煤層氣井排采理論與技術(shù)PPT優(yōu)秀課件

1、,煤層氣井排采理論與技術(shù),1.煤層氣的產(chǎn)出機理 2.排采過程中的產(chǎn)層傷害與保護 3.煤層氣井排采工藝 4.煤層氣井排采工作制度,事實上，在原地儲層條件下的煤層氣主要呈吸附態(tài)賦存于煤層孔隙內(nèi)表面被大量的等溫吸附實驗和煤層氣開發(fā)實踐所證實。,煤層氣產(chǎn)出機理,煤層氣賦存狀態(tài)：,(1) 通過將實測煤層氣含量數(shù)據(jù)與等溫吸附實驗所獲得的理論吸附量進行對比發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)樣點的煤層氣吸附飽和度處于吸附欠飽和或接近吸附飽和狀態(tài)，很少有吸附過飽和狀態(tài)。這一事實充分證明煤層氣的賦存狀態(tài)以吸附為主。,證據(jù)有三：,煤層氣產(chǎn)出機理,煤層氣賦存狀態(tài)：,(2) 煤層氣開發(fā)實踐進一步證實，煤層氣以吸附為主的賦存特點。 幾乎所有

2、煤層氣井都是在排水降壓之后才開始產(chǎn)氣的，不具備游離氣產(chǎn)出的特征。,證據(jù)有三：,煤層氣產(chǎn)出機理,煤層氣賦存狀態(tài)：,(3) 盡管煤層孔隙及裂隙中充滿了水，但水溶甲烷量相對實測煤層氣含量值而言是微不足道的。 甲烷水溶實驗表明，在通常煤儲層溫度、壓力和礦化度條件下，每升水所能溶解的甲烷也不過0.05 3.11升。若煤層孔隙按30%（此假設(shè)值遠大于實際情況）計算，每噸煤最多也只有0.25m3的水；用最大溶解度 3 L/L計算，每噸煤最多溶解甲烷只不過是0.75m3,證據(jù)有三：,煤層氣產(chǎn)出機理,煤層氣賦存狀態(tài)：,經(jīng)典的3D理論：,煤層氣產(chǎn)出機理,解吸擴散滲流,解吸模型Langmuir方程,式中：C(p)

3、吸附量，m3/t； VL 蘭氏體積，m3/t ； P 地層壓力,MPa； PL 蘭氏壓力,MPa。,經(jīng)典的3D理論：,煤層氣產(chǎn)出機理,式中：qm 為煤基質(zhì)中甲烷擴散量，m3/day； D 為擴散系數(shù)，m2/day； 為形狀因子，m-2； g 為甲烷的密度，t/m3； Vm 為煤基質(zhì)塊的體積，m3; C(t) 為煤基質(zhì)中甲烷的平均濃度，m3/t; C(P) 為基質(zhì)-割理邊界上的平衡甲烷濃度，m3/t。,擴散模型Fick定律,經(jīng)典的3D理論：,煤層氣產(chǎn)出機理,滲流模型Darcy定律,式中： Vl為l相的滲流速度，m/s； l 為l相的粘滯系數(shù)，Mpas； Pl為l相的壓差，MPa； L 為滲流途徑

4、的長度，m； Kl為l相的有效滲透率，10-3m2； K 為多孔介質(zhì)的絕對滲透率，10-3m2； Krl為l相的相對滲透率，10-3m2。,經(jīng)典的3D理論：,煤層氣產(chǎn)出機理,解吸與吸附的差異：,煤層氣產(chǎn)出機理,大量的實驗研究表明，煤層氣吸附/解吸具有一定的可逆性并且解吸表現(xiàn)出一定的滯后性，這是一個問題的兩個方面，是物理吸附客觀本質(zhì)的體現(xiàn)。,解吸與吸附的差異：,煤層氣產(chǎn)出機理,根據(jù)煤層氣解吸條件和解吸特征（物理），將其解吸分為： 降壓解吸 置換解吸 擴散解吸 升溫解吸 等四個亞類。 當(dāng)然，在這四類解吸作用中降壓解吸是其中最主要的也是對煤層氣產(chǎn)出貢獻最大的。,解吸動力學(xué)特征及解吸類型：,煤層氣產(chǎn)出

5、機理,（1）降壓解吸 降壓解吸是一種最特征的物理解吸作用過程，也是煤層氣開采過程中最最主要的一種解吸作用。降壓解吸的基本特征是，被吸附在煤基質(zhì)孔隙內(nèi)表面的煤層氣分子由于“外界壓力”的降低而變得更為活躍，以致于解脫了范德華力的束縛，由吸附態(tài)變?yōu)橛坞x態(tài)。根據(jù)目前對降壓解吸的基本認識，其解吸行為基本服從朗繆爾方程。,解吸動力學(xué)特征及解吸類型：,煤層氣產(chǎn)出機理,（2）置換解吸 置換解吸的本質(zhì)是未被吸附的其他氣體分子或水分子為而置換了處于吸附態(tài)的甲烷分子的位置，從而使原呈吸附態(tài)的甲烷分子變?yōu)橛坞x態(tài)，故普遍存在于煤層氣開采過程之中。事實上，置換解吸是“優(yōu)勝劣汰的自然法則”的具體體現(xiàn)。一方面，未被吸附的其他

6、氣體分子和水分子，在普遍存在于各種原子、分子之間的范德華力作用下在不停地爭取被吸附的機會，以力圖達到動態(tài)平衡狀態(tài)；另一方面，氣體分子的熱力學(xué)性質(zhì)決定了這些被吸附的氣體分子在不停地爭脫范德華力束縛，變吸附態(tài)為游離態(tài)。,解吸動力學(xué)特征及解吸類型：,煤層氣產(chǎn)出機理,（3）擴散解吸 根據(jù)分子擴散理論，只要有濃度差存在，就有分子擴散運動，這是氣體分子熱力學(xué)性質(zhì)所決定的。研究表明，甲烷氣體分子在煤的孔隙內(nèi)表面得以高度富集，這就與孔隙、裂隙內(nèi)的流體構(gòu)成了高梯度的濃度差，這種濃度差迫使甲烷分子擴散，從而造成非常規(guī)解吸。基于擴散的普遍存在性，因此擴散解吸也是煤層氣開采過程中煤層氣解吸的重要的一種作用類型。鑒于擴

7、散解吸的實質(zhì)是由于濃度差造成的擴散而導(dǎo)致的“解吸”，因此這種擴散的本身是偶于“解吸作用”之中的，是解吸作用與擴散作用的耦合。從解吸的角度，稱之為“擴散解吸”。,解吸動力學(xué)特征及解吸類型：,煤層氣產(chǎn)出機理,（4）升溫解吸 據(jù)現(xiàn)代物理化學(xué)研究表明，吸附劑對吸附質(zhì)的吸附量是吸附質(zhì)、吸附劑的性質(zhì)及其相互作用、吸附平衡時的壓力和溫度的函數(shù)。溫度與吸附量呈負相關(guān)，與解吸量呈正相關(guān)。溫度升高，加速了氣體分子的熱運動，使其具有更高的能力可以逃逸范德華力的束縛而被解吸。有人將溫度對解吸速率和解吸量的影響歸于影響因素，我們認為溫度與壓力一樣，都是引起解吸的一種動力，應(yīng)將其定為一種解吸類型。這一類型在煤層氣含量測定

8、實驗中早已得到證實。我們可以發(fā)現(xiàn)，在煤層氣含量測定過程中，當(dāng)解吸罐放入恒溫水箱時，即使解吸罐內(nèi)的壓力在升高，煤層氣解吸也會加速。 在煤層氣開采過程中，其溫度往往幾乎是“恒定的”。這是因為在煤層氣開采過程中，無論是煤層氣解吸、擴散還是滲流甚至水的滲流，均沒有條件引起煤層溫度發(fā)生重大變化。即使大量產(chǎn)水需要運距離的水源補給，也會在滲流過程中使其溫度均衡。,解吸動力學(xué)特征及解吸類型：,煤層氣產(chǎn)出機理,煤層氣吸附飽和度是指煤層在一定的溫度、壓力和濕度等條件下對甲烷的吸附飽和程度，實際氣含量與理論吸附量之比，一般用百分比表示。吸附飽和度是評價煤層氣富集程度和可采性的重要綜合指標。,常規(guī)油氣飽和度是指孔隙體

9、積比,吸附飽和度及物理意義：,煤層氣產(chǎn)出機理,吸附飽和度及物理意義：,煤層氣產(chǎn)出機理,飽和煤層（A）含有最大的氣含量，這在理論上是可能的，如由實驗室確定的等溫吸附曲線所定義的。在開始脫水和壓力下降時，氣生產(chǎn)立即開始。,欠飽和煤層（B）含有比煤層可能吸附量要少的甲烷，由于先前發(fā)生過脫氣事件。為了使氣產(chǎn)氣甚至需要幾年的時間進行脫水和降壓，而最終的儲量減少。,飽和的,欠飽和的,吸附飽和度及物理意義：,煤層氣產(chǎn)出機理,氣含量 測定誤差,吸附飽和度 誤差,等溫吸附曲線 實驗誤差,地層壓力 測試誤差,吸附飽和度及物理意義：,煤層氣產(chǎn)出機理,在煤層氣開采過程中，隨著排水降壓，煤層中流體的壓力將逐步降低，煤層

10、氣開始解吸時刻對應(yīng)的壓力則被稱之為“煤層氣臨界解吸壓力”，一般用MPa表示。臨界解吸壓力是評價煤層氣可采性的重要指標。,臨界解吸壓力及物理意義：,煤層氣產(chǎn)出機理,臨儲壓力比為臨界解吸壓力與儲層壓力之比，臨儲壓力比越大，表明越易于排采。,臨儲壓力比及物理意義：,煤層氣產(chǎn)出機理,在煤層氣開采過程中，煤層氣開始大量產(chǎn)出時刻的井底流壓則被稱之臨界產(chǎn)氣壓力。,臨界產(chǎn)氣壓力(井底流壓) 及物理意義：,煤層氣產(chǎn)出機理,2020/12/21,中國石油大學(xué)（北京）煤層氣研究中心,24,壓降漏斗與產(chǎn)出特征：,煤層氣產(chǎn)出機理,井間干擾對煤層氣生產(chǎn)是一項最有效的實現(xiàn)穩(wěn)定高產(chǎn)的技術(shù)措施。而對常規(guī)天然氣生產(chǎn)卻恰恰相反，井

11、間干擾會導(dǎo)致常規(guī)天然氣產(chǎn)量大幅度銳減。井間干擾促進煤層氣井穩(wěn)定高產(chǎn)的原理在于，在儲層條件下煤層氣是呈吸附態(tài)存在的，煤層氣產(chǎn)出需要通過排水-降壓使其從煤的基質(zhì)孔隙內(nèi)表面解吸下來，因此井間干擾是造成有效降壓的技術(shù)手段。,區(qū)域壓力降、井間干擾與產(chǎn)氣特征：,煤層氣產(chǎn)出機理,95年 1月，9口,95年 7月，7口，共16口,95年12月，5口，共21口,96年5月，10口，共31口,96年10月，10口，共41口,97年 1月，12口，共53口,井網(wǎng)排采有利于提高煤層氣產(chǎn)量,拉頓盆地井網(wǎng)排采增 加煤層氣產(chǎn)量的成功實例,區(qū)域壓力降、井間干擾與產(chǎn)氣特征：,煤層氣產(chǎn)出機理,排采過程中的產(chǎn)層傷害與保護,煤層氣井

12、排采過程中產(chǎn)層傷害的主要原因與傷害機理： 1. 排采過快帶來的傷害 （應(yīng)力敏感傷害、氣鎖水鎖傷害、吐粉傷害等） 2. 修井作業(yè)帶來的傷害 （外來物質(zhì)傷害） 3. 關(guān)井帶來的傷害 （煤粉堵塞傷害、氣鎖水鎖傷害等）,排采過程中的產(chǎn)層傷害與保護,無因次滲透率與圍壓和有效壓力的關(guān)系,排采過程中的產(chǎn)層傷害與保護,煤層氣儲集特征（吸附） 煤層氣產(chǎn)出的先決條件是降壓解吸 煤層氣開采工藝 排水降壓解吸產(chǎn)氣,煤層氣井排采工藝,煤層氣井排采工藝,各種排水采氣工藝對比,煤層氣井排采工藝,單管氣舉井下管柱示意圖 （a）開式管柱；（b）半閉式管柱；（c）閉式管柱,煤層氣井排采工藝,氣舉過程 （a）停產(chǎn)時；（b）環(huán)形液面

13、達到管鞋；（c）氣體進入油管,煤層氣井排采工藝,氣舉井壓力分布,套管內(nèi)的氣柱靜壓力近似直線分布，即,氣舉井內(nèi)的壓力及其分布,氣舉井生產(chǎn)時的壓力平衡式為,煤層氣井排采工藝,“三抽”設(shè)備：,抽油機,抽油桿,抽油泵,游粱式抽油機,無游粱式抽油機,常規(guī)型,前置型,異相型,大輪式,旋轉(zhuǎn)驢頭式,六桿式雙游粱型,寬帶式,增距式,鏈條式,煤層氣井排采工藝,井下部分,潛水電機、保護器、分離器 和多級離心泵,中間部分,地面部分,潛水電纜,控制屏和變壓器,潛水 電泵 供電 流程,地面電源,潛水電機,控制屏,變壓器,潛水電纜,潛水 電泵 抽油 工作 流程,分離器,單流閥,多級離心泵,井口,泄油閥,地面管線,煤層氣井的

14、排采設(shè)備選擇是保障煤層氣井長期、穩(wěn)定和連續(xù)排采的前提條件。 首先排采設(shè)備必須性能可靠，持久耐用，節(jié)能低耗，易于維修保養(yǎng)。 其次，要有從低排量到高排量較大范圍內(nèi)的排液能力與控制排液能力，還要有較強的和較靈敏的井口及產(chǎn)氣系統(tǒng)的壓力控制能力。 煤層氣井的排采設(shè)備可分為地面設(shè)備和井下設(shè)備 。,煤層氣井排采工藝,點火裝置,煤層氣井排采工藝,煤層氣井排采工藝,井口裝置： 井口裝置可選擇250型采油樹或采氣井口，并且要裝有防噴盒。,煤層氣井排采工藝,根據(jù)儲層埋深及相應(yīng)的井下泵掛深度選擇與之相適應(yīng)型號的抽油機。 由于目前國內(nèi)外煤層深度多在1200m以淺，選擇35型的抽油機較為適宜，并且配備與之相適應(yīng)的動力系統(tǒng)

15、，即可確保排采作業(yè)的正常運轉(zhuǎn)。 選擇抽油機的基本原則：在滿足泵深及產(chǎn)液量的基礎(chǔ)上，既要發(fā)揮抽油機的能力，又不致超負荷運轉(zhuǎn)。因此，光桿最大懸點載荷不允許超過抽油機額定懸點載荷，曲柄的最大扭矩不允許超過減速器的額定扭矩。 Wmax =0.700.95W Tmax = 0.600.95T W -光桿最大懸點載荷 Wmax-光桿額定懸點載荷 T、Tmax-曲柄最大扭矩和減速器的額定扭矩 如果Wmax0.70W，Tmax0.60T時，則應(yīng)選擇下一個級別型號的抽油機，以節(jié)省能耗，發(fā)揮抽油機的最大工作能力。,煤層氣井排采工藝,抽油機：,煤層氣井排采工藝,抽油機：,氣體流量計：氣體流量計是用來隨時測量儲層產(chǎn)氣

16、情況的重要儀器之一。計量表的類型多種多樣。通過實踐，采用渦輪式氣體流量計較為適宜，因為渦輪式氣體流量計具有精度高、耐壓、耐腐、直讀累計、價格低廉等優(yōu)點。 回 聲 儀：煤層氣井的排采對動液面的要求比較高，由于煤儲層的解吸壓力較低，幾十米甚至十幾米的深度誤差將對排采決策產(chǎn)生非常重要的影響。因此，回聲儀要求測量準確、精度高。要統(tǒng)一型號和誤差標準。對不同類型的回聲儀，在使用前要進行統(tǒng)一的深度標定。 示 功 儀：示功儀用來隨時監(jiān)測并診斷抽油機及井下泵的工作情況，以便使抽油機及井下泵工作達到最佳狀態(tài)。 水分析儀器：水分析儀器用來進行水中氯離子含量和PH值的測定。水分析儀器用來進行水中氯離子含量和PH值的測

17、定。及時檢測儲層水的各項離子含量變化和壓裂液的返排速率情況。 含 砂 儀：含砂儀用來對排出地面的地層水中的含砂量進行測定，以便及時了解儲層的出砂情況。,煤層氣井排采工藝,氣錨：煤層氣井排采是在氣、液兩相下進行的。在排采過程中，氣體是影響生產(chǎn)的主要問題之一，即降低泵效和產(chǎn)率。氣錨是在井下將水中的游離氣體直接分離進油管環(huán)空的必要措施之一。 砂錨：砂錨的主要作用是在液體進泵前分離隨儲層水而出的地層砂，防止抽油泵磨損，增加泵的使用年限，減少卡泵事故發(fā)生。,煤層氣井排采工藝,煤層氣井排采工作制度是指為適應(yīng)煤層氣儲層地質(zhì)特征和滿足生產(chǎn)需要時的產(chǎn)量和壓力應(yīng)遵循的關(guān)系。排采工作制度主要分以下幾種：,排采工作制度與排采控制 1） 定壓排采 2） 定產(chǎn)排采,煤層氣井排采工作制度,定壓排采工作制度與排采管理,煤層氣井排采工作制度,壓力管理 液面 產(chǎn)水量 產(chǎn)氣量 套管壓力,煤粉管理 連續(xù)性 可控