煤層氣井產出水固體顆粒過濾裝置及應用

原紅超 賈慧敏 王漢雄 安玉敏 聞 偉 蔣世民

(1.中國石油華北油田山西煤層氣勘探開發分公司，山西 047000；2.中國石油華北油田公司，河北 062552；3.中國石油華北油田第二采油廠，河北 065000)

煤層氣通過連續排出煤層中水，將煤層壓力降至解吸壓力以下，從而使吸附在煤巖孔隙中的甲烷解吸、擴散產出井筒，因此，排水采氣是煤層氣開發的基本原理。煤層氣井產出水量大，如沁水盆地樊莊區塊日產水量在1200m3左右，鄭莊區塊日產水量在1500m3左右，因此煤層產出水重復利用是降低成本、節約用水、保護生態環境的重要途徑。但煤層產出水中固體顆粒較多，對某些利用途徑產生不利影響。

1 煤層氣井產出水重復利用途徑

1.1 水力壓裂

我國絕大部分煤層氣儲層滲透率極低，需要大規模水力壓裂才能形成工業氣流，因此，水力壓裂是煤層氣開發的重要手段。我國煤層氣井水力壓裂直井單井用水量在200～1000m3左右，水平井單井壓裂用水量在5000m3以上。水力壓裂對水的固體顆粒含量要求不高，但是水力壓裂完畢后返排液中含有大量的壓裂砂、煤粉等固體顆粒，必須過濾后才能進行循環利用。

1.2 無桿泵動力液

目前無桿泵采用水力驅動方式運行，一般利用煤層產出水進行驅動，對煤層產出水中固體顆粒含量和粒徑有較高的要求，固體顆粒含量越高和粒徑尺寸越大，對柱塞泵磨損越大，導致的故障頻率越高，不利于煤層氣井穩定運行。

1.3 井筒煤粉清洗

煤層氣井鉆井、壓裂及排采過程中會產生大量煤粉，通過氣、水產出聚集在井筒或泵筒中，尤其當產水量較低時，煤粉不能被攜帶出來，導致篩管、凡爾堵塞，泵效降低。定期清洗井筒、泵筒中的煤粉能夠有效避免凡爾堵塞和泵效降低。清洗過程就是將清水通過油套環空注入井筒中，稀釋煤粉，并通過增加水排出速度增強攜帶煤粉能力，將煤粉排采井筒。這個過程對水中固體顆粒的要求較為嚴格，固體顆粒含量越低越好，現有排采水必須通過靜置沉淀之后才能利用，但洗井過程中，用水量較大，要實現洗井水的循環利用必須要對固體顆粒進行有效過濾。

2 過濾原理及裝置

2.1 過濾原理

利用重力作用使固體顆粒自由沉降，其關鍵在于通過減速裝置設計，降低煤層氣井采出水的流動速度，進而降低其攜帶固體顆粒的能力，實現固體顆粒自由沉降。首先需要通過多級自然沉淀，將動力液中的雜質過濾干凈，使水質達到使用要求。另外沉降塔級數可以根據實際情況確定，利于清除雜質且可以節省費用。其次應該利用緩流系統和豎流沉降系統雙重作用，將無桿泵排出的高壓液流持續多級減速，便于雜質自然沉降。

2.2 裝置組成

煤層氣井產出水中固體顆粒過濾裝置包括緩流系統、豎流沉降系統和排污系統3個主要部分，各部分主要部件如圖1所示。圖1中1是沉降塔外罩；2是動力液進口管線；3是整流管；4是連接桿；5是減速板；6是阻流板；7是支撐軸套；8是錐形沉降塔；9是分流盤；10是刮泥板；11是連接管；12是疏通裝置；13是排污閥；14為排污管；15為無桿泵動力液吸入口。

緩流系統主要作用是減緩動力液速度，為煤粉、壓裂砂沉降創造條件。緩流系統主要包括整流管、連接桿、減速板和支撐軸套。整流管為直徑80～100cm的鋼管，主要作用是將未過濾的動力液與過濾后的動力液隔離開，將從井下回流的高速動力液整流減緩流速；連接桿為直徑2cm的鋼桿，主要作用是連接減速板等配件；減速板為寬度100cm左右的鋼板，減速板與連接桿成40°～60°角，2塊減速板為1組，對稱焊接在連接桿兩側，相鄰兩組相互垂直交錯布置，主要作用是增加動力液下降時流動阻力，降低動力液速度；支撐軸套由三根鋼桿和一個軸套組成，三根鋼桿一端焊接在整流管內壁，一端焊接在軸套上，焊接成三角支架型，軸套直徑與連接桿直徑有一定的配合間隙，支撐軸套主要作用是防止連接桿在外力作用下彎曲變形，支撐軸套一般設計3組，均勻布置在整流管內。

豎流沉降系統由錐形沉降塔、分流盤、阻流板組成，主要作用是利用豎流沉降原理，使煤粉和壓裂砂自然沉降。其中錐形沉降塔圓柱部分直徑一般在500cm以上，直徑越大，流速越緩，沉降效果越好，高度一般在300cm左右，高度越高，沉降效果越好。分流盤為漏斗形，焊接在連接桿上，主要作用是使整流管中出來的液體均勻的呈扇形分流在整個錐形沉降塔內。阻流板由蜂窩填料板制成，為倒漏斗形，安裝在整流管外壁和錐形沉降塔內壁上，與沉降塔內壁成40°～60°夾角，其主要作用是使上行水流速度進一步減緩，細小的煤粉顆粒受阻下沉，強化減速和過濾作用。

排污系統由刮泥板、連接管、疏通裝置、排污閥和排污管組成，主要作用是清除沉降的煤粉和壓裂砂。其中刮泥板為直角三角形鐵片，兩條直角邊分別等于沉降塔錐形部分的高度和半徑，共兩片，對稱焊接在連接管上；連接管焊接在連接桿下端，主要是為了便于刮泥板焊接，同時便于連接桿放置。疏通裝置就是在連接管下端對稱焊接短鋼棍并與連接管垂直，一般為2～3排，并且相鄰兩排相互垂直，主要作用是當煤粉和壓裂砂在上部水壓作用下壓實時，可以通過轉動上部連接桿，帶動疏通裝置中十字形鋼棍，起松動疏通作用，避免出現煤粉、壓裂砂堵塞現象。排污閥采用球閥，能夠快速開關，提高雜質清理效率，同時球閥是單流閥可以避免單獨清理某個沉降塔時在水壓作用下發生倒流。排污管作用是將污水排至蒸發池，避免污染環境。

圖2 煤層氣井產出水中固體顆粒過濾裝置實物圖

3 現場應用

根據上述示意圖加工試制固體顆粒過濾裝置如圖2所示，在煤層氣開發現場進行應用，結果表明裝置對動力液中雜質過濾效果較好，水質達到了要求，使用后檢泵周期由1個月延長至6個月以上，故障頻率大幅降低；排污系統實現了自動排污，不需要人工進塔清理，大大降低工作量和安全風險，可以在煤層氣生產中進行應用和推廣。

4 結論

(1)煤層氣井產出水重復利用主要問題是固體顆粒含量高，降低固體顆粒含量能夠大幅提高產出水利用效率。

(2)煤層氣井產出水中固體顆粒過濾裝置包括緩流系統、豎流沉降系統和排污系統3部分，能夠有效的實現固體顆粒的過濾。