摘 要：本文對煤層氣的賦存狀態(tài)、地下流動及產(chǎn)出特點進行了簡要介紹，分析了開采煤層氣的兩種主要方式，詳細介紹了煤層氣排水采氣技術(shù)，對排采中常用的各種舉升方式的適應(yīng)性進行了總結(jié)和對比，針對目前各種舉升方式存在的問題，對煤層氣排水采氣技術(shù)的發(fā)展提出了認識與建議。

關(guān)鍵詞：煤層氣;排水降壓;開采技術(shù);舉升工藝

煤層氣是歷經(jīng)漫長的地質(zhì)年代，自生自儲于煤層及其圍巖之中的一種清潔的非常規(guī)天然氣，以吸附在煤層顆粒基質(zhì)表面為主，一般使用降壓的方法進行開采。

1 煤層氣產(chǎn)出特點

煤層氣的賦存狀態(tài)及地下流動機理，決定了煤層氣的產(chǎn)出特點。煤層氣在煤層中的賦存有三種狀態(tài)，即吸附狀態(tài)、溶解和游離狀態(tài)。

1.1 煤層氣的地下流動

煤層氣儲層的蓋層被鉆開以后，隨著煤層水的排出，井筒液柱壓力不斷下降。當(dāng)煤儲層壓力低于臨界解吸壓力時，煤層氣開始從煤層孔隙內(nèi)表面解吸，依其濃度梯度擴散并通過微孔隙和自然裂縫網(wǎng)絡(luò)，以達西流的方式流入井筒。

煤層氣儲層流體的地下流動歷經(jīng)以下三個階段：

1.1.1 單相流動階段

在排水過程中，井筒液面不斷下降，煤層氣儲層所受的壓力也隨之降低，在到達臨界解吸壓力之前，儲層只有水的單相流動。

1.1.2 非飽和單相流動階段

煤層氣儲層所受壓力低于臨界吸附壓力，煤層氣開始從煤孔隙內(nèi)表面解吸，出現(xiàn)孤立、互不連接的氣泡。氣泡增加，水的流動阻力增大，水的相對滲透率就隨之下降。儲層仍然只有水的單相流動。

1.1.3 兩相流動階段

煤層氣儲層所受壓力進一步下降，有更多的氣解吸出來，水中氣含量達到飽和，氣泡互相連接成為氣流，水的飽和度和相對滲透率下降，氣相的相對滲透率相應(yīng)上升，儲層出現(xiàn)氣水兩相流動。

1.2 煤層氣井生產(chǎn)過程

煤層氣井生產(chǎn)的全過程都需要進行排水作業(yè)，煤層氣與水的產(chǎn)出規(guī)律。對應(yīng)于其產(chǎn)水產(chǎn)氣規(guī)律，將其分為三個階段。

1.2.1 排水降壓階段

排水作業(yè)使井筒水柱壓力下降，若這一壓力低于臨界吸附壓力后繼續(xù)排水，氣飽和度升高和相對滲透率降低，產(chǎn)量開始增加;水相對滲透率相應(yīng)下降，產(chǎn)量相應(yīng)減少。在儲層條件相同的情況下，這一階段所需的時間，取決于排水的速度。

1.2.2 穩(wěn)定生產(chǎn)階段

繼續(xù)排水作業(yè)，煤層氣處于最佳的解吸狀態(tài)，氣產(chǎn)量相對穩(wěn)定而水產(chǎn)量下降，出現(xiàn)高峰產(chǎn)氣期。這個階段所持續(xù)的時間，取決于煤層氣含量。

1.2.3 氣產(chǎn)量下降階段

隨著壓力的下降及煤內(nèi)表面煤層氣吸附量的減少，產(chǎn)氣量下降，并產(chǎn)出少量或微量的水。這一階段延續(xù)的時間最長[1]。

2 煤層氣排水采氣技術(shù)

煤層氣的開采主要有兩種方式：井下抽采和地面鉆采。

井下煤層氣抽采就是借助煤炭開采工作面和巷道，通過煤礦井下抽采、采動區(qū)抽采、廢棄礦井抽采等方法來開采煤層氣資源[2]。

目前世界上主要產(chǎn)煤國對煤層甲烷的資源化開發(fā)利用程度較高，主要方法是地面鉆井開采[3]。即利用垂直井或定向井技術(shù)來開采原始儲層中的煤層氣資源。解吸是煤層氣進行地面鉆采的前提，降壓又是解吸的前提。因此，地面鉆采煤層氣能否發(fā)生的根本在于煤層氣是否能降壓解吸。

基于煤層氣的地面鉆采開發(fā)，主要應(yīng)用排水開采技術(shù)。

2.1 排水采氣工藝現(xiàn)狀

煤層氣的生產(chǎn)機理，決定了煤層氣排采時，必須最大限度地進行排水作業(yè)，這樣不僅降低了儲層壓力，也降低儲層含水飽和度，增加了氣體的相對滲透率，從而增加解吸氣體通過煤層裂隙系統(tǒng)向井筒運移的能力，進而增加井孔的煤層氣生產(chǎn)量[4]。煤層氣排采井的生產(chǎn)概括說即為使用油管抽水，利用套管產(chǎn)氣，因此，煤層氣生產(chǎn)中井孔排水用的泵是必不可少的，其地面生產(chǎn)工藝是石油行業(yè)抽油機有桿抽油和低壓天然氣井生產(chǎn)工藝的結(jié)合，其生產(chǎn)管理多類同于后者，但也有所差異。目前，國內(nèi)外煤層氣排水開采的方法主要有有桿泵法、電潛泵法、螺桿泵法、氣舉法、水力噴射泵法、泡沫法、優(yōu)選管柱法等。我國應(yīng)用最多的是有桿泵、螺桿泵和電潛泵。選用哪種泵更經(jīng)濟有效，要考慮煤層的產(chǎn)能、井深、井深結(jié)構(gòu)、產(chǎn)水量、地層出砂、氣體影響等因素，并結(jié)合各種排采設(shè)備的能力來確定。

2.2 排采方式適應(yīng)性分析

2.2.1 煤層氣排水采氣有以下幾點要求

①排液速度快，不怕井間干擾;②降低井底流壓，排水設(shè)備的吸液口一般都要求下到煤層以下;③要求有可靠的防煤屑、煤粉危害的措施。

采油用的抽油機工作制度不需隨時調(diào)整，并且調(diào)整范圍大。而煤層氣排采要求抽油機工作參數(shù)隨時調(diào)整，以適應(yīng)連續(xù)、勻速穩(wěn)定降液的要求?，F(xiàn)場常與電磁調(diào)速電機或變頻調(diào)速電機配合使用，可使沖次在較大范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)整。為防止在上下沖程中對煤層的激動，應(yīng)盡量選用長沖程抽油機，靠長沖程代替大沖次。在美國圣胡安盆地，使用的抽油機一般為160、320和640型（減速箱的最大扭矩值），沖程長度為1.625～5.08m。而黑勇士盆地由于東部地區(qū)井淺，一般使用的抽油機為40型和80型，沖程長度一般為0.915～1.83m。

煤層要有效地產(chǎn)氣必須充分進行排水，故生產(chǎn)井的壓力必須保持很低。有些地方水是從滲透性非煤層區(qū)流入井內(nèi)的。如果不使用大排量的泵排水，高水位即會減少煤層氣的產(chǎn)量。同樣，如果不使用大排量的泵，要排掉高滲透煤層的水是很難的。2001年以來，我國先后在某實驗區(qū)的幾口井上使用，日產(chǎn)水95～400.3m3，日產(chǎn)氣2000～4000m3，解決了高產(chǎn)水層的排水問題。

氣舉系統(tǒng)由一系列安裝于油管上的工作筒或氣舉閥構(gòu)成。有兩種氣舉方法可以采用，一是通過油管注氣，由套管產(chǎn)出水和氣;二是由套管注氣，通過油管采出煤層氣和水，這是最常用的方法。無論哪種方法，都是將氣混入水中，降低水的密度，以易于將其排出地面。氣舉盡管地面設(shè)備少，井下管柱相對簡單，但在技術(shù)上要求很高。一般將壓縮煤層氣作為氣源用于氣舉，如用空氣作介質(zhì)，壓縮空氣中的氧氣與甲烷混合還有爆炸的危險。氣舉的最大特點是能夠處理固體顆粒，不受出砂的影響，機械方面的影響較小，同時，它能適應(yīng)開采初期的大排量排水。根據(jù)美國黑勇士盆地的經(jīng)驗，在采氣的初期，對于井組面積降壓、大量排水時使用氣舉方法比用泵抽方法更經(jīng)濟有效。到后期，隨著產(chǎn)水量的降低，可以更換小型的泵抽裝置。

2.2.2 排水采氣工藝選擇

對給定的一口產(chǎn)水煤層氣井，為了獲得較高的經(jīng)濟效益，應(yīng)在對氣井壓力、產(chǎn)量及產(chǎn)水情況進行分析之后，對不同排水采氣方式進行比較，優(yōu)化選擇排水采氣方法及其設(shè)備。選擇應(yīng)滿足以下幾點要求：①所選用的排水采氣方法應(yīng)兼顧前后期氣井產(chǎn)水量變化，適用范圍較大;②必須滿足在最小井底壓力下采出最大水量的要求，以保證在盡可能短的時間里，將儲層壓力降到解吸壓力以下，使氣井盡早產(chǎn)氣;③提高采收率，降低煤層氣生產(chǎn)成本。目前國內(nèi)外形成的各種排水采氣工藝對比。

3 結(jié)論與認識

①抽油機在煤層氣開采中發(fā)揮了較大作用并得到了普遍使用。但在應(yīng)用中存在著操作不便利和能源消耗大的情況。為了合理利用能源和節(jié)電，很有必要對抽油機在煤層氣井生產(chǎn)前后期的操作使用制定規(guī)范化要求;②螺桿泵在防砂卡和抗磨性上有待進一步改進，對于電潛泵，如何突破其高成本及降低修井費用是值得深入研究的;③排采工藝的選擇要綜合考慮多方面因素，在最小生產(chǎn)成本的條件下獲得最大經(jīng)濟效益;④國內(nèi)還沒有對煤層氣排采流程形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各煤層氣開發(fā)生產(chǎn)公司使用的排采流程結(jié)構(gòu)、功能各異，這也是排采技術(shù)下一步需要解決的問題。

參考文獻：

[1]饒孟余，江舒華.煤層氣井排采技術(shù)分析[J].中國煤層氣， 2010，7（1）：22-25.

[2]徐春成，綦耀光，孟尚志，等.煤層氣排采技術(shù)評價與設(shè)備優(yōu)選[J].石油礦場機械，2012，41（10）：59-64.

[3]肖富強，鄒勇軍，桑樹勛，等.煤層氣井排水采氣理論與技術(shù)研究[J].江西煤炭科技，2014（4）：133-136.

[4]柳迎紅，房茂軍，廖夏.煤層氣排采階段劃分及排采制度制定[J].潔凈煤技術(shù)，2015（3）：121-124.

作者簡介：

王瀟（1983- ），中國石油大學(xué)（北京）油氣田開發(fā)工程碩士，主要從事油氣田開發(fā)研究、技術(shù)培訓(xùn)及管理相關(guān)工作。