米百超，呂帥鋒，王生維，3，陳永平，4，高 超

（1.山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，山西 晉城 048204；2.中國地質大學 資源學院，湖北 武漢 430074；3.煤與煤層氣共采國家重點實驗室，山西 晉城 048012；4.中石化西南石油工程有限公司，四川 成都 610041）

煤層氣是以甲烷為主要成分的清潔能源，煤層氣資源開發(fā)具有煤礦安全、能源利用和環(huán)境保護3大屬性。我國煤層氣產(chǎn)業(yè)已經(jīng)初具規(guī)模，埋深2 000 m以淺煤層氣資源量為30.05×1012m3，居世界第3 位，位于山西省的沁水盆地煤層氣開發(fā)最為成功[1-5]。煤層氣開發(fā)過程包括鉆井、儲層改造和排水采氣等[6-8]。煤層氣中甲烷含量一般大于96.5%，其吸收紅外線的能力、溫室效應和輻射效率分別是二氧化碳的26倍、22 倍和27 倍，在空氣中的平均壽命高達8 年。大氣中甲烷體積分數(shù)增加造成大氣環(huán)流減弱，不利于固體顆粒物的流動，顯著增加了溫室效應和城市熱島效應。因此，甲烷逸散不僅浪費了清潔能源，也對環(huán)境有著嚴重的破壞[9]。另外，當空氣中甲烷體積分數(shù)達到5%～16%時，遇明火會發(fā)生爆炸；環(huán)境中甲烷體積分數(shù)達到25%～30%時，可引起作業(yè)人員身體不適，比如頭痛、乏力、心跳加速，甚至窒息死亡[10]?？梢?，煤層氣井場中甲烷漏失條件下，甲烷體積分數(shù)達到臨界值后，對井場設備和人員具有潛在的安全隱患。國內外學者對于天然氣運輸管道中氣體泄漏的監(jiān)測和防控方法開展了研究，但對于天然氣生產(chǎn)井，尤其是煤層氣排采井的甲烷逸散方式、位置、速率、逸散量等參數(shù)及其評價方法的研究甚少[10-14]。因此，揭示煤層氣排采井甲烷逸散特征、建立甲烷逸散的預測模型對制定煤層氣生產(chǎn)制度和預防甲烷泄露具有重要意義，對國家提出的力爭2030 年前實現(xiàn)碳達峰、2060 年前實現(xiàn)碳中和的生態(tài)文明建設目標具有積極的促進作用。為此，以沁水縣煤礦區(qū)的地面煤層氣井為研究對象，現(xiàn)場測試和調查了204 口煤層氣井的甲烷漏失情況和運行參數(shù)，根據(jù)多因素分析法[15-17]建立了適用于本區(qū)的甲烷漏失量模型，為煤層氣井制定甲烷漏失的治理措施提供依據(jù)。

1 煤層氣井甲烷漏失原理及測定方法

1.1 甲烷漏失原理

煤層氣井完鉆后，采用下入套管-固井-射孔-壓裂的方式完井。壓裂目的是在煤層中產(chǎn)生人工裂縫，提高煤儲層的滲透性和改善氣水流動通道。在套管中安裝油管和排水泵，將井筒中的液體經(jīng)過油管內排至地表。隨著井底流壓降低至煤層氣解吸壓力，吸附態(tài)煤層氣開始解吸，并經(jīng)擴散和滲流后沿著壓裂裂縫和射孔孔眼進入套管，由于氣水分異作用，煤層氣進入套管和油管之間的環(huán)空并且向低壓的井口處運移，從而進入輸氣管道被集輸利用。然而，在流體攜帶作用下一部分甲烷竄入油管內，主要從地面位置的排水口直接逸散進入大氣中。另外，由于抽油機帶動抽油桿往復上升和下降，造成井口偏磨，密封器損傷，煤層氣也會從井口位置溢出。因此，煤層氣漏失直接原因為地層中甲烷氣體發(fā)生竄氣進入油管，加之井口密封質量差而發(fā)生甲烷漏失。經(jīng)過理論分析和大量現(xiàn)場調研驗證，煤層氣井甲烷漏點位置主要為井口和抽油桿環(huán)空、出水口2 個位置，極少數(shù)煤層氣井法蘭連接部位也存在甲烷漏失的現(xiàn)象。煤層氣井甲烷漏失原理示意圖如圖1。

圖1 煤層氣井甲烷漏失原理示意圖Fig.1 Methane emission principle of coalbed methane well

1.2 測定方法

研究選取的煤層氣井位于山西省沁水縣的6 個煤層氣工區(qū)，主要分布在沁河兩側。沁水縣研究區(qū)煤層氣井分布圖如圖2。

圖2 沁水縣研究區(qū)煤層氣井分布圖Fig.2 Distribution of CBM wells in Qinshui County

在煤層氣井現(xiàn)場測定甲烷漏失參數(shù)。首先記錄煤層氣井位置、工藝流程、生產(chǎn)設備參數(shù)、產(chǎn)量、能耗等數(shù)據(jù)。利用防爆紅外熱像儀檢測氣體泄露情況，根據(jù)紅外成像情況確定測點泄露位置。在井場無風情況下，利用手持紅外測溫儀測定漏點溫度，借助吸入式甲烷氣體檢測儀測試甲烷的體積分數(shù)，利用葉輪風速計或熱敏流量計測試氣體的流速，同時獲取測點的大氣壓力。甲烷漏失量計算公式如下：

式中：Q 為現(xiàn)場環(huán)境條件下甲烷漏失量，m3/h；q為測點氣體流速，m/h；S 為漏點面積，m2；φ 為實測甲烷體積分數(shù)，%。

對于排水口液體和氣體產(chǎn)出較大的煤層氣井，利用氣液分離裝置配合集氣袋測量氣體流量，然后測得甲烷體積分數(shù)后獲取甲烷漏失量。

由于受到環(huán)境條件下的溫壓影響，且煤層氣產(chǎn)量是標準狀況下的氣體體積，因此根據(jù)物質守恒將實測甲烷漏失量轉換為標況下的漏失量，即：

式中：Q0為標況下甲烷漏失量，m3/h；p 為現(xiàn)場實測大氣壓，kPa；T0為標況下溫度，取273.15 K；p0為標況下大氣壓，取101.325 kPa；T 為現(xiàn)場實測溫度，K。

聯(lián)立式（1）和式（2），可得：

在實際測量中發(fā)現(xiàn)，由于抽油機等排采設備是在一定的沖次下周而復始的運行，測點處的甲烷體積分數(shù)也具有周期性變化。

煤層氣井排出水口甲烷體積分數(shù)變化曲線如圖3。在甲烷檢測儀靠近測點后，隨著甲烷氣體被吸入儀器，儀接探觸到甲烷后體積分數(shù)開始上升，在25 s之后，甲烷體積分數(shù)穩(wěn)定在20%左右并有規(guī)律地上下波動，且波動周期約為12 s，這個波動周期和該井抽油機沖次（5 次/min）是一致的。當移開甲烷探測器之后，甲烷體積分數(shù)又下降到0。值得注意的是，由于甲烷在空氣中擴散較快，加上周圍風速影響，距甲烷漏失點約0.5 m 外，基本檢測不出甲烷體積分數(shù)，因此井場中因甲烷漏失引起的安全風險較小。為了甲烷體積分數(shù)測定更加準確，排除甲烷不均衡漏失帶來的誤差，在計算時將甲烷體積分數(shù)曲線兩端上升段和下降段截去，取中間時間段體積分數(shù)的平均值作為漏失甲烷體積分數(shù)。

圖3 煤層氣井排出水口甲烷體積分數(shù)變化曲線Fig.3 Variation curve of methane concentration at outlet of CBM well

2 結果及討論

2.1 甲烷漏失特征

在所調查的204 口煤層氣井中，井口甲烷漏失量在0～20 m3/d 之間，其中39%的煤層氣井井口未檢測到甲烷漏失現(xiàn)象，存在井口甲烷漏失且漏失量小于10 m3/d 的煤層氣井數(shù)為116 口，占總井數(shù)的56%，因此1/2 以上的煤層氣井存在井口甲烷漏失現(xiàn)象，但是漏失量普遍較低。不同部位甲烷漏失量的煤層氣井占比如圖4。不同甲烷漏失量與漏失率的煤層氣井數(shù)統(tǒng)計圖如圖5。

圖4 不同部位甲烷漏失量的煤層氣井占比Fig.4 Proportion of CBM wells with methane emission in different parts

圖5 不同甲烷漏失量與漏失率的煤層氣井數(shù)統(tǒng)計圖Fig.5 Statistics of CBM wells with different methane emission and emission rates

由圖4、圖5 可知，排水口甲烷漏失量在0～200 m3/d 之間，其中未檢測到甲烷漏失現(xiàn)象的井占41%，存在漏失現(xiàn)象且漏失量小于10 m3/d 的煤層氣井數(shù)為86 口，占總井數(shù)的41%，漏失量大于10 m3/d的煤層氣井數(shù)為32 口，占總井數(shù)的18%。相比之下，排水口甲烷漏失量普遍高于井口部位，且漏失井數(shù)量占比也較大?？傮w而言，無漏失、漏失量在0～10 m3/d 之間和漏失量大于10 m3/d 的煤層氣井甲分別占19%、59%和22%，值得注意的是，甲烷漏失量大于20 m3/d 的漏失部位全部位于排水口。

為了表征井場甲烷漏失程度，定義煤層氣井甲烷漏失率為甲烷漏失量占煤層氣產(chǎn)氣量的百分比。統(tǒng)計表明，52%的井甲烷漏失率小1%，26%的井甲烷漏失率在2%～10%之間，3%的井甲烷漏失率大于10%。平均漏失率為1.53%，對單井而言甲烷漏失率可能較小，假設煤層氣井平均產(chǎn)氣量為2 000 m3/d，那么漏失甲烷量達30 m3/d，每天漏失的甲烷足夠1個家庭使用1 個月。因此，有效控制甲烷的漏失量能夠切實提高資源利用率。

2.2 甲烷漏失的多種因素

為揭示甲烷漏失量與煤層氣生產(chǎn)參數(shù)間的關系，找出主控因素，首先進行甲烷漏失量的單因素分析。理論上，井下甲烷氣泡越多越密集，氣泡進入吸水口的幾率就越大，即產(chǎn)氣量高甲烷漏失量越高；煤層氣通過套管與油管環(huán)空輸送到地表，套管壓力與產(chǎn)氣量往往具有正相關關系；由于抽油機和液流舉升作用，液體排出量也直接影響甲烷漏失量。煤層氣井甲烷漏失量單因素分析圖如圖6。

事實上，從圖6 可知，所調查井的甲烷漏失量與日產(chǎn)氣量、套管壓力和日產(chǎn)氣量并沒有顯著的線性關系。因此，對于運行的煤層氣排采井，甲烷漏失量是由多種因素綜合控制的，利用單因素法分析甲烷漏失量顯然存在局限性。

圖6 煤層氣井甲烷漏失量單因素分析圖Fig.6 Single factor analysis of methane emission in CBM wells

除了日產(chǎn)氣量、套管壓力、日產(chǎn)水量等因素外，泵吸水口距液面深度（埋沒度）、沖次、井底流壓等因素也會影響甲烷的漏失量。越靠近動液面水中氣泡越多，泵吸入口距液面深度影響進入吸水口煤層氣氣體體積；抽油泵的沖次較大時，井中液流速度加快，液體易牽引氣泡向下移動使得氣體隨液體更容易進入泵中；井底流壓越大，流體與外界的壓差也越大，在泵吸水口截面積不變的情況下，液體流速也會越快。

煤層氣排采過程根據(jù)煤儲層氣水飽和度或者流體產(chǎn)出特征一般分單相水流、氣液兩相流和單向氣流3 個階段。其中，在單相水流階段，也是排水初期，儲層壓力還未降至臨界解吸壓力，煤儲層中的吸附態(tài)煤層氣還未解吸，煤層氣井只排水并不產(chǎn)氣，或者只有及少量的游離氣產(chǎn)出，此時甲烷漏失缺少物質來源，該階段所檢測的煤層氣井的甲烷漏失量也大多為0，實際中僅有1 口井發(fā)生甲烷漏失現(xiàn)象，可忽略不計，故該階段甲烷漏失函數(shù)關系為常數(shù)，即Q0=0。

在氣液兩相流階段，套管壓力開始出現(xiàn)，液面穩(wěn)定下降，泵吸水口保持在液面以下，此時井底甲烷氣體以氣泡形式竄流進入油管，該階段井底流壓為套管壓力與靜液柱壓力之和。以泵吸水口于動液面下深度X1、井底流壓X2、沖次X3、日產(chǎn)水量X4和日產(chǎn)氣量X55 個因素為自變量，利用SPSS 軟件通過多元線性回歸，得出氣液兩相流階段甲烷漏失量模型：

該模型回歸方程顯著性為0.4，比單因素分析的擬合度明顯提高。函數(shù)關系中自變量X1、X2、X3、X4、X5的標準化回歸系數(shù)分別為-0.47、0.62、0.19、-0.14、0.19?？梢娂淄槁┦Я颗c井底流壓、沖次、日產(chǎn)氣量呈正相關，這3 個因素對井底甲烷氣體進入油管上升至地面有促進作用，其中井底流壓的標準化回歸系數(shù)為0.62，占得權重最大，表明井底流壓對氣液兩相流階段甲烷漏失影響最大，其次是沖次和日氣流量。抽水泵埋沒度和日產(chǎn)水量的標準化回歸系數(shù)分別為-0.47 和-0.14，故甲烷漏失量與這2 個因素呈負相關，泵吸水口于液面下深度越大，甲烷氣泡運移的距離也越長，故甲烷漏失速率越慢，漏失量越小。

進入單相氣流階段后，壓降漏斗擴大至極限，液面降低至煤儲層埋深位置，部分時間煤層暴露在液面之上，產(chǎn)水量極少，煤層氣主要以單相氣流形式在套壓作用下自由進入井筒，該階段由于靜液柱壓力極小，套管壓力近似等于井底流壓。故選擇日產(chǎn)水量、沖次、日產(chǎn)氣量和套管壓力為自變量，通過多元線性回歸，獲取單相氣流階段甲烷漏失量模型：

Q0=3.144-0.686X1-0.288X2+0.001X3+20.433X4（5）

該模型回歸方程顯著性為0.4，函數(shù)關系中自變量X1、X2、X3、X4的標準化回歸系數(shù)分別為-0.21、-0.08、0.12、0.62。方程中甲烷漏失量與日產(chǎn)氣量和套管壓力呈正相關，這2 個因素對甲烷漏失有促進效果，其中套管壓力的標準化回歸系數(shù)為0.62，所占權重最大，說明該階段套壓對井底甲烷進入油管的影響最大。甲烷漏失量與沖次、產(chǎn)水量呈負相關，盡管該階段產(chǎn)水量極少，但是井筒中的液柱在一定程度上阻止甲烷氣流上升至地面，而沖次越大，對已經(jīng)通過泵吸水口進入油管中的甲烷氣流具有擾動作用，反而不利于甲烷氣進入油管運移至地面。因此，在煤層氣井排采過程中不同階段，各運行參數(shù)對甲烷漏失量的影響具有較大差異性。

2.3 實例驗證

選取了5 口氣液兩相流階段的煤層氣排采井作為對照井。煤層氣井甲烷漏失量實測值與預測計算值對比如圖7。

圖7 煤層氣井甲烷漏失量實測值與預測計算值對比Fig.7 Comparison of measured and predicted methane emission in CBM wells

實測YZ-1 井、YZ-2 井、YZ-3 井、YZ-4 井和YZ-5 井的甲烷漏失量分別為3.05、4.48、3.75、6.88、16.37 m3/d，利用模型獲得的甲烷漏失量計算值分別為5.54、4.03、3.68、4.67、5.24 m3/d。實測值與預測計算值相比，相對誤差為0.93%～81.96%，絕對誤差為0.07～11.13 m3/d，其中，4 口井的絕對誤差小雨2.5 m3/d。在前期調研的204 口煤層氣井中，甲烷漏失量為0～2.5 m3/d 區(qū)間的井數(shù)占比為6.37%，因此對于大多數(shù)井本預測模型具有較高的準確度。

3 結 語

1）沁水縣煤礦區(qū)煤層氣排采過程中井場的甲烷漏失現(xiàn)象較為普遍，其中井口與排水口是甲烷漏失的2 個主要部位。在所調查的204 口煤層氣井中，甲烷無漏失、漏失量在0～10 m3/d 之間和漏失量大于10 m3/d 的煤層氣井甲分別占19%、59%和22%，且甲烷漏失量大于20 m3/d 的漏失部位全部位于排水口。整體上，甲烷漏失量占生產(chǎn)井產(chǎn)量的1.53%。

2）煤層氣井排采過程中，單相水流階段甲烷漏失量幾乎為0，氣液兩相流階段甲烷漏失量與與井底流壓、沖次、日產(chǎn)氣量呈正相關，與抽水泵埋沒度和日產(chǎn)水量呈負相關，其中井底流壓和泵埋沒度對甲烷漏失量的影響最大。在單相氣流階段，甲烷漏失量與日產(chǎn)氣量和套管壓力呈正相關，與沖次、日產(chǎn)水量呈負相關，其中套管壓力和日產(chǎn)水量對甲烷漏失的影響最大。

3）煤層氣井甲烷漏失不僅造成了產(chǎn)氣量的損失，降低了經(jīng)濟效益，而且增加了井場安全隱患，還提高了溫室效應，不利于環(huán)境保護。根據(jù)甲烷漏失量主控因素模型，對癥下藥，采取控制壓降速率、安裝井底氣錨、減小井口抽油桿磨損、在井口和出水口安裝集氣裝置等措施，積極預防和治理甲烷漏失現(xiàn)象。