煤炭地下氣化注入井壓力控制

張友軍, 楊鵬飛, 劉家煒, 毛良杰*, 袁進平, 付燈煌

(1.中石油江漢機械研究所有限公司, 武漢 430024; 2.西南石油大學油氣藏地質與開發國家重點實驗室, 成都 610500)

煤炭地下氣化是對煤炭資源進行原位清潔能源轉化,具有煤炭清潔利用和低碳能源保障的優勢[1],是國家《能源技術革命創新行動計劃(2016—2030)》中煤炭清潔轉化技術創新戰略方向[2]。煤炭地下氣化是將處于地下的煤炭在原位創造適當的工藝條件,進行有控制地燃燒,通過煤的熱解及化學作用,產生氫氣、一氧化碳和甲烷等可燃氣體的過程[3-6]。而在實際工程中,壓力過高或過低都不利于煤炭氣化的正常運行,因此開展注入井壓力控制研究對保證地下氣化安全高效進行具有重要意義。

目前,國內外學者對煤炭地下氣化已有豐富研究。曹敏等[7]發現壓力的提高有利于碳的轉化率。梁新星等[8]發現最大允氧含量隨壓力增加而降低。劉洪濤等[9]通過實驗研究,發現甲烷的含量隨壓力的提升而增加,氫氣和二氧化碳含量隨壓力提升減少。荊恬等[10]在褐煤高壓自燃規律的研究中,發現高壓能促進褐煤的自燃。Renato等[11-12]的實驗研究表明,高壓條件下有利于甲烷的生成。劉奕衫等[13]考慮物性參數隨溫度和壓力變化,對井筒溫度場進行研究,發現井底壓力對溫度場影響很小。郝鵬程等[14]基于強度和滲透性理論,對煤炭采收率進行分析,發現井底壓力與地層壓力越相近,煤墻越安全。

在諸多研究中,壓力都是作為煤炭氣化的重要影響因素之一,但少有學者對壓力控制進行研究。故在現有的研究基礎上,考慮壓力波的傳遞,建立氣化劑注入的流量壓力仿真模型,對水力摩阻的部分影響因素進行分析,并進行調整生產參數的壓力控制研究。研究結果可為注入井的壓力控制提供一定的指導。

1 氣化劑注入的流量壓力仿真模型

在煤炭地下氣化工程中,地下氣化同心連續油管起著重要作用。在氣化劑的注入過程中,同心連續油管內管注氮,外管注氧,注入井環空注水,煤炭在氣化腔進行氣化,氣化得到的粗煤氣再由生產井產出,如圖1所示。

圖1 氣化運行示意圖Fig.1 Gasification operation diagram

1.1 注入氣體的流量壓力仿真模型

1.1.1 注入氣體的壓力計算方法

根據實際氣體的狀態方程、過程方程、連續性方程、動量方程獲得注入氣體的質量流量與壓力降的關系式[15]如式(1)所示,據此計算注氣連續管進口處和出口處的氣體壓力。

(1)

氣體在管道中的氣柱壓力計算公式為

pg=ρggh

(2)

式(2)中:ρg為該氣體在管道內的平均密度,kg/m3;h為末端出口與入口之間的高度差,m。

管道出口氣體流速計算公式為

(3)

式(3)中:P0為標準狀況下的大氣壓,P0=101 325 Pa;P為末端出口處的氣腔壓力,Pa;Q標況為標準狀況下氣體的體積流量,Nm3/h;D為同心連續油管外管內徑,m;d為同心連續油管內管外徑,m。

當連續管末端處于井筒液面下注入氮氣氣舉目標位置之后,氮氣流速需滿足井筒氣體攜液臨界流速Turner計算模型[16],即

(4)

式(4)中:ucc為攜液臨界流速,m/s;ρw為水的密度,kg/m3;ρg為氮氣的密度,kg/m3;σ為氣液表面張力,N/m。

1.1.2 氣體壓力波控制方程

當更改氣化劑中氣體的注入流量或注入壓力時,井筒壓力會隨之改變,而井筒氣相流動介質中的壓力傳播本質上可以認為是受壓力擾動源擾動的氣體粒子振動的傳播,從氣體動力學的角度可以推導出氣體壓力波控制方程[17]為

(5)

式(5)中:c為氣體波速,m/s;d為管道直徑,m;pg為氣體的注入壓力,Pa;ω為壓力波的角頻率,rad;ρg為氣體的密度,kg/m3;μg為氣相流體介質的黏度,mPa·s;γ為等壓和等容條件下熱容量的比值;fg為氣相流體與管壁的摩擦系數。

1.2 注入液體的流量壓力仿真模型

1.2.1 注入液體的壓力計算方法

對于牛頓流體,環空中的雷諾數計算公式[18]為

(6)

式(6)中:v為水的流速,m/s;Dw為井筒直徑,m;D為同心連續油管外管外徑,m;ρ為水的密度,kg/m3;μ為水的黏度,mPa·s;Q為水的流量,m3/s。

在進行流體壓降的計算時,若Re<2 000,則流體屬于層流;若Re>2 000,則將流體視為紊流。

對于井筒環空中牛頓流體的摩阻壓力損失計算公式[19-20]為

(7)

流量Q=vπ(Dw2-D2)/4,如果以流量Q代替速度vo,則式(7)可以轉化為

(8)

層流的環空偏心修正系數計算公式[21]為

(9)

紊流的環空偏心修正系數計算公式[21]為

(10)

(11)

由于連續油管內管的偏心度難以確定,不能準確確定Ec的值,因此可取其近似值。當同心連續油管外管位于井筒的中心位置時,Ec=0,Cef=1;當同心連續油管外管緊貼井筒的內壁時,Ec=1,Cef最小[22]。對于接近垂直的外層連續油管環空,Ec的取值范圍為0.5～0.75;對于接近水平的井眼環空,Ec取值范圍為0.75～0.95[23]。

同心連續油管外管與井筒之間的空間位置關系如圖2所示。

圖2 同心連續油管外管與井筒之間的空間位置關系Fig.2 The spatial position relationship between concentric coiled tubing outer pipe and wellbore

井筒環空中流體的摩阻系數計算公式為

(12)

當管內流體為層流狀態時,則

(13)

當管內流體為紊流狀態時,則

(14)

對于井筒環空中水的液柱壓力,計算公式為

p液=ρgh

(15)

式(15)中:g為重力加速度,9.8 N/kg;h為井口至井底的高度差,m。

井筒環空末端水壓力與井口水的注入壓力關系為

p末端=p注入+p液-Δp

(16)

1.2.2 液體壓力波控制方程

當更改氣化劑中液體的注入流量或注入壓力時,井筒壓力會隨之改變,而井筒液相流動介質中的壓力傳播本質上可以認為是受壓力擾動源擾動的液體粒子振動的傳播,根據井筒水動力學原理可以推導出液體壓力波控制方程[17]為

(17)

式(17)中:c為液體波速,m/s;d為管道直徑,m;θ為井斜角,rad;ul為液相流體流速,m/s;ω為壓力波的角頻率,rad;ρl為液體的密度,kg/m3;μl為液相流體介質的黏度,mPa·s;κl為液體的體積彈性模量,Pa,水取2.2×109;γ為等壓和等容條件下的熱容量比值;fl為液相流體與管壁的摩擦系數。

2 注入井壓力控制分析

氣化劑注入是煤炭地下氣化工程中的重要環節,而在氣化劑的注入過程中,井筒中的水力摩阻是影響壓力的重要因素,了解水力摩阻的影響因素,有利于注入井的壓力控制。在更改氣化劑注入流量時,井底壓力會受流量變化的影響而產生波動,且調節生產井口的閥門時(產出流量變化),氣化腔及注入井口壓力也會產生相應變化。本文分析了水力摩阻的部分影響因素,并進行了調整生產參數的壓力控制分析。壓力控制分析的基本參數如表1所示。

表1 基本參數Table 1 Basic data

2.1 影響因素分析

圖3為水力摩阻隨不同影響因素的變化示意圖。圖4為注入壓力隨不同影響因素的變化示意圖。可以看出,油套環空的水力摩阻隨井筒直徑的增大而減小,隨連續油管外徑的增大而增大,隨注水排量的增大而增大;井口的注入壓力隨井筒直徑的增大而減小,隨連續油管外徑的增大而增大,隨注水排量的增大而增大。當井筒直徑的增大時,油套環空的空間增大,注水時水的流通截面積增大,從而導致相同排量下,油套環空內的液體流速降低,使得注水時的水力摩阻隨井筒直徑的增大而減小;當連續油管外徑的增大時,油套環空的空間減小,注水時水的流通截面積減小,從而導致相同排量下,油套環空內的水流速度增大,使得注水時的水力摩阻隨連續油管外徑的增大而增大;當注水排量的增大時,油套環空注水的水力摩阻也會增大,使得油套環空注水的注入壓力隨著注水排量的增大而增大。當油套環空末端水壓力為定值時,注入壓力會隨井筒摩阻增大而增大,隨井筒摩阻的減小而降低。

圖3 水力摩阻隨不同影響因素的變化示意圖Fig.3 Schematic diagram of hydraulic friction varying with different influencing factors

圖4 注入壓力隨不同影響因素的變化示意圖Fig.4 Diagram of injection pressure varying with different influencing factors

2.2 調整生產參數壓力控制研究

2.2.1 調整注入井注水流量的井底壓力控制分析

調整注入井井口的環空注水流量,首先影響環空水流動摩阻,然后末端水壓力產生變化影響井底壓力。井底壓力變化后導致生產井出口流量及壓力產生變化,同時需調整注入井同心連續管內外管注入參數進行動態響應,否則會影響氣化腔氣化穩定運行。

圖5為在10 MPa注入壓力下更改注入流量的井筒壓力變化云圖。圖6為10 MPa注入壓力下井底壓力隨時間的變化示意圖。可以看出,在10 MPa的注入壓力及5.50 L/s的注入流量下,井底壓力為7.26 MPa,當注入流量由5.50 L/s改變為5.75 L/s時,井底壓力以0.025 MPa/min的減小速度降至6.11 MPa;當注入流量由5.50 L/s改變為5.25 L/s時,井底壓力以0.024 MPa/min的增長速度增至8.35 MPa。在實際工程中,若井底壓力過大,可以適當增大液體的注入流量,增加井筒中的摩阻損失,以實現井底壓力的降低;若井底壓力太小,也可以適當減小液體的注入流量,降低井筒中的摩阻損失,以實現井底壓力的增大。

圖5 10 MPa注入壓力下更改注水流量的井筒壓力變化云圖Fig.5 Cloud diagram of wellbore pressure variation with change of injection flow of water at 10 MPa injection pressure

2.2.2 調整注入井注氧流量的井底壓力控制分析

調整注入井井口的注氧流量,首先影響同心連續油管外管內氧氣流動,然后井底出口壓力產生變化影響井底壓力。井底壓力變化后導致生產井出口流量及壓力產生變化,同時需調整注入井環空以及同心連續管內管注入參數進行動態響應,否則會影響氣化腔氣化穩定運行。

圖7是在8 MPa注入壓力下更改注入流量的井筒壓力變化云圖。圖8是8 MPa注入壓力下井底壓力隨時間的變化示意圖。可以看出,在8 MPa的注入壓力及594.44 L/s的注入流量下,井底壓力為8.91 MPa,當注入流量由594.44 L/s改變為629.37 L/s時,井底壓力以0.048 MPa/min的減小速度降至8.87 MPa;當注入流量由594.44 L/s改變為559.44 L/s時,井底壓力以0.036 MPa/min的增長速度增至8.94 MPa。在實際工程中,若井底壓力過大,可以適當增大氣體的注入流量,增加井筒中的摩阻損失,以實現井底壓力的降低;若井底壓力太小,也可以適當減小氣體的注入流量,降低井筒中的摩阻損失,以實現井底壓力的增大。

圖6 10 MPa注入壓力下井底壓力隨時間的變化示意圖Fig.6 Diagram of variation of bottomhole pressure with time under 10 MPa injection pressure

圖7 8 MPa注入壓力下更改注氧流量的井筒壓力變化云圖Fig.7 Cloud diagram of wellbore pressure variation with change of oxygen injection at 8 MPa injection pressure

圖8 8 MPa注入壓力下井底壓力隨時間的變化示意圖Fig.8 Diagram of variation of bottomhole pressure with time under 8 MPa injection pressure

2.2.3 調整生產井出口流量的井底壓力控制分析

調整生產井井口的出口流量,首先會產生壓力波導致井底壓力發生改變。井底壓力變化后,需依此對注入井三通道注入氣化劑的注入參數進行動態響應調整,否則會影響氣化腔氣化穩定運行。

圖9為在8 MPa注入壓力下更改出口流量的井筒壓力變化云圖。圖10為8 MPa注入壓力下井底壓力隨時間的變化示意圖。可以看出,在8 MPa的注入壓力及800 L/s的出口流量下,井底壓力為8.94 MPa,當出口流量由800 L/s改變為900 L/s時,井底壓力以0.79 MPa/min的減小速度降至8.63 MPa;當出口流量由800 L/s改變為700 L/s時,井底壓力以0.74 MPa/min的增長速度增至9.23 MPa。由于生產井出口流量的變化會導致井底壓力的變化,所以注入井的井筒壓力也會隨生產井出口流量的變化而發生改變。在實際工程中,若井底壓力過大,可以適當增大生產井的出口流量,使氣化腔產出的粗煤氣更快地產出,壓力釋放加快,以實現井底壓力的降低;若井底壓力太小,也可以適當減小生產井的出口流量,減緩生產井內粗煤氣的產出速度,以實現井底壓力的增大。

圖9 8 MPa注入壓力下更改出口流量的井筒壓力變化云圖Fig.9 Cloud diagram of wellbore pressure change with outlet flow at 8 MPa injection pressure

圖10 8 MPa注入壓力下井底壓力隨時間的變化示意圖Fig.10 Diagram of variation of bottomhole pressure with time under 8 MPa injection pressure

3 結論

(1)建立了注入井注入氣化劑的流量壓力仿真模型,對水力摩阻和井口壓力的部分影響因素進行分析,并分別調整生產井產出流量或氣化劑的注入壓力以及注入流量,對其進行壓力控制研究,揭示各因素對井筒壓力的影響。

(2)在煤炭地下氣化過程中,水力摩阻隨井筒直徑的增大而減小,若需維持井底壓力不變,井筒直徑越大,所需的注入壓力越小;水力摩阻隨連續油管外徑的增大而增大,若需維持井底壓力不變,連續油管外徑越大,所需的注入壓力越大;水力摩阻隨注水排量的增大而增大,若需維持井底壓力不變,注水排量越大,所需的注入壓力越大。

(3)在氣化過程中,在10 MPa注入壓力下調整環空中的注水排量由5.50 L/s改變為5.75 L/s時,井底壓力由7.26 MPa降至6.11 MPa,水力摩阻隨注水流量的增大而增大,井底壓力降低;在8 MPa注入壓力下調整連續油管中的注氧量由594.44 L/s改變為629.37 L/s時,井底壓力由8.91 MPa降至8.87 MPa,水力摩阻隨注氧量的增大而增大,井底壓力降低;在8 MPa注入壓力下調整生產井粗煤氣的產出流量由800 L/s改變為900 L/s時,井底壓力由8.94 MPa降至8.63 MPa,井底壓力降低。在實際工程中,可以通過調整注入井的注入流量或生產井的產出流量,對井底壓力進行控制。