崔金榜 段寶玉 白建梅 郝 麗 王麗娜

(中國(guó)石油華北油田采油工藝研究院, 河北 062552)

1 煤層氣開(kāi)采技術(shù)現(xiàn)狀

煤層氣是在煤層條件下吸附在煤基質(zhì)孔隙內(nèi)表面的以甲烷為主的氣體資源, 在開(kāi)采過(guò)程中, 首先要進(jìn)行排水降壓, 當(dāng)煤層內(nèi)的壓力達(dá)到煤層氣的臨界解吸壓力之下, 甲烷分子才能從煤基質(zhì)孔隙內(nèi)表面由吸附狀態(tài)變成游離狀態(tài)被開(kāi)采出來(lái)。

國(guó)外在煤層氣開(kāi)采方面主要采用有桿泵、螺桿泵、電潛泵等排水采氣技術(shù), 國(guó)內(nèi)在煤層氣開(kāi)采方面目前大量采用的是有桿泵排水采氣工藝技術(shù), 螺桿泵、電潛泵僅是小范圍的試驗(yàn)性應(yīng)用, 尚沒(méi)有形成規(guī)模。在排采實(shí)踐中, 上述工藝都不同程度的存在著一些缺陷： 有桿泵舉升存在桿管柱偏磨現(xiàn)象;由于后期排水量比較小, 導(dǎo)致與水同時(shí)進(jìn)入柱塞泵內(nèi)的粉煤灰沉積在泵筒內(nèi)而卡泵; 小的水量會(huì)導(dǎo)致電潛泵由于不能有效地散熱而使電機(jī)燒毀, 螺桿泵也存在定子干磨而燒壞的現(xiàn)象。

因此, 研究一種既不受煤層產(chǎn)水量限制, 又能夠滿足排水采氣工藝要求的技術(shù), 是有效開(kāi)采煤層氣的基礎(chǔ)。

2 同心管氣舉排水工藝技術(shù)原理

煤層氣同心管氣舉排水工藝技術(shù), 就是將注氣通道、排水通道和采氣通道有效的分離開(kāi)來(lái), 利用井下壓力計(jì)作為控制源, 以壓縮的空氣 (或煤層氣) 作為舉升煤層產(chǎn)出水的動(dòng)力氣, 以氣攜水從而達(dá)到排出煤層產(chǎn)出水、采出煤層氣的目的。

(1) 工作原理

動(dòng)力氣從油管和空心抽油桿環(huán)空注入, 通過(guò)空心抽油桿上的氣舉閥進(jìn)入空心抽油桿內(nèi), 將空心抽油桿內(nèi)的液體舉升到地面, 煤層氣從油套環(huán)空排出(見(jiàn)圖1) 。

圖1 煤層氣同心管氣舉排水工藝管柱

(2) 管柱組成

在煤層氣井中下入油管, 在油管內(nèi)下入安裝有氣舉閥的同心氣舉短接的空心抽油桿; 管柱底部有將空心抽油桿和油管的環(huán)形空間密閉的密封裝置;在井口有油管與空心抽油桿的密封裝置。

(3) 同心氣舉短接

為滿足工藝要求, 設(shè)計(jì)同心氣舉短接 (見(jiàn)圖2) , 與空心抽油桿連接, 從油管和空心抽油桿環(huán)空注入的高壓氣體通過(guò)同心氣舉短接兩側(cè)的進(jìn)氣孔進(jìn)入氣舉閥, 氣液混合物通過(guò)短接內(nèi)部側(cè)通道進(jìn)入上部空心抽油桿內(nèi)部, 流到地面。

圖2 同心氣舉短接結(jié)構(gòu)圖

(4) 井口及井下密封短接設(shè)計(jì)

根據(jù)同心管氣舉系統(tǒng)的工作原理, 進(jìn)行井口密封和井下密封設(shè)計(jì), 解決動(dòng)力氣對(duì)煤層的影響問(wèn)題, 同時(shí)保證產(chǎn)出氣、產(chǎn)出水道、注入氣互不干擾。圖3 為井口及井下密封短節(jié)結(jié)構(gòu)圖。

圖3 井口密封短接結(jié)構(gòu)與實(shí)物圖

(5) 排液管管徑選擇

管徑主要取決于流量和流速, 而不同性質(zhì)和操作工況的介質(zhì)應(yīng)選用不同流速, 一般液體介質(zhì)流速不應(yīng)超過(guò)3m/s, 氣體介質(zhì)流速不應(yīng)超過(guò)100m/s。

但液體在管道中流動(dòng)的時(shí)候, 會(huì)受到摩阻損失

ρ——流體密度, kg/m3;

μ——流體動(dòng)力粘度, Pa．s;

ν——流體運(yùn)動(dòng)粘度, m3/s;

υ——平均流速, m/s;

d——管子內(nèi)徑, mm;

圖4 井下密封短接結(jié)構(gòu)與實(shí)物圖

當(dāng)Re＜2000 時(shí),

當(dāng)Re≥2000 時(shí),

L ——管道長(zhǎng)度, m;

ΔP——壓降大小, Pa。

以日產(chǎn)水40m3/d 計(jì)算, 每秒產(chǎn)水4．6 ×10-4m3/s, 產(chǎn)出水的最大流速以3m/s 計(jì)算, 那么管徑直徑為14．02mm。選用的空心桿外徑36mm (壁厚5．5mm) , 能滿足使用要求。

同時(shí)利用常用管徑計(jì)算流速公式計(jì)算其管徑：

式中 d——管徑, m;

w——體積流量, m3/s;

v——常用流速, m/s;

查找介質(zhì)常用流速表可以看出, 當(dāng)壓力＜8MPa 時(shí), 常用流速2～3m/s, 由此推算管徑17．12～14．04mm, 由此也說(shuō)明選用外徑36mm 的空心桿能滿足使用要求。

3 室內(nèi)試驗(yàn)條件

(1) 試驗(yàn)場(chǎng)所： 采油工藝研究院500m 實(shí)驗(yàn)井。

(2) 管柱結(jié)構(gòu)： “27/8”TBG油管： 391．08m;KJ G36 空心抽油桿： 391．05m。

(3) 同心氣舉閥參數(shù)：

一期試驗(yàn)： 閥嘴直徑： 4．0mm; 打開(kāi)壓力：2．0MPa;

二期試驗(yàn)： 閥嘴直徑： 2．0mm; 打開(kāi)壓力：1．0MPa。

(4) 下入位置： 341m。

(5) 高壓氣源： 15MPa 壓風(fēng)車, 排量10m3/min。

(6) 流量計(jì)量： 水量： 旋翼式水表; 氣量： 流量計(jì)。

(7) 氣液分離器。

4 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中, 根據(jù)排出水情況, 控制高壓氣體流量。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1 及圖5．

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖5 同心管氣舉排水系統(tǒng)室內(nèi)試驗(yàn)效果

5 試驗(yàn)效果分析

(1) 工藝簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)

該工藝采用同心管結(jié)構(gòu), 形成三個(gè)通道互不干涉, 并且井下沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件, 從而避免了其它工藝技術(shù)存在的煤粉卡泵、偏磨、燒泵等問(wèn)題, 可以有效防止固體顆粒及粉煤灰對(duì)排采設(shè)備的影響。

(2) 排量調(diào)節(jié)范圍大

通過(guò)控制注氣量可以調(diào)節(jié)排水量, 實(shí)現(xiàn)1～60m3/d 的排量控制, 能夠充分滿足排水量不確定的煤層氣井的排水需要, 解決排采設(shè)備選型與排采水量不相適應(yīng)的矛盾。

(3) 滿足煤層氣井液面降低需求

通過(guò)實(shí)驗(yàn), 液面可以降到氣舉閥以上10m 以內(nèi)。

(4) 注氣量小、注氣壓力低

注氣量不高于1000m3/d, 在低液面時(shí)需要的注氣量更少, 在300m3/d 左右。注氣壓力可以降至1．2MPa 甚至更低。

(5) 能夠滿足叢式井、大斜度井生產(chǎn)的需要,可以一套壓縮機(jī)組帶多口井生產(chǎn)。

6 結(jié)論

(1) 采用同心管氣舉排水工藝, 可以提高排水效率, 有效防止了粉煤灰的沉積和堵塞。

(2) 該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)排量在0～60m3/d、沉沒(méi)度最低10m 范圍內(nèi)的任意調(diào)節(jié), 滿足煤層氣排水量連續(xù)可調(diào)的要求。

(3) 整套工藝連接、組裝方便, 可操作性強(qiáng)。

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