煤层气同心管气举排水工艺技术研究

崔金榜 段宝玉 白建梅 郝 丽 王丽娜

(中国石油华北油田采油工艺研究院, 河北 062552)

1 煤层气开采技术现状

煤层气是在煤层条件下吸附在煤基质孔隙内表面的以甲烷为主的气体资源, 在开采过程中, 首先要进行排水降压, 当煤层内的压力达到煤层气的临界解吸压力之下, 甲烷分子才能从煤基质孔隙内表面由吸附状态变成游离状态被开采出来。

国外在煤层气开采方面主要采用有杆泵、螺杆泵、电潜泵等排水采气技术, 国内在煤层气开采方面目前大量采用的是有杆泵排水采气工艺技术, 螺杆泵、电潜泵仅是小范围的试验性应用, 尚没有形成规模。在排采实践中, 上述工艺都不同程度的存在着一些缺陷： 有杆泵举升存在杆管柱偏磨现象;由于后期排水量比较小, 导致与水同时进入柱塞泵内的粉煤灰沉积在泵筒内而卡泵; 小的水量会导致电潜泵由于不能有效地散热而使电机烧毁, 螺杆泵也存在定子干磨而烧坏的现象。

因此, 研究一种既不受煤层产水量限制, 又能够满足排水采气工艺要求的技术, 是有效开采煤层气的基础。

2 同心管气举排水工艺技术原理

煤层气同心管气举排水工艺技术, 就是将注气通道、排水通道和采气通道有效的分离开来, 利用井下压力计作为控制源, 以压缩的空气 (或煤层气) 作为举升煤层产出水的动力气, 以气携水从而达到排出煤层产出水、采出煤层气的目的。

(1) 工作原理

动力气从油管和空心抽油杆环空注入, 通过空心抽油杆上的气举阀进入空心抽油杆内, 将空心抽油杆内的液体举升到地面, 煤层气从油套环空排出(见图1) 。

图1 煤层气同心管气举排水工艺管柱

(2) 管柱组成

在煤层气井中下入油管, 在油管内下入安装有气举阀的同心气举短接的空心抽油杆; 管柱底部有将空心抽油杆和油管的环形空间密闭的密封装置;在井口有油管与空心抽油杆的密封装置。

(3) 同心气举短接

为满足工艺要求, 设计同心气举短接 (见图2) , 与空心抽油杆连接, 从油管和空心抽油杆环空注入的高压气体通过同心气举短接两侧的进气孔进入气举阀, 气液混合物通过短接内部侧通道进入上部空心抽油杆内部, 流到地面。

图2 同心气举短接结构图

(4) 井口及井下密封短接设计

根据同心管气举系统的工作原理, 进行井口密封和井下密封设计, 解决动力气对煤层的影响问题, 同时保证产出气、产出水道、注入气互不干扰。图3 为井口及井下密封短节结构图。

图3 井口密封短接结构与实物图

(5) 排液管管径选择

管径主要取决于流量和流速, 而不同性质和操作工况的介质应选用不同流速, 一般液体介质流速不应超过3m/s, 气体介质流速不应超过100m/s。

但液体在管道中流动的时候, 会受到摩阻损失

ρ——流体密度, kg/m3;

μ——流体动力粘度, Pa．s;

ν——流体运动粘度, m3/s;

υ——平均流速, m/s;

d——管子内径, mm;

图4 井下密封短接结构与实物图

当Re＜2000 时,

当Re≥2000 时,

L ——管道长度, m;

ΔP——压降大小, Pa。

以日产水40m3/d 计算, 每秒产水4．6 ×10-4m3/s, 产出水的最大流速以3m/s 计算, 那么管径直径为14．02mm。选用的空心杆外径36mm (壁厚5．5mm) , 能满足使用要求。

同时利用常用管径计算流速公式计算其管径：

式中 d——管径, m;

w——体积流量, m3/s;

v——常用流速, m/s;

查找介质常用流速表可以看出, 当压力＜8MPa 时, 常用流速2～3m/s, 由此推算管径17．12～14．04mm, 由此也说明选用外径36mm 的空心杆能满足使用要求。

3 室内试验条件

(1) 试验场所： 采油工艺研究院500m 实验井。

(2) 管柱结构： “27/8”TBG油管： 391．08m;KJ G36 空心抽油杆： 391．05m。

(3) 同心气举阀参数：

一期试验： 阀嘴直径： 4．0mm; 打开压力：2．0MPa;

二期试验： 阀嘴直径： 2．0mm; 打开压力：1．0MPa。

(4) 下入位置： 341m。

(5) 高压气源： 15MPa 压风车, 排量10m3/min。

(6) 流量计量： 水量： 旋翼式水表; 气量： 流量计。

(7) 气液分离器。

4 室内试验结果

在实验过程中, 根据排出水情况, 控制高压气体流量。试验数据见表1 及图5．

表1 试验数据表

图5 同心管气举排水系统室内试验效果

5 试验效果分析

(1) 工艺简单、可靠性强

该工艺采用同心管结构, 形成三个通道互不干涉, 并且井下没有运动部件, 从而避免了其它工艺技术存在的煤粉卡泵、偏磨、烧泵等问题, 可以有效防止固体颗粒及粉煤灰对排采设备的影响。

(2) 排量调节范围大

通过控制注气量可以调节排水量, 实现1～60m3/d 的排量控制, 能够充分满足排水量不确定的煤层气井的排水需要, 解决排采设备选型与排采水量不相适应的矛盾。

(3) 满足煤层气井液面降低需求

通过实验, 液面可以降到气举阀以上10m 以内。

(4) 注气量小、注气压力低

注气量不高于1000m3/d, 在低液面时需要的注气量更少, 在300m3/d 左右。注气压力可以降至1．2MPa 甚至更低。

(5) 能够满足丛式井、大斜度井生产的需要,可以一套压缩机组带多口井生产。

6 结论

(1) 采用同心管气举排水工艺, 可以提高排水效率, 有效防止了粉煤灰的沉积和堵塞。

(2) 该系统可实现排量在0～60m3/d、沉没度最低10m 范围内的任意调节, 满足煤层气排水量连续可调的要求。

(3) 整套工艺连接、组装方便, 可操作性强。

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