煤层气井产出液煤粉含量监测

杨万有 郑春峰

中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司

煤层气井产出液煤粉含量监测

杨万有 郑春峰

中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司

针对目前煤层气井排采过程中出煤粉状况严重且无法实现连续煤粉含量计量的问题，通过开展流体温度、流量对煤粉含量的补偿室内评价实验，并基于质量守恒原理建立了煤层气井产出液煤粉含量的计算方法。同时开发出一套适用于煤层气井产出液煤粉含量的实时监测装置，该装置通过压差式密度传感器监测产出液密度值，并实时传输至数据终端，通过数据转换得到实时产出液煤粉含量值。现场应用表明，煤粉含量监测装置可实现实时远程数据监测，且监测精度满足现场技术需求，为现场防煤粉控制、排采工作制度的制定提供依据。

煤层气井；产出液；煤粉含量；监测；计算方法

煤层气井通过长期排水降压的方法降低储层压力开采，在排采过程中煤层气井产出液常伴随着煤粉的产出［1］。目前我国主要采用有杆泵、螺杆泵和电潜泵来实现排水采气，能够承受的最大煤粉质量分数3.0%～8.0%，一般微细颗粒煤粉以悬浮液的形式携带至地面，中粗、较粗颗粒煤粉过量堆积会堵塞泵吸入口，产出液煤粉含量过大导致煤粉卡泵、抽油杆断脱及井底煤桥胶结等故障发生，导致频繁检泵作业［2-4］。频繁作业引发井底流压大幅度波动，进而破坏气、水、煤粉流态连续性而影响单井产能［5-6］。排采速度过快造成煤粉产出量增加，在地面直观表现为产出液煤粉含量增加。煤层气井井口煤粉含量是重要的排采指标［7］。煤层气现场主要采用量杯取样通过观测产出液颜色，并经过静止沉淀后人工读取数据方式求取煤粉含量。该煤粉含量测试方法耗时时间长、不能实现实时连续煤粉含量监测，且因个人能力水平的差异性，测试结果准确性难以保证。

目前煤粉含量监测技术主要应用在电厂发电锅炉送粉与钢厂送粉管道等监测煤粉含量的领域，监测技术主要针对气固两项为基础开展研究［8-9］。刘升贵等人给出了煤层气井排采煤粉含量预警及防控措施，但未给出具体煤粉含量监测方法［10］。针对劳动成本高、测量精度差且不能实现连续煤粉含量监测等技术问题，依据煤粉含量与液固两相流密度关系，通过产出液密度实时监测数据推导出静态条件下产出液煤粉含量值，为现场防煤粉控制、排采工作制度提供参考依据。

1 煤粉含量监测原理

Monitoring principle of slack coal concentration

1.1 监测原理

Monitoring principle

煤层气井产出煤粉密度和水密度的浓度加权平均为产出液煤粉含量值为

由式（1）推导出密度与煤粉含量关系式为

式中，c为产出液煤粉含量，小数；ρw为地层水的密度，g/cm3；ρc为煤粉密度，g/cm3；ρm为产出液密度，g/cm3。

产出液密度是在生产流动状态下测得，而产出液煤粉含量为静止状态下浓度值，所以需将流动状态下测得的产出液密度校正到静止状态下以确保准确性。产出水的密度在不同流量和温度下存在一定差异，需进行产出水的温度和流量补偿分析，为式（3）、（4）所示

式中，c（S）为静止条件下的煤粉含量，小数；ρm（S）为静止条件下产出液密度，g/cm3；ρm（M）为流动条件下产出液密度，g/cm3；ρw（T）静止地层水温度补偿密度，g/cm3；ρw（Q）流动地层水流量补偿密度，g/cm3。

煤层气井地层煤粉密度通过2种方法确定：直接对所述煤层取样，按照体积法求取煤层气井地层煤粉密度；或者由式（1）和式（2）联立可得地层煤粉密度表达式为

在煤层气井井口取产出液浓度相差较大的2个样品，分别计算出两个静止条件下煤粉含量所对应的地层煤粉密度，然后对地层煤粉密度取平均值，为式（6）、（7）、（8）所示

式中，c1（S）为静止条件下煤粉第一浓度值，小数；c2（S）为静止条件下煤粉第二浓度值，小数；ρc1为地层煤粉第一密度值，g/cm3；ρc2为地层煤粉第二密度值，g/cm3。

1.2 误差分析

Error analysis

（1）煤粉含量与密度误差分析。煤粉含量与密度绝对误差关系式为

式中，Δc为煤粉含量绝对误差值，小数；Δρm为煤粉密度绝对误差值，小数。

若煤粉密度ρc=1.5 g/cm3，压差式密度传感器精度Δρm=0.000 5 g/cm3，则Δc=0.001，即精度为0.1%。

（2）煤粉含量与压差误差分析。选取压差式密度传感器入口（A点）及出口（B点）处为基准面建立伯努利方程

式中，hA，hB，h差分别为A点、B点处液柱高度和两点高度差，m；PA，PB，P差分别为A点、B点处压力和两点处压力差，Pa；hf为沿程阻力，m；λ为沿程阻力系数，无量纲；νA，νB分别为A点和B点处流速，m/s。

煤粉密度与压差绝对误差关系式为

式中，ΔP差为压差绝对误差值，小数。

为达到压差式密度传感器测量精度0.000 5g/cm3，则压差测量精度ΔP差需满足0.04%。若测试管段合理设计，因沿程阻力导致浓度误差可以忽略。

2 煤粉含量监测系统设计

Design of slack coal concentration monitoring system

测量系统主要由压差式密度传感器、电磁流量计、温度探头、气液分离罐、阀门、管线、数据采集系统、无线传输模块等组成。煤层气井产出液经进液口到气液分离罐，少量的气体从出气口排出，液体进入U型管，流经密度传感器、温度计和电磁流量计，最终由出液口排至沉淀池，如图1所示。

图1 煤层气井产出液煤粉含量监测装置Fig.1 Monitoring device for slack coal concentration in the fluid produced from the coalbed methane well

3 煤粉含量温度、流量补偿评价实验

Evaluation experiment on slack coal concentration temperature and flow rate compensation

室内评价装置由供液系统、动力系统和煤粉含量监测系统组成，其中供液系统包括煤浆池、搅拌器恒温箱，动力由泥浆泵提供。以40目煤粉粒径配置煤粉含量5%的水煤浆200 L（水为实际煤层气井产出的地层水）置于池中，用泥浆泵做为循环动力装置，如图2所示。

图2 煤粉含量补偿评价实验平台Fig.2 Evaluation experiment platform for slack coal concentration compensation

3.1 煤粉含量的温度补偿评价实验

Evaluation experiment on temperature compensation of slack coal concentration

产出水的密度在不同温度条件下存在一定差异，需开展产出水的温度补偿实验。根据式（2）可知，煤粉含量与煤粉和产出水的密度关系。假定煤粉密度与温度无关，则只需考虑产出水的密度与温度的关系。测试温度范围为0～50 ℃时水的密度，并将测试密度值与4 ℃时水的理论密度值作比，得到不同温度条件下产出水的密度变化百分比（与4 ℃水的理论密度值相比），如图3所示。回归实测产出水不同温度条件下密度关系式为

式中，ρ为实验产出水密度，g/cm3；T为实验温度，℃。

3.2 煤粉含量的流量补偿评价实验

Evaluation experiment on flow rate compensation of slack coal concentration

由上述可知，流经传感器流体密度与两端压差、传感器高度差和沿程阻力有关，而沿程阻力与流经传感器流体速度有关（流速值直观反应为流量值），需开展产出水的流量补偿实验。设定测试温度为10℃、20 ℃、30 ℃、40℃、50 ℃，测试流速为2 m3/d～150 m3/d（1 L/min～104L/min），测得不同温度、不同流量条件下产出水密度值，如图4所示。对测试数据回归分析得到不同流量与密度关系，如式（17）～式（21）所示，可以求解出不同温度、不同流量下产出水密度值，若求解0 ℃～50 ℃范围内的密度值，可通过差值法求取。

图3 不同温度下实测产出水密度与4℃水理论密度回归Fig.3 Produced water density measured at differenttemperatures and regression of theoretical density of water at 4℃

图4 不同温度、不同流量条件下产出水密度实验测试结果Fig.4 Experimental test result of produced water density at different temperatures and different flow rates

10 ℃时不同流量条件下产出水密度关系式为

20 ℃时不同流量条件下产出水密度关系式为

30 ℃时不同流量条件下产出水密度关系式为

40 ℃时不同流量条件下产出水密度关系式为

50 ℃时不同流量条件下产出水密度关系式为

式中，q为实验测试流量，L/min。

4 实例应用

Field application

以中联煤公司柳林区块X1井为例进行现场试验。X1井位于鄂尔多斯盆地东缘斜坡中部，3#+4#煤层平均含气量10.98 m3/t，平均渗透率0.73 mD，平均临界解吸压力1.67 MPa，5#煤层平均含气量9.74 m3/t，平均渗透率0.67 mD，平均临界解吸压力1.87 MPa。该井于2011年4月投产，完钻井深775 m，生产层厚13.2 m，采用螺杆泵排采，产气1.52×104m3/d，产水10.6 m3/d，套压0.31 MPa。该井排采时产出液中伴有大量煤粉产出，历史化验煤粉产出质量分数在0.83%～5.62%，经常造成卡泵、抽油杆断脱、砂埋等故障。

于2016年1月在山西柳林县X1井场现场安装试验，通过煤粉含量在线实时监测装置测试产出液产出温度、产出液流量和产出液密度，通过远程传输至数据终端，数据终端经过对温度、流量补偿修订产出液密度值，计算得到静止状态下产出液煤粉含量值，测试结果如图5所示。

图5 柳林区块X1井在线实时监测产出液煤粉含量与实际测量值对比曲线Fig.5 Correlation curve of on-line real-time monitored slack coal concentration of produced fluid and actually measured value of Well X1 in the Liulin block

为验证监测装置测试结果准确性，在X1井口取产出液样品8份，通过蒸馏沉淀测定煤粉含量，井口产出液质量分数值在2.1%～3.2%之间波动，平均值2.64%，见表1。由图5所示，产出液实测煤粉含量与在线实时监测煤粉含量值平均误差1.5%，监测煤粉含量技术指标可满足现场需求。

表1 柳林区块X1井实测产出液煤粉含量实际测量值Table 1 Measured slack coal concentration of fluid produced from Well X1 in the Liulin block

5 结论

Conclusions

（1）推导出适用于现场煤粉含量监测理论方程，并导出误差修正关系式，为在线实时监测产出液煤粉含量系统的设计提供理论支持。

（2）开发一套监测产出液煤粉含量监测装置，该装置可实现产出液煤粉含量在线实时监测。

（3）在线实时产出液煤粉含量监测，可有效指导现场煤粉防控方法优选和合理排采工作制度，实现煤层气井的长效连续排采目的。

References:

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（修改稿收到日期 2016-09-08）

〔编辑 李春燕〕

Monitoring of produced fluid of coal content in coalbed methane wells

YANG Wanyou,ZHENG Chunfeng
CNOOC EnerTech-Drilling &Production Co.,CNOOC Energy Technology &Serνices Limited,Tianjin 300452,China

Lots of slack coals are produced in the production of coalbed methane,and the slack coal concentration cannot be continuously metered.A laboratory test was conducted to assess the compensation of flow temperature/flow rate to slack coal concentration,and a method for computing the slack coal concentration in the fluid produced from the coalbed methane well was established according to the principle of mass conservation.Furthermore,a real-time monitoring device suitable for slack coal concentration in the fluid produced from the coalbed methane well was developed.This device can monitor the produced fluid density value through a differential pressure type density sensor,and transmit the value to data terminal in real time,so that the real-time slack coal concentration of produced fluid can be obtained through data conversion.Field application shows that the slack coal concentration monitoring device can realize real-time remote data monitoring,with the accuracy subject to the field requirement,which provide bases for the field control of slack coals and the arrangement of production system.

coalbed methane well;produced fluid;slack coal concentration;monitoring;computation method

杨万有，郑春峰.煤层气井产出液煤粉含量监测［J］.石油钻采工艺，2016，38（6）：882-886.

TE37

A

1000-7393（ 2016 ） 06-0882-05

10.13639/j.odpt.2016.06.032

:YANG Wanyou,ZHENG Chunfeng.Monitoring of produced fluid of coal content in coalbed methane wells［J］.Oil Drilling &Production Technology,2016,38(6):882-886.

中海油能源发展非常规科技重大专项“煤层气排采配套工艺技术研究”（编号：HFKJ-CJFZ-1310）。

杨万有（1967-），1989年毕业于东北石油大学（原大庆石油学院）油气田开发工程专业，现从事海上采油工艺研究及管理工作，高级工程师。通讯地址：（300452）天津市塘沽区渤海石油路688号增5号B座715室。电话：022-66907304。E-mail:yangwy3@cnooc.com.cn