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煤层气井排水采气技术调研报告北京雅丹石油技术开发有限公司报告人：岳晶晶目 录第一章 煤层气井生产特征第二章 国内外煤层气井排采设备研究第三章 煤层气井排采设备分析第四章 煤层气井排水采气方式优化设计1.1 煤层气的概念煤层气又称煤层甲烷气，煤炭工业称之为煤层瓦斯，是在成煤过程中形成并赋存于煤层中的一种非常规的天然气这种天然气大部分（70%-90%）以吸附状态赋存在煤岩基质中，少量成游离状态存在于煤的割理和其它孔隙、裂隙中，还有少许溶解在煤层水中煤的吸附性导致煤层气成藏机制和开发技术与常规天然气截然不同第一章：煤层气井生产特征1.2 煤层气井的采气机理煤层气井的生产是通过抽排煤储层中的承压水，使得煤层压力降至煤的解吸压力以下，吸附态的甲烷解吸为大量游离态甲烷，并通过扩散和流动两种不同的机制运移到井筒第一章：煤层气井生产特征从煤表面解吸通过煤基质和微孔隙扩散通过割理系统的达西流动1.2 煤层气井的采气机理n煤层气井采气前,井中液面高度为地下水头高度,此时井筒与储层之间不存在压力差,地下水系统基本平衡,属于稳定流态；n当煤层气井开始排采后,井筒中液面下降,井筒与煤储层之间形成压力差,地下水从压力高的地方流向压力低的地方,地下水就源源不断地流向井筒中,使得煤储层中的压力不断下降,并逐渐向远方扩展,最终在以井筒为中心的煤储层段形成一个地下水头压降漏斗,随着抽水的延续该压降漏斗不断扩大和加深；n当煤储层的出水量和煤层气井井口产水量相平衡时,形成稳定的压力降落漏斗,降落漏斗不再继续延伸和扩大,煤储层各点压力也就不能进一步降低，解吸停止,煤层气井采气也就终止。

第一章：煤层气井生产特征1.3 煤层气井的生产过程n1.3.1 煤层气的产出过程根据煤层气储层流体的地下流动，可将煤层气的产出过程分为三个阶段：第一阶段：单相流阶段随着井筒附近地层压力降低，首先只有水产出，因为压力降低较小，煤层气尚未开始解吸，井筒附近只有单相流动 第一章：煤层气井生产特征1.3 煤层气井的生产过程n1.3.1 煤层气的产出过程第二阶段：非饱和的单相流阶段当煤储层压力进一步下降，有一定数量的煤层气从煤基质块微孔隙表面解吸，开始形成气泡，阻碍水的流动，水的相对渗透率下降，但气体不能流动 第一章：煤层气井生产特征1.3 煤层气井的生产过程n1.3.1 煤层气的产出过程第三阶段：气、水两相流阶段随着煤储层压力进一步降低，有更多的煤层气解吸出来，并扩散到煤中裂隙系统中此时，水中含气已经达到饱和，气泡互相连接，形成连续流动，气的相对渗透率大于零随着储层压力下降和水饱和度降低，水的相对渗透率不断减小，气的相对渗透率逐渐增大，气产量也随之增加在这一阶段，在煤中裂隙系统中形成气、水两相达西流动第一章：煤层气井生产特征1.3 煤层气井的生产过程n1.3.2 煤层气井生产阶段煤层气井的生产排采是一个长时间排水降压采气过程，煤层气单井生产年限一般为15~20年。

从煤层气井生产过程中气、水产量的变化特征可把生产分为三个阶段：第一章：煤层气井生产特征早期排水降压阶段：主要产水，随着压力降到临界解吸压力以下，气体开始解吸，并从井口产出这一阶段所需的时间取决于井点所处的构造位置、储层特征、地层含水性、排水速度等因素，持续时间可能是几天或数月1.3 煤层气井的生产过程n1.3.2 煤层气井生产阶段中期稳定生产阶段：随着排水的继续，产气量逐渐上升并趋于稳定，出现高峰产气，产水量则逐渐下降该阶段持续时间的长短取决于煤层气资源丰度（主要由煤层厚度和含气量控制），以及储层的渗透性第一章：煤层气井生产特征1.3 煤层气井的生产过程n1.3.2 煤层气井生产阶段后期气产量下降阶段：当大量气体已经采出，煤基质中解吸的气体开始逐渐减少，尽管排水作业仍在继续，产气量下降，产出少量或微量水该阶段延长的时间较长，可以在10年以上第一章：煤层气井生产特征1.4 煤层气井产量的影响因素与煤层气开采有关的因素很多,主要有：Ø地质因素：煤层厚度、含气量、煤的种类、煤的沉积方式和分布方式、煤层压力和解吸压力等；Ø完井方式：不同地质条件下的煤层气井完井方式不同；Ø渗透性能：渗透率是决定煤层气单井产量的关键因素之一；Ø开采方式：主要是排采设备的选择。

第一章：煤层气井生产特征1.5 影响煤层气井排采效果的主要因素n非连续性排采的影响:煤层气井的排采生产应连续进行, 使液面与地层压力持续平稳的下降如果因关井、卡泵、修井等造成排采终止, 给排采效果带来的影响表现在:(1) 地层压力回升, 使甲烷在煤层中被重新吸附；(2) 裂隙容易被水再次充填，阻碍气流；(3) 回压造成压力波及的距离受限,降压漏斗难以有效扩展，恢复排采后需要很长时间排水, 气产量才能上升到停排前的状态n井底流压的影响：井底流压是反映产气量渗流压力特征的参数,制定合理的排采制度和进行精细的排采控制应该以井底流压为依据较低的井底流压, 有利于增加气的解吸速度和解吸气体量第一章：煤层气井生产特征1.5 影响煤层气井排采效果的主要因素n排采强度的影响：煤层气排采需要平稳逐级降压, 抽排强度过大带来的影响有:(1) 易引起煤层激动，使裂隙产生堵塞效应,降低渗透率；(2) 降压漏斗得不到充分的扩展, 只有井筒附近很小范围内的煤层得到了有效降压和少部分煤层气解吸出来，气井的供气源将受到了严重的限制3) 对于常规压裂的直井在排采初期 如果在裂缝尚未完全闭合时, 排采强度过大, 导致井底压差过大引起支撑砂子的流动, 使压裂砂返吐, 影响压裂效果；(4) 煤粉等颗粒的产出也可能堵塞孔眼, 同时出砂、煤屑及其它磨蚀性颗粒也会影响泵效, 并对泵造成频繁的故障, 使作业次数和费用增加。

我国大多数煤层属于低含水煤层, 因此抽排速度一定要按照煤层的产水潜能, 进行合理排水第一章：煤层气井生产特征1.6 我国煤层气资源的主要特点煤层气是常规天然气的接替能源之一，开发和利用我国丰富的煤层气资源将对我国的能源储备起到至关重要的作用 ①资源量丰富，但在分布上既分散又集中；中国陆上埋深2000m以浅的煤层气资源量广泛分布在不同的含煤盆地中，其中具有优势开发潜力的资源又相对集中在华北地区的中东部(62%)，该区既是常规气的发育盲区，又是洁净能源的消费旺区②储层不均一性强烈，华北地区相对优越；第一章：煤层气井生产特征1.6 我国煤层气资源的主要特点③高阶煤和低阶煤占主导，高阶煤可产气；中国勘探实践表明，为美国理论所否定的高阶煤区恰恰是目前最活跃的勘探区，并取得了产气突破低阶煤煤层气资源在中国占的比例最大，但按现有的理论和技术，其开发难度也大④煤体结构破坏严重，低渗、低压、低饱和现象突出；低渗、低压、低饱和是中国煤层气藏的又一个较为显著的特征，为煤层气资源的开发带来了很大的难度第一章：煤层气井生产特征目 录第一章 煤层气井生产特征第二章 国内外煤层气井排采设备研究第三章 煤层气井排采技术分析第四章 煤层气井排水采气方式优化设计2.1 国外研究现状当今世界各国在煤层气开发领域，无论是从开发规模，还是从技术水平等方面来看，美国一直处于领先地位。

n目前为止，美国已经形成部分煤层气专用开采设备及工艺技术如：美国常用的煤层气排采设备虽然仍以有杆设备为主，有杆泵适应性强，操作简单，性能可靠，几乎不需保养，经改造和研制后，其工作深度和排量能较好的适应煤层气井的要求，但对整机设计和选型上，提出了新的方法，在以圣胡安和黑勇士盆地为主的各煤田取得了良好的经济效益第二章：国内外煤层气井排采设备研究2.1 国外研究现状n1986年，美国又开始使用螺杆泵排水采气实验，不断地改进螺杆泵系统，使其发展到适合煤层气井排水所需的排量和扬程，同时可以很好地适应井液中细煤粉及气液混合体，加上投资成本和运行成本低等特点，使该设备在特殊开采要求的煤层气井中得到推广n从80年代后期，美国根据一些煤层气井的排水量大、排量变化范围较大的特点和有杆排采设备在斜井、水平井方面应用受限的现状，开始广泛使用潜油电泵，随后依据煤层气排采用的潜油电泵一般都是小排量离心泵，要求对游离气的适应性高的特点并不断地改进潜油电泵系统，提高潜油电泵应用的可靠性、适应性和经济性第二章：国内外煤层气井排采设备研究2.1 国外研究现状目前，国内外煤层气排水开采的方法主要有有杆泵法、电潜泵法、螺杆泵法、气举法、水力喷射泵法、泡沫法、优选管柱法等。

关于排采设备选型方面的问题，目前国外普遍采用的方法是在生产工作制度中，选择多种排采方式例如：低产水量或后期产水较少的煤层气井选用工作制度便于调整、液面比较好控制的变速调控抽油机、数控抽油机等产水量大供液能力强的井，前期考虑以排水为主，选择大泵来加强排水降压，通常采用螺杆泵、大直径管式泵第二章：国内外煤层气井排采设备研究2.2 国内研究现状n我国煤层气的地面开发始于20世纪80年代末，经过近二十年的发展，在煤层气基础理论研究、煤层气勘探开发技术等方面取得了突破性进展n但是目前对适合我国煤层地质条件的排采生产理论和排采技术设备的研究开展较少，尚没有形成可用的成果，不能满足煤层气开采实际的需要；同时，盲目采用国外传统的煤层气开发技术，应用效果不够理想第二章：国内外煤层气井排采设备研究2.2 国内研究现状n目前我国钻煤层气井2600多口，投入排采1000多口，以中石油、中联煤和地方矿业公司为主，大多使用的是开采常规油气时常用的抽油机、管、杆和泵设备n据统计目前各煤层气井所选用的有杆排采设备，其型号都普遍大于实际所需要的型号，存在严重的投资大、设备不配套、抽空、检泵周期短等诸多问题，严重影响了煤层气井的正常排采，直接降低了煤层气的投资效益，成为了煤层气商业化、规模开发的瓶颈。

n螺杆泵正在推广使用中；电潜泵还处于探索阶段，气举法还未得到应用第二章：国内外煤层气井排采设备研究2.2 国内研究现状综上所述，我国各煤田排采设备的选型不能按照煤层气开采的实际需要，选择合适类型和具体型号的排采设备，使得开采效益和设备的适应性、可靠性下降可见，开展煤层气排采设备选型的基础研究，研究适合我国煤层气自身开采实际的排采设备选型方法，指导排采设备进行系统而科学地选型，对提升煤层气的开采效益，解决煤层气开采中的关键技术问题，实现我国煤层气的商业化开采十分必要第二章：国内外煤层气井排采设备研究目 录第一章 煤层气井生产特征第二章 国内外煤层气井排采设备研究第三章 煤层气井排采设备分析第四章 煤层气井排水采气方式优化设计3.1 煤层气排采设备的选择煤层气排采设备及其合理选型是保障煤层气井连续稳定排采的重要因素因此所用的排采设备必须成熟可靠、持久耐用、节能低耗、易于维修，还要有较大范围的排液能力和控制排液、系统压力的能力以及有可靠的防煤屑、煤粉危害的措施对于给定的一口煤层气井，究竟选择何种排水采气工艺应在对气井压力、产量及产水情况进行分析的基础上，地面环境、井下状况、开采条件、维修管理等也是考虑的重要因素。

此外，选择排采设备时，还需要考虑可靠性、设计难易、维护简便性等而最终考虑因素是经济投入第三章：煤层气井排采设备分析3.2 主要排采设备的工作原理和技术特点第三章：煤层气井排采设备分析排采设备设备工作原理技术术特点三 抽 有 杆 泵泵将抽油泵下入到井筒液面以 下的适当深度，泵柱塞在抽 水机的带动下，在泵筒内作 上下往复抽吸运动，从而达 到从油管内抽吸排水、降低 液柱对井底的回压，从油套 环形空间采出煤层气的目的 排采运作过程： ①电动机通过三角带传动，带动减速器 ②减速后由曲柄、连杆、横梁和游梁等四连杆 机构把旋转运动变为驴头往复运动 ③驴头带动光杆和杆柱作上下往复动 ④抽油杆将往复运动传给井下泵柱塞 ⑤抽油泵筒的下部装有固定阀，柱塞上装有游 动阀，在抽油杆往复运动时，完成抽油泵的排 出和吸入过程电电 潜 泵泵潜油电泵的泵体及其辅助部 分安装在油管的最下端，下 至井内被抽吸液体中的预定 位置，将井筒内的液体（水 ）从油管中迅速排出，降低 井筒内的液面。