煤层气井超声雾化连续气举排水技术探讨

程 浩 白建梅 汤继丹

(中国石油华北油田采油工艺研究院, 河北 062552)

煤层气井的开采主要通过排水降压使吸附在煤中的甲烷气体解吸来实现的, 煤岩应力敏感较为明显, 排水降压要求液面长期、连续、稳定下降, 特别是在煤层气井排采中后期, 必须控制好排水采气的速度, 保持井底流动压力和煤层的压力相对稳定, 防止气、水混合流体在煤层中流速过快, 引发煤层内固相颗粒的运移, 避免煤层受到不必要的伤害。

沁水盆地煤层气井排采中后期日产水量通常在1m3以下, 日产气量通常大于1000m3/d, 目前使用的排水工艺主要有整筒泵排水工艺、电潜离心泵排水工艺、螺杆泵排水工艺, 上述工艺对产水量较小的情况均有局限性, 不能很好满足排采的需求, 在天然气开采中有利用超声雾化排液工艺的研究, 适用于产液量较小 (包括凝析液和自由液体) 、产气量较大的天然气井, 煤层气井与天然气井不同。投产后需要先进行排水降压, 相对天然气井产气量小, 井底流压低, 利用超声雾化排水必须设计适用于煤层气井的工艺流程和管柱结构。

1 超声雾化排水原理

1．1 气井连续携液理论

气井携液的理论认为, 在气井开采过程中, 当井底气体流速达到气井携液临界流速时, 井内液体会随气体一起流出, 一般情况下液体会以液滴或雾状形式随气体流到地面。其中主要的理论是Turner、李闽等人提出的液滴模型理论和杨川东等人提出的优选管柱理论。

Turner 等人提出了确定气井携液的两种模型,即液膜模型和液滴模型, 用矿场资料对两个模型进行了检验后认为液滴模型更实用, 适用于气液比大于1367 的工况。李闽等人的液滴理论是在Turner等人的液滴理论基础上提出的, 考虑了被高速气流携带的液滴变形的情况, 选取了不同的曳力系数,导出了新的临界流速公式：

式中 v——气体携液临界流速, m/s;

ρv——水的密度, kg/m3;

ρg——煤层气的密度, kg/m3;

σ——气水表面张力, N/m;

q——气体携液的临界流量, 104m3/d;

A ——油管内截面积, m2;

p——压力, MPa;

z——气体偏差系数;

T——温度, K;

曳力系数取1．0。

由液滴模型理论可知：

(1) 临界流速与液滴直径有关, 液滴直径越大, 对应的临界流速越大;

(2) 管柱内径对临界流量有明显的影响;

(3) 临界流量与压力、温度有关, 与气液比无关, 应把井筒中临界流速和临界流量最小的位置点作为计算条件, 对于仅产生少量液体的气井, 可以根据井口条件来预测临界流速和临界流量, 对于产出大量液体的气井, 可根据井底条件来预测临界流速和临界流量。

分析山西沁水煤层气井的实际生产情况, 在排采的后期, 产气量与产液量比大于1367, 因此,本文在设计以气井携液理论为基础的煤层气井排采工艺时选用李闽等人的液滴理论。

1．2 超声雾化原理

超声雾化是在超声作用下, 液体在气相中分散而形成微细雾滴的过程。超声雾化的原理是： 当超声作用于液体时, 处于振动表面的薄液层激起毛细重力波。当振动面的振动幅度达到一定值时, 液滴从驻波波峰上飞出而成雾。

2 超声雾化排水工艺流程

图1 超声雾化排水工艺流程图

根据上述煤层气井开发情况和超声雾化原理以及石油天然气行业排水采气工艺技术的研究, 提出煤层气井利用超声雾化排水的工艺技术。先利用超声方法将井底水进行雾化, 再利用注入气或煤层气井生产气流排至地面, 主要包括地面和井下两部分, 地面主要由控制系统、气体压缩系统和气液分离系统组成, 井下由井下注气、排水管柱和超声波雾化器及井下传感器等组成。井下超声波雾化器包括若干个超声波换能器, 数量根据煤层气井产液的具体情况设计。

工艺流程如图1 所示, 超声波雾化器接在井下注气管柱下端, 随管柱送到井底液体中, 地面控制系统中的超声波雾化器专用电源通过井下电缆给井下的超声波雾化器提供电能, 雾化器的底部安装有可控制进液开关, 系统启动时, 先运行雾化器, 再打开进液开关, 保证合适的进液量。超声波雾化器工作时将水雾化成微米级的小水珠, 当煤层气井在排水阶段未产气时, 雾化后的小水珠随注入井下的气体通过排水管柱排至地面; 当煤层气井产气时,雾化后的小水珠随生产气流通过排水管柱排至地面, 产出液在地面进行分离后进入气、水管线, 地面控制系统通过井下传感器采集井下液面、压力、温度等井下参数, 经过控制系统判断后通过控制井下超声波雾化器的雾化量来控制产水量。

3 设备选择

3．1 超声波换能器选型

在实际生产中, 气流中夹带的液滴和管壁上的液膜之间不断交换, 液膜下降最终又破碎成液滴,因此为了最大限度的降低临界流速, 可以利用雾化器在井底将液体雾化, 雾滴直径小于或等于管柱中能形成的最大液滴直径即可。

气体携液时液滴直径由气体的惯性力和液体表面张力控制, 气流的惯性力试图使液滴破碎, 而表面张力试图使液滴聚集, 韦伯数综合考虑了这些力的影响, 当韦伯数超过20～30 的临界值时, 液滴将会破碎, 不存在稳定液滴。最大直径由以下公式确定：

式中 Nwe——韦伯数;

v——气体携液临界流速, m/s;

ρg——煤层气的密度, kg/m3;

d——最大液滴直径, m;

σ——气水表面张力, N/m。

对于沁水煤层气井, 井底温度298K, 产气时井底流压0．1～0．5MPa 之间, 气体中甲烷含量达到98%以上, 液体主要为水, 临界流速的计算可取以下值： 水的密度1074kg/m3, 气体密度取甲烷密度0．7kg/m3, 气水表面张力0．06N/m。计算可得临界流速为8．5m/s; 最大液滴直径为36mm。

雾滴直径大小与振动频率及液体的物理参数有关, 改变超声频率可方便地控制雾滴直径的大小,而且雾滴直径大小分布比较均匀。对于水, 当超声频率为10～100kHz 时, 其雾粒直径为120～30μm,换能器振动频率选择10～100kHz, 雾化的液滴直径即能满足煤层气井气体携液的要求。

超声雾化的速度与声强大小密切相关, 声强大, 则雾化量大, 考虑煤层气产液的实际情况, 选择换能器最大外径不超过100mm, 多个换能器总雾化量达到1～5m3/d。

3．2 排水管柱选型

得到临界流速后, 通过公式 (2) 可以得到临界流量与对应的管柱内径的关系：

式中 D——管柱内径, m;

q——气体携液的临界流量, 104m3/d。

由上式看出, 临界流量越小则对应的管柱内径越小, 为了在煤层气井产气时利用生产气流进行排液, 根据煤层气井的实际情况, 选取温度298K,压力为0．5MPa, 气体偏差系数0．93, 临界流速8．5m/s, 则可以得到不同日产气量做为临界流量时利用生产气流排液对应的管柱内径, 如表1。

表1 不同日产气量对应的管柱内径

考虑沁水煤层气井实际情况, 参考煤层气井经济产量, 选择临界流量为1000m3/d, 则管柱内径选择18mm。

排水管柱下面不悬挂工具, 材质及壁厚只考虑自身重力及腐蚀等原因, 而沁水煤层气井深一般在1000m 以内, 经过优选, 壁厚1mm 内径18mm 的不锈钢管即能满足要求。

3．3 空气压缩机选型

空气压缩机是地面空气压缩系统的主要设备,在煤层气井未产气时, 排液的气体由空气压缩机提供, 这里主要考虑空气压缩机的出口压力和排量。

临界流速计算时考虑到利用煤层气生产气流携液, 选择压力为0．5MPa, 因此空气压缩机出口压力也选择0．5MPa。空气压缩机排量要达到相应管柱内径时的临界流量即可。综合考虑, 地面空气压缩机选择日排量1000m3, 排气压力0．5MPa 即可。

4 技术适应性分析

4．1 技术适应性

以李闽等人的液滴模型理论和超声雾化理论为基础, 根据山西沁水煤层气开发实践设计的煤层气井超声雾化排采工艺技术能够适用于日产水量小于5m3、气液比大于1367、举升高度小于1000m、出砂出煤粉不严重的煤层气井; 同时该排采工艺技术也适用于其他工况的煤层气井, 但需要根据具体工况选择关键设备。

由于排液量较其他排采设备可更精确的控制,因此能更好的满足煤层气井井底压力严格控制的需求, 同时超声波换能器在井下煤层位置工作, 能够有效防止和治理煤粉及其他固体颗粒堵塞煤层孔隙系统, 对近井地带煤层具有一定的解堵和清洗作用。另外, 超声波换能器相比其他排采设备功耗很小, 生产管理简单, 能够有效节约能源, 降低生产损耗, 降低运行成本。

4．2 需要进一步研究的问题

(1) 井下超声波雾化器需要通过井下动力电缆供电, 另外, 地面注气排水时注入的是空气, 若与煤层气井产出的甲烷气体混合具有危险性, 因此从安全角度考虑需要对排水采气管柱进一步优化设计。

(2) 气体携带雾化后的液体在排水管柱运移时, 小水珠在排水管柱中以及节箍、阀门等处容易凝结成大的液滴, 影响系统的效率, 因此需要进一步对拟采用的管柱结构进行水动力学计算, 设计效率最佳的排水管柱。

5 结论

(1) 煤层气井超声雾化排采工艺能够适用于日产水量小于5m3、气液比大于1367、举升高度小于1000m、出砂出煤粉不严重的煤层气井, 且能够节能降耗、降低成本; 该排采工艺技术也适用于其他工况的煤层气井, 但需要根据具体工况选择关键设备。

(2) 井下超声波雾化器工作时, 对近井地带煤层具有解堵和清洗作用, 有利于煤层气的开采。

(3) 煤层气井超声雾化排水工艺还处在试验阶段, 排水采气管柱的优化设计、提高井下超声波雾化器的效率等还需要进一步的改进与完善。

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