程 浩 白建梅 湯繼丹

(中國(guó)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(guò)排水降壓使吸附在煤中的甲烷氣體解吸來(lái)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(zhǎng)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(dòng)壓力和煤層的壓力相對(duì)穩(wěn)定, 防止氣、水混合流體在煤層中流速過(guò)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(duì)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(duì)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(guò)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(huì)隨氣體一起流出, 一般情況下液體會(huì)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(chǎng)資料對(duì)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(duì)應(yīng)的臨界流速越大;

(2) 管柱內(nèi)徑對(duì)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(wú)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(duì)于僅產(chǎn)生少量液體的氣井, 可以根據(jù)井口條件來(lái)預(yù)測(cè)臨界流速和臨界流量, 對(duì)于產(chǎn)出大量液體的氣井, 可根據(jù)井底條件來(lái)預(yù)測(cè)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(guò)程。超聲霧化的原理是： 當(dāng)超聲作用于液體時(shí), 處于振動(dòng)表面的薄液層激起毛細(xì)重力波。當(dāng)振動(dòng)面的振動(dòng)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(guò)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(dòng)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(jí)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(guò)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(guò)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(guò)井下傳感器采集井下液面、壓力、溫度等井下參數(shù), 經(jīng)過(guò)控制系統(tǒng)判斷后通過(guò)控制井下超聲波霧化器的霧化量來(lái)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(guò)20～30 的臨界值時(shí), 液滴將會(huì)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(duì)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(dòng)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(duì)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(dòng)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(guò)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(guò)公式 (2) 可以得到臨界流量與對(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)的管柱內(nèi)徑, 如表1。

表1 不同日產(chǎn)氣量對(duì)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(guò)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。空氣壓縮機(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(duì)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(jiǎn)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(wèn)題

(1) 井下超聲波霧化器需要通過(guò)井下動(dòng)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(duì)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(duì)擬采用的管柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行水動(dòng)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(duì)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。

[1] 雷群, 李景明, 趙慶波．煤層氣勘探開發(fā)理論與實(shí)踐 [M] ．北京： 石油工業(yè)出版社, 2007．

[2] 石書燦, 李玉魁, 倪小明．煤層氣豎直壓裂井與多分支水平井生產(chǎn)特征 [J] ．西南石油大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版) , 2009, 31 (1) ： 48- 52．

[3] 楊秀春, 李明宅．煤層氣排采動(dòng)態(tài)參數(shù)及其相互關(guān)系 [J] ．煤田地質(zhì)與勘探, 2008, 36 (2) ： 20- 23．

[4] 李閩, 郭平, 劉武, 張茂林, 李士倫．氣井連續(xù)攜液模型比較研究 [J] ．?dāng)鄩K油氣田, 2002, 9 (6) ：39- 41．

[5] 王陽(yáng)恩, 楊長(zhǎng)銘, 凌向虎．井下超聲霧化換能器的設(shè)計(jì) [J] , 石油儀器, 2001, 15 (6) ： 23- 25．

[6] 關(guān)密生, 王如平．采氣井超聲波霧化排液原理探討[J] ．石油鉆采工藝, 1998, 20 (2) ： 94- 96．

[7] 杜堅(jiān), 周潔玲．深井低壓底水超聲排水采氣方法研究 [J] ．天然氣工業(yè), 2004, 24 (6) ： 86- 88．