煤層氣井井場瓦斯收集工藝技術

龐 濤

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

我國煤層氣資源豐富，經過近30 年的技術積累和工程示范，我國已初步實現了煤層氣規模化的開發利用[1-3]，但存在單井產氣量低等難題[4-5]。我國煤層氣田排采設備以從油田移植過來的游梁式有桿泵為主[6-9]，而有桿抽油井中98%以上的井口密封采用常規光桿密封裝置[10-11]。為了防止煤層吐粉掩埋排采設備，常常將下泵位置設計在煤層頂板以上，“L”型井泵的吸入口設計在煤層位置，這就造成氣井生產時油管中常含有大量氣體。這部分氣體隨排采水到達地面，在井口密封裝置和水管線排水口發生泄漏，造成井場瓦斯濃度過高，存在安全隱患的同時資源浪費也是現有排采工藝技術的突出問題，這對于本身產氣量低的煤層氣井顯得尤為尖銳。

資料顯示石油工作者在采油過程中研究出了一些裝置來減少井口漏油[12-15]，但無應用于煤層氣井的案例，專利號為201520950463.4 的“煤層氣井井口漏氣回收裝置”提供了一種煤層氣井水管線瓦斯氣體處理裝置，采用射流泵原理，以油套環空中的高壓力氣體為動力源對水管線中的低壓氣體進行抽吸，將低壓氣體送入輸氣管線，該技術對套壓要求較高，且目前無現場應用的案例。為解決這一問題,提出了一種煤層氣井井場瓦斯氣體分離收集工藝技術。該技術采用研制的自調偏式井口密封裝置進行井口密封，通過安裝在水管線的氣體分離收集裝置將水管線中的氣體進行分離、加壓并送入外輸管線，以達到降低井場瓦斯氣體濃度、泄漏氣體收集利用的目的。

1 井場瓦斯氣體泄漏原因

煤層氣井的瓦斯來源于井筒，井筒中的瓦斯通過油套環空和油管2 個通道到達地面，油套環空中的瓦斯氣體通過針形閥直接進入輸氣管線，而油管中的瓦斯氣體通過井口密封裝置進入水管線，井場的瓦斯氣體主要來自于井口密封部位的泄漏和水管線出水口的自由排放。

1）井口瓦斯氣體泄漏。抽油機由于井口安裝不正、地基變形等易造成光桿軸線與井口軸線發生偏移，由于光桿與井口管連接無浮動與導正設施,光桿與井口管密封部位相對運動中無法保證始終如一的同心軌跡,導致井口光桿密封件（盤根）發生偏磨，在盤根不及時更換的情況下氣體會從光桿和盤根之間的空隙泄漏出來，造成井口瓦斯濃度過高。井口密封裝置偏磨示意圖如圖1。

圖1 井口密封裝置偏磨示意圖Fig.1 Schematic diagram of partial wear of wellhead sealing device

2）水管線出水口瓦斯氣體泄漏。現有的煤層氣井大部分水管線排水口瓦斯氣體為自然分離擴散，有的氣井為了防止安全事故在水管線末端安裝了氣液分離器，但是由于分離出來的氣體壓力低，難以進入到輸氣管線，只能點火把，形成井場安全隱患的同時也造成資源浪費。

2 煤層氣井井場瓦斯收集關鍵裝置及工藝

針對煤層氣井井場瓦斯濃度高、資源浪費的情況，提出煤層氣井含氣水管線氣體分離收集工藝技術，采用自調偏式井口密封裝置進行井口密封，并采用水管線的氣體分離收集裝置進行水管線氣體分離收集。

2.1 自調偏式井口密封裝置

自調偏式井口密封裝置采用撓性材料連接密封盒和井口三通，撓性連接機構外部設置有萬向節總成，通過萬向節總成將密封盒所承受扭矩和軸向力傳遞到井口三通，以保護撓性機構，自調偏式井口密封裝置如圖2。

圖2 自調偏式井口密封裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of self-adjusting deflected wellhead sealing device

具體的結構為：密封盒的兩側分別設有相對設置的L 型上支撐體，井口三通的兩側分別設有相對設置的L 型下支撐體，上支撐體和下支撐體相互間隔90°設置，在撓性軟管的外部設置承扭連接盤，承扭連接盤的周緣分別通過銷軸連接于上支撐體和下支撐體。承扭連接盤的周緣設有依次間隔90°設置的銷軸，其中兩相對設置的銷軸分別穿置于兩上支撐體末端的銷軸孔，另外兩相對設置的銷軸分別穿置于兩下支撐體末端的銷軸孔，銷軸可焊接在承扭連接盤上，也可安裝在上、下支撐體臂端，能夠使上、下支撐體和承扭連接盤呈角度運動和發生小范圍位移偏移，進而進行井口的平移跟蹤。

2.2 水管線氣體收集裝置及工藝

氣體分離收集裝置排氣口采用單向閥與輸氣管線相聯通，內部設置有雙浮球控制裝置控制液面,氣體分離收集裝置示意圖如圖3。

圖3 氣體分離收集裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of gas separation and collection device

具體的結構為：壓力容器的一側通過水管線與油管連接，下部設有出水口，壓力容器的頂部設有泄壓閥和瓦斯氣體出口，瓦斯氣體出口的管道通過單向閥與輸氣管線連接，壓力容器內設有液位控制機構，出水口通過管道與水池連通，水管線的入口設在壓力容器中部，液位控制機構連接在出水口上，通過控制排水口的出水流量來控制壓力容器內的液面位置，為了保證裝置的安全和防止液位控制機構故障、液體進入輸氣管線，容器內設置有雙液位控制機構，當1 個液位控制機構故障時備用液位控制機構啟用，保證裝置正常工作。

煤層氣井井場氣體分離收集裝置現場安裝工藝流程圖如圖4。

圖4 氣體分離收集裝置現場安裝工藝流程圖Fig.4 Field installation process flow chart of gas separation and collection device

正常排采時，水管線中的氣液混合物進入壓力容器，瓦斯氣體在重力作用下分離出來，由于液位控制機構的作用，容器內液位穩定在一定位置，壓力容器的上部空間保持不變，而瓦斯氣體越來越多，氣體壓力逐漸增大，當容器中的氣體壓力大于輸氣管線中的氣體壓力時，單向閥打開，容器中的瓦斯氣體進入輸氣管線，達到水管線中瓦斯氣體的分離收集目的。

3 模擬試驗

為了驗證煤層氣排采井含氣水管線氣體分離收集工藝技術的可行性及適用性進了模擬試驗。

1）模擬試驗流程。試驗采用水泵和空壓機提供有壓氣體和水，通過三通混合成氣液混合流后進入裝置，出氣口安裝有0.2 MPa 的單向閥模擬有壓的輸氣管線，試驗過程中單向閥打開即可說明出氣口氣體壓力達到了0.2 MPa，采用流量計和流量表分別計量入、出口的氣體流量。

2）試驗結果。通過模擬試驗可得: 入口/出口水量53 m3/d，當裝置內壓力達到0.2 MPa 時，單向閥打開，氣體排出，入口氣體流量246 m3/d，出口氣體流量215 m3/d，水管線氣體收集率達到87%，試驗過程中液位始終控制在一定位置，證明了本技術的可行性。

4 結 語

針對煤層氣井井場井口有瓦斯泄漏、排水口瓦斯含量高，影響氣井正常安全生產、資源浪費的狀況，提出了煤層氣排采井井場瓦斯收集工藝技術。井口密封裝置采用了撓性軟管連接密封盒和井口，保證了密封裝置的自調偏功能，同時外部的萬向節總成承受了密封盒所受載荷和扭矩，其組合使密封裝置即可隨光桿偏移，又具有剛性，能夠很好的解決井口偏磨、氣體泄漏問題。氣體分離收集裝置能夠保證出氣口氣體壓力達到外輸管線的壓力要求，基本滿足煤層氣井集輸要求，模擬試驗證明了該技術的可行性。