要意義。本文介紹該試驗裝置的基本功能、設計思想、整體結構和部分試驗的結果。

1 試驗裝置的基本功能

根據項目要求和試驗室條件，設定該試驗裝置主要完成如下試驗功能：

1) 管套環空氣體攜帶煤粉等固相顆粒試驗，包括定性和定量分析、接箍對煤粉攜帶的影響分析等。

2) 管桿環空液體攜帶煤粉、泥、砂的能力及定量與定性分析。

3) 節流噴嘴對煤粉攜帶的影響分析。

4) 低壓氣攜液能力試驗分析，臨界攜液能力的試驗。

5) 不同溫度條件對液攜煤粉、煤焦的影響。

6) 沿程壓力下降與測試。

7) 煤系氣氣舉采氣的原理試驗等。

為了完成上述基本功能，該試驗裝置需要設計試驗管柱、供氣部分、供液部分、混合模擬腔、測控系統等。從整體功能上可以分為氣攜(煤粉、液)和液攜(固相顆粒)2個模塊。

2 試驗裝置的基本工藝流程和總體方案

2.1 氣攜試驗模塊組成

按照上述對試驗裝置的基本要求，該試驗裝置從功能上分為氣攜(煤粉、液)和液攜(固相顆粒)2個模塊。組合2個模塊的功能，統一進行管路與測控系統的布局設計。

要實現氣攜(煤粉、液)模塊的基本功能，采用羅茨鼓風機作為氣源，向試驗系統注入一定流量的氣體。通過回流系統控制進入裝置的氣體流量和壓力。通過固相顆粒注入口向試驗系統注入固相顆粒，模擬氣攜固相顆粒工況。通過在試驗混合模擬腔內存放液體，模擬氣攜液體工況。用氣體流量計、壓力計監測流量、沿程壓力損失。通過透明試驗管柱觀察混合模擬腔產出的氣體在井筒模型系統中的流場規律。氣攜試驗模塊流程如圖1所示。改變井筒的通道結構，可以完成氣攜(煤粉、液)試驗和氣舉等試驗。改變調節閥的結構，可以完成調節噴嘴、井筒流場規律、井筒壓降等試驗。

1—回流管；2—回流控制閥；3—羅茨風機；4—氣量控制閥；5—氣體流量計；6—固相添加裝置；7—套管；8—油管；9—模擬井底；10—混合腔；11—壓力傳感器；12—空心桿；13—壓力傳感器；14—節流閥試驗區；15—壓力傳感器；16—放空管。

2.2 液攜試驗模塊組成

為實現液攜的基本功能，設計了如圖2所示管路流程，模擬采出液從水池中充分混合、加熱后被泵送到模擬泵吸入口。

1—水箱；2—泵；3—回流控制閥；4—流量計；5—壓力傳感器；6—溫度傳感器；7—模擬泵吸入口；8—混合腔壓力傳感器；9—管路壓力傳感器；10—加砂口；11—模擬油管；12—模擬套管；13—模擬抽油桿；14—上封頭；15—回管；16—加熱系統。

采出液在桿管模擬環空中上升，通過回管構成循環系統，完成模擬桿管環空的液攜舉升試驗。改變液體通道，例如從桿內環空產出，可以模擬速度管攜液試驗。通過壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器對進入試驗系統的液體的壓力、溫度、流量進行測量。通過加溫系統模擬不同井液溫度下的工作情況。

2.3 數據采集和控制系統方案

試驗臺的所有數據通過數據采集系統進行采集，氣體、液體的流量調節通過計算機控制調節閥和壓縮機(泵)的轉速來實現。控制系統、數據采集系統的接線如圖3所示。

該系統使用計算機集中對注入模擬試驗井筒的液體進行溫度、流量、壓力控制，對注入模擬井筒的氣量、壓力控制，通過改變試驗環空，實現對不同環空流速的控制。系統采用PLC與組態王組合的控制、采集模塊，實時顯示模擬井筒中液相、氣相的壓力、流量、溫度等參數，實現了整體試驗的自動控制與記錄，對于試驗的重復性與現場模擬的真實性有較大的幫助。

2.4 主要設備基本參數選擇

1) 氣攜試驗模塊。

由羅茨風機、氣閥、壓力計、氣流量計、管柱、煤粉入口、混合腔等組成。風機的排出壓力為1.2 MPa,最大排氣量為15 000 m3/d。氣閥、壓力計、混合腔、流量計等依據上述參數進行設計選型。管柱選擇承壓不小于4 MPa的透明PVC管，模擬套管外徑為100 mm ,油管外徑為60 mm，抽油桿外徑為20 mm(內徑14 mm)。為便于觀察和安裝，上下封堵采用螺紋+密封墊的結構。

2) 液攜試驗模塊。

由水泵、水池、加熱器、液閥、溫度計、液流量計等組成。水泵選擇小型軸流泵，其排出壓力為1 MPa, 排量為50 m3/d。加熱系統選擇電控加熱系統，溫升60 ℃的加熱時間為2.5 h，系統的耐溫設計為80 ℃。煤粉等固相顆粒經粉碎、計量后添加到系統的水池內，符合水攜固相顆粒的試驗要求。

3) 數據采集與控制部分

由采集與控制工控機、氣體流量計、液體流量計、溫控器、液相加熱系統、壓力計等組成，可以完成液相溫度、壓力、流量的檢測與控制和氣相壓力、流量的控制，完成液攜、氣攜試驗的要求。

3 典型試驗

3.1 動液面試驗

將管套環空內液面充到給定的高度，將氣體從管套環空產出。隨著氣體產量的增加，可以清楚地看到動液面的變化情況，如圖4所示。當氣井在產氣量大于給定的量值時，其動液面將不復存在，管套環空內為氣液混合流狀態。

圖4 隨著產氣量的增加，液面的變化試驗結果

3.2 光滑環空液攜煤粉試驗

將從某煤礦采集的煤樣用破碎機做成煤粉，與水混合，煤粉的質量分數為0.5%。通過泵將混合液注入桿管環空，待流場穩定后，測量攜出液的煤粉含量，進行液攜煤粉試驗。煤粉攜出率與液體流速的關系如圖5所示，圖中，橫坐標為管內液體的流速與被攜的煤粉中砂質固相顆粒的攜出液中的靜止沉降速度的比，縱坐標為煤粉的攜出比例(試驗條件為：垂直管柱高度3.3 m,溫度25 ℃，煤粉來自晉城某煤礦的原煤，粉碎后，用攪拌機與攜出液充分混合后，進入試驗裝置。)，可知，當環空內液相流速小于顆粒的沉降速度時，只有懸浮部分的固相顆粒可以排出。當流速達到足夠大時，進入井筒的固相顆粒才能被排出井筒。這為合理的設計液攜煤粉排采系統提供了依據。

圖5 液相固相顆粒攜出試驗結果

4 結論

1) 設計的氣攜、液攜試驗裝置可以滿足目前煤層氣排采井筒試驗的需要。該試驗裝置可以進行管套、桿管、桿內3個環空的氣攜液、氣攜固相顆粒和液攜固相顆粒的能力試驗，這對于驗證低壓氣攜液、氣攜固相的充要條件及其液攜固相顆粒的條件有一定的幫助。

2) 通過模擬試驗，研究井筒流場規律，為煤層氣排采系統的設計提供依據，提高液攜和氣攜固相顆粒的排采效率。這對于非常規天然氣的經濟開發有一定的幫助。

3) 由于實驗室條件限制，垂直管柱的高度較小，對于試驗結果有一定的影響。

4) 開展高壓氣攜液能力的試驗研究對于氣田的經濟開發有重要意義。