原紅超 賈慧敏 王漢雄 安玉敏 聞 偉 蔣世民

(1.中國(guó)石油華北油田山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西 047000；2.中國(guó)石油華北油田公司，河北 062552；3.中國(guó)石油華北油田第二采油廠，河北 065000)

煤層氣通過連續(xù)排出煤層中水，將煤層壓力降至解吸壓力以下，從而使吸附在煤巖孔隙中的甲烷解吸、擴(kuò)散產(chǎn)出井筒，因此，排水采氣是煤層氣開發(fā)的基本原理。煤層氣井產(chǎn)出水量大，如沁水盆地樊莊區(qū)塊日產(chǎn)水量在1200m3左右，鄭莊區(qū)塊日產(chǎn)水量在1500m3左右，因此煤層產(chǎn)出水重復(fù)利用是降低成本、節(jié)約用水、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的重要途徑。但煤層產(chǎn)出水中固體顆粒較多，對(duì)某些利用途徑產(chǎn)生不利影響。

1 煤層氣井產(chǎn)出水重復(fù)利用途徑

1.1 水力壓裂

我國(guó)絕大部分煤層氣儲(chǔ)層滲透率極低，需要大規(guī)模水力壓裂才能形成工業(yè)氣流，因此，水力壓裂是煤層氣開發(fā)的重要手段。我國(guó)煤層氣井水力壓裂直井單井用水量在200～1000m3左右，水平井單井壓裂用水量在5000m3以上。水力壓裂對(duì)水的固體顆粒含量要求不高，但是水力壓裂完畢后返排液中含有大量的壓裂砂、煤粉等固體顆粒，必須過濾后才能進(jìn)行循環(huán)利用。

1.2 無桿泵動(dòng)力液

目前無桿泵采用水力驅(qū)動(dòng)方式運(yùn)行，一般利用煤層產(chǎn)出水進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，對(duì)煤層產(chǎn)出水中固體顆粒含量和粒徑有較高的要求，固體顆粒含量越高和粒徑尺寸越大，對(duì)柱塞泵磨損越大，導(dǎo)致的故障頻率越高，不利于煤層氣井穩(wěn)定運(yùn)行。

1.3 井筒煤粉清洗

煤層氣井鉆井、壓裂及排采過程中會(huì)產(chǎn)生大量煤粉，通過氣、水產(chǎn)出聚集在井筒或泵筒中，尤其當(dāng)產(chǎn)水量較低時(shí)，煤粉不能被攜帶出來，導(dǎo)致篩管、凡爾堵塞，泵效降低。定期清洗井筒、泵筒中的煤粉能夠有效避免凡爾堵塞和泵效降低。清洗過程就是將清水通過油套環(huán)空注入井筒中，稀釋煤粉，并通過增加水排出速度增強(qiáng)攜帶煤粉能力，將煤粉排采井筒。這個(gè)過程對(duì)水中固體顆粒的要求較為嚴(yán)格，固體顆粒含量越低越好，現(xiàn)有排采水必須通過靜置沉淀之后才能利用，但洗井過程中，用水量較大，要實(shí)現(xiàn)洗井水的循環(huán)利用必須要對(duì)固體顆粒進(jìn)行有效過濾。

2 過濾原理及裝置

2.1 過濾原理

利用重力作用使固體顆粒自由沉降，其關(guān)鍵在于通過減速裝置設(shè)計(jì)，降低煤層氣井采出水的流動(dòng)速度，進(jìn)而降低其攜帶固體顆粒的能力，實(shí)現(xiàn)固體顆粒自由沉降。首先需要通過多級(jí)自然沉淀，將動(dòng)力液中的雜質(zhì)過濾干凈，使水質(zhì)達(dá)到使用要求。另外沉降塔級(jí)數(shù)可以根據(jù)實(shí)際情況確定，利于清除雜質(zhì)且可以節(jié)省費(fèi)用。其次應(yīng)該利用緩流系統(tǒng)和豎流沉降系統(tǒng)雙重作用，將無桿泵排出的高壓液流持續(xù)多級(jí)減速，便于雜質(zhì)自然沉降。

2.2 裝置組成

煤層氣井產(chǎn)出水中固體顆粒過濾裝置包括緩流系統(tǒng)、豎流沉降系統(tǒng)和排污系統(tǒng)3個(gè)主要部分，各部分主要部件如圖1所示。圖1中1是沉降塔外罩；2是動(dòng)力液進(jìn)口管線；3是整流管；4是連接桿；5是減速板；6是阻流板；7是支撐軸套；8是錐形沉降塔；9是分流盤；10是刮泥板；11是連接管；12是疏通裝置；13是排污閥；14為排污管；15為無桿泵動(dòng)力液吸入口。

緩流系統(tǒng)主要作用是減緩動(dòng)力液速度，為煤粉、壓裂砂沉降創(chuàng)造條件。緩流系統(tǒng)主要包括整流管、連接桿、減速板和支撐軸套。整流管為直徑80～100cm的鋼管，主要作用是將未過濾的動(dòng)力液與過濾后的動(dòng)力液隔離開，將從井下回流的高速動(dòng)力液整流減緩流速；連接桿為直徑2cm的鋼桿，主要作用是連接減速板等配件；減速板為寬度100cm左右的鋼板，減速板與連接桿成40°～60°角，2塊減速板為1組，對(duì)稱焊接在連接桿兩側(cè)，相鄰兩組相互垂直交錯(cuò)布置，主要作用是增加動(dòng)力液下降時(shí)流動(dòng)阻力，降低動(dòng)力液速度；支撐軸套由三根鋼桿和一個(gè)軸套組成，三根鋼桿一端焊接在整流管內(nèi)壁，一端焊接在軸套上，焊接成三角支架型，軸套直徑與連接桿直徑有一定的配合間隙，支撐軸套主要作用是防止連接桿在外力作用下彎曲變形，支撐軸套一般設(shè)計(jì)3組，均勻布置在整流管內(nèi)。

豎流沉降系統(tǒng)由錐形沉降塔、分流盤、阻流板組成，主要作用是利用豎流沉降原理，使煤粉和壓裂砂自然沉降。其中錐形沉降塔圓柱部分直徑一般在500cm以上，直徑越大，流速越緩，沉降效果越好，高度一般在300cm左右，高度越高，沉降效果越好。分流盤為漏斗形，焊接在連接桿上，主要作用是使整流管中出來的液體均勻的呈扇形分流在整個(gè)錐形沉降塔內(nèi)。阻流板由蜂窩填料板制成，為倒漏斗形，安裝在整流管外壁和錐形沉降塔內(nèi)壁上，與沉降塔內(nèi)壁成40°～60°夾角，其主要作用是使上行水流速度進(jìn)一步減緩，細(xì)小的煤粉顆粒受阻下沉，強(qiáng)化減速和過濾作用。

排污系統(tǒng)由刮泥板、連接管、疏通裝置、排污閥和排污管組成，主要作用是清除沉降的煤粉和壓裂砂。其中刮泥板為直角三角形鐵片，兩條直角邊分別等于沉降塔錐形部分的高度和半徑，共兩片，對(duì)稱焊接在連接管上；連接管焊接在連接桿下端，主要是為了便于刮泥板焊接，同時(shí)便于連接桿放置。疏通裝置就是在連接管下端對(duì)稱焊接短鋼棍并與連接管垂直，一般為2～3排，并且相鄰兩排相互垂直，主要作用是當(dāng)煤粉和壓裂砂在上部水壓作用下壓實(shí)時(shí)，可以通過轉(zhuǎn)動(dòng)上部連接桿，帶動(dòng)疏通裝置中十字形鋼棍，起松動(dòng)疏通作用，避免出現(xiàn)煤粉、壓裂砂堵塞現(xiàn)象。排污閥采用球閥，能夠快速開關(guān)，提高雜質(zhì)清理效率，同時(shí)球閥是單流閥可以避免單獨(dú)清理某個(gè)沉降塔時(shí)在水壓作用下發(fā)生倒流。排污管作用是將污水排至蒸發(fā)池，避免污染環(huán)境。

圖2 煤層氣井產(chǎn)出水中固體顆粒過濾裝置實(shí)物圖

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

根據(jù)上述示意圖加工試制固體顆粒過濾裝置如圖2所示，在煤層氣開發(fā)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行應(yīng)用，結(jié)果表明裝置對(duì)動(dòng)力液中雜質(zhì)過濾效果較好，水質(zhì)達(dá)到了要求，使用后檢泵周期由1個(gè)月延長(zhǎng)至6個(gè)月以上，故障頻率大幅降低；排污系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)排污，不需要人工進(jìn)塔清理，大大降低工作量和安全風(fēng)險(xiǎn)，可以在煤層氣生產(chǎn)中進(jìn)行應(yīng)用和推廣。

4 結(jié)論

(1)煤層氣井產(chǎn)出水重復(fù)利用主要問題是固體顆粒含量高，降低固體顆粒含量能夠大幅提高產(chǎn)出水利用效率。

(2)煤層氣井產(chǎn)出水中固體顆粒過濾裝置包括緩流系統(tǒng)、豎流沉降系統(tǒng)和排污系統(tǒng)3部分，能夠有效的實(shí)現(xiàn)固體顆粒的過濾。