焦坪矿区煤层气排采关键技术探讨

万志杰

(中煤科工集团西安研究院，陕西 710054)

1 关键技术

焦坪矿区煤层气排采系统的关键技术主要包括排采设备选型和排采工艺。

2 排采设备选型

2.1 排采设备的组成

排采设备包括地面设备和井下设备。地面设备主要有井口装置、抽油机、阀门、气水分离器、管线及电子直读压力计地面仪;井下设备主要由抽油泵、生产油管、抽油杆系统、直读式电子压力计和柱塞等组成。煤层气井的排采设备选择是保障煤层气井长期、稳定和连续生产的关键。

JPC－01井地面设备包括:①井口装置:选择250型采气井口，并装有防喷盒。②抽油机:选择5CYJ－1.8－13HF型抽油机，并配备与之相适应的动力系统。③阀门:气、水管线分别安装气、水阀门。④管线:排采的产气系统和排液系统管线均采用D73mm油管，并配备弯头、三通、四通等配件。井下设备包括油管、抽油杆、泵、筛管、沉砂管等。其结构如下:①管柱结构:φ73mm外加厚油管+φ44mm管式泵+φ73mm平式油管+φ73mm筛管+SEPT电子压力计 +φ73mm平式油管 +φ73mm丝堵。②抽油杆结构:φ25mm光杆 +φ19mm抽油杆短节+φ19mm抽油杆+φ44mm活塞。

2.2 排采设备选择的关键技术

垂直煤层气井排采设备选型关键在于抽油机和泵的选择，结合焦坪矿区煤层气生产井的产水情况，该地区实际日产水量最高25m3左右，排采2年后日产水量也在5m3左右。本次抽油机选择的型号是5CYJ－1.8－13HF，其额定悬点载荷达到了50KN，冲程达到了1.8m，在实际生产中，由于井深只有628m，井下负载不到30KN，冲程也一直采用1.5m。从节约成本的角度出发，建议在该地区以后的开发中，采用4型抽油机。

另外，通过修井作业所反应出的情况，联系日常排采中所出现的问题，可以发现管壁磨损和吐砂(煤粉)是目前影响排采效果的主要问题，因此，在制定排采制度时，建议排采中冲次不应调的过高，应结合抽油机情况，适当调大抽油机冲程而相对调小冲次，通过大冲程+小冲次的组合，以减少管壁过度磨损和煤层吐砂 (煤粉)。

3 排采工艺

3.1 排水产气原理

煤层气主要以吸附状态存在于煤基质的微孔隙中，煤储层压力必须低于气体的临界解吸压力，煤层气才能解吸出来，在实际生产中是通过排水降压来实现采气目的的。

在原始地层条件下，煤层孔隙、裂隙中的流体处于一种相对稳定的平衡状态。当钻开煤层后，引起煤储层原地应力重新分布，特别是完井作业和排水采气生产，对煤层应力的改变和影响是长期的重要的因素。煤储层中的甲烷气体主要以物理吸附状态储存于煤岩之中，连续不断的排水将使煤储层中的压力持续下降，当煤储层的孔隙、裂隙中的流体压力低于煤储层的临界解吸压力时，煤层气便从煤岩表面解吸出来，解吸出的气体在压力差和浓度差的双重作用下扩散、运移、渗流到大的裂隙或裸眼井眼中，最终通过井筒采出地面 (图1)。

图1 煤层气井产气机理图

JPC－01井实测含气量、等温吸附曲线计算的临界解吸压力 3#煤层为 1.75MPa，4-2#煤层为1.06MPa，通过排采数据分析，3#煤层临界解吸压力约2MPa，4-2#煤层临界解吸压力约1.6MPa，临界解吸压力测试数据偏大，可能与现行的测试手段及计算模型有关。其它一些煤层气试验井的排采资料表明，气井的实际临界解吸压力一般都要高于等温吸附曲线所计算的值。如樊庄北TL003井的实际临界解吸压力比计算的高0.7MPa，铁法DT-3井液面降到85m就开始产气，上煤组深度为532m，实际临界解吸压力为4.47MPa，比计算的临界解吸压力高得多。

3.2 煤层气生产规律

一般煤层气井在刚开始排采阶段主要以产水为主，水中会有少量的溶解气;随着排采的不断进行，由于流体冲洗作用的结果，会有更多的溶解气产出，但是，这不是解吸气;一旦煤储层的压力降到临界解吸压力，近井眼区域的煤层气就会开始解吸，由于该区域的煤层渗透率比较高，煤层的压降传递的速度比较快，所以，煤层解吸的气量比较多，现场生产表现为环空压力上升的比较快 (出现第一产气高峰);随着排采的继续进行，煤层的压力降不断向煤层的深部传递，由于煤层深部的渗透率越远越低，压力降传递的速度逐渐变慢，煤层气的解吸速度也会变慢，如果产气速度不变，就会出现供不应采的现象 (出现产气低谷);坚持继续排采降压，煤层内的压降面积会进一步扩展，煤层的供气面积和供气量也会随之增加，煤层气井的产气量又会逐渐上升，缓慢地达到一个高峰期 (出现第二产气高峰);当煤层解吸的气与地面生产的气达到一个动态平衡时，煤层气井的产气量将会有一个相对稳定期;再继续排采下去，煤层气井的供气距离到了有效边界，整个控制区域的煤层压力全面下降，整个煤层解吸的气量开始逐渐减少，气井的产气量也会跟着下降，直到煤层气生产枯竭为止。

3.3 排采管理

煤层气井排采主要有两种工作制度，一种是定压排采，另一种是定产排采。通常对储层压力较低的煤层，为防止激动储层颗粒，避免吐砂吐煤粉，一般采用定压排采。JPC-01井采用这种方式，井底压力的控制以少吐砂、少吐粉为判别原则。

JPC-01井煤层气井排采包括如下四个阶段:排水降压阶段、产气初期阶段、产气高峰阶段及产气相对稳定阶段。

第一阶段:排水降压阶段。为防止煤层出砂、出煤粉，实现平稳降液面的目的，确定的排采原则为:排采初期，关闭套管阀门，同时要监测环空液面，冲次调整循序渐近，单日冲次调整控制在0.5次/min之内，日产水量控制在25m3/d之内，降液速度控制在10m/d之内。这一阶段时间尽可能长一些，其目的是保持压裂后形成一个稳定的高导流能力的裂缝。如果套管出现高真空，应暂时打开套管阀门，使压力趋于平衡。

第二阶段:产气初期阶段。在这一阶段，随着排水，首先表现出一部分游离气和溶解气产出，过一段时间后，环空液面降低，吸附气开始解吸。当储层压力接近解吸压力时要特别注意，这时易产生一个突变，一般表现为气产量突然增大，套压增大，有时气会将环空水带出，造成环空液面突然下降。这一突变，对于比较疏松的煤层，极易出大量的煤粉，可能造成填砂裂缝的堵塞;对于较软的煤层，可能由于储层孔隙压力突然降低，造成割理关闭，从而影响煤层渗透性。正确做法是当接近解吸压力时，适当放慢降液速度，控制套压，并使储层压力仍然缓慢下降。

第三阶段:产气高峰阶段。在这一阶段，由于液面降低，有效应力增加，导致割理间隙减小，孔隙度降低，渗透率减小。当吸附气开始解吸后，煤层割理收缩，孔渗性增加，继续降低流压，有利于弥补地应力造成的割理闭合。在这一阶段主要通过控制环空液面来控制井底流压。可用套管针形阀或较小油嘴控制开始产气。由于继续排水，液面缓慢下降，同时逐步加大油嘴使套压降低，减小套压利于储层中更多的水进入井筒并疏干井筒附近的水，目的是在环空液面降低到泵的吸入口后，地面压力长期保持在正常工作的范围。

第四阶段:产气相对稳定阶段。在这一阶段，保持液面，控制套压，并使井底流压相对稳定。

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