程 浩 白建梅 湯繼丹

(中國石油華北油田采油工藝研究院, 河北 062552)

煤層氣井的開采主要通過排水降壓使吸附在煤中的甲烷氣體解吸來實(shí)現(xiàn)的, 煤巖應(yīng)力敏感較為明顯, 排水降壓要求液面長期、連續(xù)、穩(wěn)定下降, 特別是在煤層氣井排采中后期, 必須控制好排水采氣的速度, 保持井底流動壓力和煤層的壓力相對穩(wěn)定, 防止氣、水混合流體在煤層中流速過快, 引發(fā)煤層內(nèi)固相顆粒的運(yùn)移, 避免煤層受到不必要的傷害。

沁水盆地煤層氣井排采中后期日產(chǎn)水量通常在1m3以下, 日產(chǎn)氣量通常大于1000m3/d, 目前使用的排水工藝主要有整筒泵排水工藝、電潛離心泵排水工藝、螺桿泵排水工藝, 上述工藝對產(chǎn)水量較小的情況均有局限性, 不能很好滿足排采的需求, 在天然氣開采中有利用超聲霧化排液工藝的研究, 適用于產(chǎn)液量較小 (包括凝析液和自由液體) 、產(chǎn)氣量較大的天然氣井, 煤層氣井與天然氣井不同。投產(chǎn)后需要先進(jìn)行排水降壓, 相對天然氣井產(chǎn)氣量小, 井底流壓低, 利用超聲霧化排水必須設(shè)計(jì)適用于煤層氣井的工藝流程和管柱結(jié)構(gòu)。

1 超聲霧化排水原理

1．1 氣井連續(xù)攜液理論

氣井?dāng)y液的理論認(rèn)為, 在氣井開采過程中, 當(dāng)井底氣體流速達(dá)到氣井?dāng)y液臨界流速時(shí), 井內(nèi)液體會隨氣體一起流出, 一般情況下液體會以液滴或霧狀形式隨氣體流到地面。其中主要的理論是Turner、李閩等人提出的液滴模型理論和楊川東等人提出的優(yōu)選管柱理論。

Turner 等人提出了確定氣井?dāng)y液的兩種模型,即液膜模型和液滴模型, 用礦場資料對兩個(gè)模型進(jìn)行了檢驗(yàn)后認(rèn)為液滴模型更實(shí)用, 適用于氣液比大于1367 的工況。李閩等人的液滴理論是在Turner等人的液滴理論基礎(chǔ)上提出的, 考慮了被高速氣流攜帶的液滴變形的情況, 選取了不同的曳力系數(shù),導(dǎo)出了新的臨界流速公式：

式中 v——?dú)怏w攜液臨界流速, m/s;

ρv——水的密度, kg/m3;

ρg——煤層氣的密度, kg/m3;

σ——?dú)馑砻鎻埩? N/m;

q——?dú)怏w攜液的臨界流量, 104m3/d;

A ——油管內(nèi)截面積, m2;

p——壓力, MPa;

z——?dú)怏w偏差系數(shù);

T——溫度, K;

曳力系數(shù)取1．0。

由液滴模型理論可知：

(1) 臨界流速與液滴直徑有關(guān), 液滴直徑越大, 對應(yīng)的臨界流速越大;

(2) 管柱內(nèi)徑對臨界流量有明顯的影響;

(3) 臨界流量與壓力、溫度有關(guān), 與氣液比無關(guān), 應(yīng)把井筒中臨界流速和臨界流量最小的位置點(diǎn)作為計(jì)算條件, 對于僅產(chǎn)生少量液體的氣井, 可以根據(jù)井口條件來預(yù)測臨界流速和臨界流量, 對于產(chǎn)出大量液體的氣井, 可根據(jù)井底條件來預(yù)測臨界流速和臨界流量。

分析山西沁水煤層氣井的實(shí)際生產(chǎn)情況, 在排采的后期, 產(chǎn)氣量與產(chǎn)液量比大于1367, 因此,本文在設(shè)計(jì)以氣井?dāng)y液理論為基礎(chǔ)的煤層氣井排采工藝時(shí)選用李閩等人的液滴理論。

1．2 超聲霧化原理

超聲霧化是在超聲作用下, 液體在氣相中分散而形成微細(xì)霧滴的過程。超聲霧化的原理是： 當(dāng)超聲作用于液體時(shí), 處于振動表面的薄液層激起毛細(xì)重力波。當(dāng)振動面的振動幅度達(dá)到一定值時(shí), 液滴從駐波波峰上飛出而成霧。

2 超聲霧化排水工藝流程

圖1 超聲霧化排水工藝流程圖

根據(jù)上述煤層氣井開發(fā)情況和超聲霧化原理以及石油天然氣行業(yè)排水采氣工藝技術(shù)的研究, 提出煤層氣井利用超聲霧化排水的工藝技術(shù)。先利用超聲方法將井底水進(jìn)行霧化, 再利用注入氣或煤層氣井生產(chǎn)氣流排至地面, 主要包括地面和井下兩部分, 地面主要由控制系統(tǒng)、氣體壓縮系統(tǒng)和氣液分離系統(tǒng)組成, 井下由井下注氣、排水管柱和超聲波霧化器及井下傳感器等組成。井下超聲波霧化器包括若干個(gè)超聲波換能器, 數(shù)量根據(jù)煤層氣井產(chǎn)液的具體情況設(shè)計(jì)。

工藝流程如圖1 所示, 超聲波霧化器接在井下注氣管柱下端, 隨管柱送到井底液體中, 地面控制系統(tǒng)中的超聲波霧化器專用電源通過井下電纜給井下的超聲波霧化器提供電能, 霧化器的底部安裝有可控制進(jìn)液開關(guān), 系統(tǒng)啟動時(shí), 先運(yùn)行霧化器, 再打開進(jìn)液開關(guān), 保證合適的進(jìn)液量。超聲波霧化器工作時(shí)將水霧化成微米級的小水珠, 當(dāng)煤層氣井在排水階段未產(chǎn)氣時(shí), 霧化后的小水珠隨注入井下的氣體通過排水管柱排至地面; 當(dāng)煤層氣井產(chǎn)氣時(shí),霧化后的小水珠隨生產(chǎn)氣流通過排水管柱排至地面, 產(chǎn)出液在地面進(jìn)行分離后進(jìn)入氣、水管線, 地面控制系統(tǒng)通過井下傳感器采集井下液面、壓力、溫度等井下參數(shù), 經(jīng)過控制系統(tǒng)判斷后通過控制井下超聲波霧化器的霧化量來控制產(chǎn)水量。

3 設(shè)備選擇

3．1 超聲波換能器選型

在實(shí)際生產(chǎn)中, 氣流中夾帶的液滴和管壁上的液膜之間不斷交換, 液膜下降最終又破碎成液滴,因此為了最大限度的降低臨界流速, 可以利用霧化器在井底將液體霧化, 霧滴直徑小于或等于管柱中能形成的最大液滴直徑即可。

氣體攜液時(shí)液滴直徑由氣體的慣性力和液體表面張力控制, 氣流的慣性力試圖使液滴破碎, 而表面張力試圖使液滴聚集, 韋伯?dāng)?shù)綜合考慮了這些力的影響, 當(dāng)韋伯?dāng)?shù)超過20～30 的臨界值時(shí), 液滴將會破碎, 不存在穩(wěn)定液滴。最大直徑由以下公式確定：

式中 Nwe——韋伯?dāng)?shù);

v——?dú)怏w攜液臨界流速, m/s;

ρg——煤層氣的密度, kg/m3;

d——最大液滴直徑, m;

σ——?dú)馑砻鎻埩? N/m。

對于沁水煤層氣井, 井底溫度298K, 產(chǎn)氣時(shí)井底流壓0．1～0．5MPa 之間, 氣體中甲烷含量達(dá)到98%以上, 液體主要為水, 臨界流速的計(jì)算可取以下值： 水的密度1074kg/m3, 氣體密度取甲烷密度0．7kg/m3, 氣水表面張力0．06N/m。計(jì)算可得臨界流速為8．5m/s; 最大液滴直徑為36mm。

霧滴直徑大小與振動頻率及液體的物理參數(shù)有關(guān), 改變超聲頻率可方便地控制霧滴直徑的大小,而且霧滴直徑大小分布比較均勻。對于水, 當(dāng)超聲頻率為10～100kHz 時(shí), 其霧粒直徑為120～30μm,換能器振動頻率選擇10～100kHz, 霧化的液滴直徑即能滿足煤層氣井氣體攜液的要求。

超聲霧化的速度與聲強(qiáng)大小密切相關(guān), 聲強(qiáng)大, 則霧化量大, 考慮煤層氣產(chǎn)液的實(shí)際情況, 選擇換能器最大外徑不超過100mm, 多個(gè)換能器總霧化量達(dá)到1～5m3/d。

3．2 排水管柱選型

得到臨界流速后, 通過公式 (2) 可以得到臨界流量與對應(yīng)的管柱內(nèi)徑的關(guān)系：

式中 D——管柱內(nèi)徑, m;

q——?dú)怏w攜液的臨界流量, 104m3/d。

由上式看出, 臨界流量越小則對應(yīng)的管柱內(nèi)徑越小, 為了在煤層氣井產(chǎn)氣時(shí)利用生產(chǎn)氣流進(jìn)行排液, 根據(jù)煤層氣井的實(shí)際情況, 選取溫度298K,壓力為0．5MPa, 氣體偏差系數(shù)0．93, 臨界流速8．5m/s, 則可以得到不同日產(chǎn)氣量做為臨界流量時(shí)利用生產(chǎn)氣流排液對應(yīng)的管柱內(nèi)徑, 如表1。

表1 不同日產(chǎn)氣量對應(yīng)的管柱內(nèi)徑

考慮沁水煤層氣井實(shí)際情況, 參考煤層氣井經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量, 選擇臨界流量為1000m3/d, 則管柱內(nèi)徑選擇18mm。

排水管柱下面不懸掛工具, 材質(zhì)及壁厚只考慮自身重力及腐蝕等原因, 而沁水煤層氣井深一般在1000m 以內(nèi), 經(jīng)過優(yōu)選, 壁厚1mm 內(nèi)徑18mm 的不銹鋼管即能滿足要求。

3．3 空氣壓縮機(jī)選型

空氣壓縮機(jī)是地面空氣壓縮系統(tǒng)的主要設(shè)備,在煤層氣井未產(chǎn)氣時(shí), 排液的氣體由空氣壓縮機(jī)提供, 這里主要考慮空氣壓縮機(jī)的出口壓力和排量。

臨界流速計(jì)算時(shí)考慮到利用煤層氣生產(chǎn)氣流攜液, 選擇壓力為0．5MPa, 因此空氣壓縮機(jī)出口壓力也選擇0．5MPa?？諝鈮嚎s機(jī)排量要達(dá)到相應(yīng)管柱內(nèi)徑時(shí)的臨界流量即可。綜合考慮, 地面空氣壓縮機(jī)選擇日排量1000m3, 排氣壓力0．5MPa 即可。

4 技術(shù)適應(yīng)性分析

4．1 技術(shù)適應(yīng)性

以李閩等人的液滴模型理論和超聲霧化理論為基礎(chǔ), 根據(jù)山西沁水煤層氣開發(fā)實(shí)踐設(shè)計(jì)的煤層氣井超聲霧化排采工藝技術(shù)能夠適用于日產(chǎn)水量小于5m3、氣液比大于1367、舉升高度小于1000m、出砂出煤粉不嚴(yán)重的煤層氣井; 同時(shí)該排采工藝技術(shù)也適用于其他工況的煤層氣井, 但需要根據(jù)具體工況選擇關(guān)鍵設(shè)備。

由于排液量較其他排采設(shè)備可更精確的控制,因此能更好的滿足煤層氣井井底壓力嚴(yán)格控制的需求, 同時(shí)超聲波換能器在井下煤層位置工作, 能夠有效防止和治理煤粉及其他固體顆粒堵塞煤層孔隙系統(tǒng), 對近井地帶煤層具有一定的解堵和清洗作用。另外, 超聲波換能器相比其他排采設(shè)備功耗很小, 生產(chǎn)管理簡單, 能夠有效節(jié)約能源, 降低生產(chǎn)損耗, 降低運(yùn)行成本。

4．2 需要進(jìn)一步研究的問題

(1) 井下超聲波霧化器需要通過井下動力電纜供電, 另外, 地面注氣排水時(shí)注入的是空氣, 若與煤層氣井產(chǎn)出的甲烷氣體混合具有危險(xiǎn)性, 因此從安全角度考慮需要對排水采氣管柱進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(2) 氣體攜帶霧化后的液體在排水管柱運(yùn)移時(shí), 小水珠在排水管柱中以及節(jié)箍、閥門等處容易凝結(jié)成大的液滴, 影響系統(tǒng)的效率, 因此需要進(jìn)一步對擬采用的管柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行水動力學(xué)計(jì)算, 設(shè)計(jì)效率最佳的排水管柱。

5 結(jié)論

(1) 煤層氣井超聲霧化排采工藝能夠適用于日產(chǎn)水量小于5m3、氣液比大于1367、舉升高度小于1000m、出砂出煤粉不嚴(yán)重的煤層氣井, 且能夠節(jié)能降耗、降低成本; 該排采工藝技術(shù)也適用于其他工況的煤層氣井, 但需要根據(jù)具體工況選擇關(guān)鍵設(shè)備。

(2) 井下超聲波霧化器工作時(shí), 對近井地帶煤層具有解堵和清洗作用, 有利于煤層氣的開采。

(3) 煤層氣井超聲霧化排水工藝還處在試驗(yàn)階段, 排水采氣管柱的優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高井下超聲波霧化器的效率等還需要進(jìn)一步的改進(jìn)與完善。

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