煤层气井两相流多参数探测技术

李 瑞,乌效鸣,李 炯,王生维,3,吴 川,梅永贵,张 峰

(1.中国地质大学(武汉)资源学院,湖北武汉 430074;2.中国地质大学(武汉)工程学院,湖北武汉 430074;3.国家能源煤与煤层气共采技术重点实验室,山西晋城 048204;4.华北油田山西煤层气分公司,山西晋城 048000)

煤层气井两相流多参数探测技术

李 瑞1,乌效鸣2,李 炯2,王生维1,3,吴 川2,梅永贵4,张 峰2

(1.中国地质大学(武汉)资源学院,湖北武汉 430074;2.中国地质大学(武汉)工程学院,湖北武汉 430074;3.国家能源煤与煤层气共采技术重点实验室,山西晋城 048204;4.华北油田山西煤层气分公司,山西晋城 048000)

为充分认识煤层气排采过程中井筒气水两相流参数变化特征及流动规律,研制了煤层气井流体参数监测仪。该监测仪可对煤层气垂直井下油套环形空间气水两相流体压力、温度、液位、流速、密度分布以及气泡形态进行实时监测,为预测井下流体参数变化特征,研究气藏及井筒气水两相流动规律提供实测值。从监测仪的原理与结构出发,建立了井筒两相流关键参数(密度分布、气泡形态、流速)的探测方法。基于此,煤层气井流体参数监测仪在煤层气/页岩气排采,智能调控排采工况方面具有应用前景。

煤层气垂直井;气水两相流;油套环空;流速;密度分布

煤层气成藏地质条件决定了煤层气井生产需要排水降压,在此过程中,地下水与煤层气是共同从井筒产出的。对于煤层气垂直井而言,正是通过监测并调控井筒油套环形空间内的气水两相流工况参数来实现煤层气排采管理的。井筒气水两相流探测与流动规律研究是煤层气井排采的关键科学难题[1-3]。

常规油气井下两相流问题,国内外开展了较多相关理论研究,但常规油气储层与煤层气藏地质条件及开采方式的巨大差异使得煤层气井气水两相流的研究不适宜使用常规油气井研究的方法[4-8]。尽管国内关于煤层气井气水两相流体参数预测理论研究开展了少量研究[9-11],但理论预测误差较大,计算冗杂,不适宜应用于煤层气井生产。监测硬件方面,国外煤层气定量化排采与自动调控设备和软件价格昂贵,且国外的技术也不完全适合国内复杂地质环境下的排采生产[12-14]。而当前国内对煤层气井下流体的监测也仅限于温度、液位以及井底压力,智能化控制抽采系统也还未付出实践[15-17]。

可见,受技术发展及我国煤层气勘探开发程度所限,井筒气水两相流探测与流动规律问题还没有得到有效解决,尤其是对井筒两相流体形态、密度分布以及井下各产气层流量的探测,国内鲜有报道,不能满足我国煤层气资源大规模勘探开发的需求。

中国地质大学(武汉)自主研发的煤层气井流体参数监测仪目的在于对煤层气垂直井下油套环形空间气液两相流体压力、温度、液位、流速、密度分布以及气泡形态进行实时监测,为制定或调整煤层气井排采工作制度提供实际资料。该装置主要优势与功能为:

(1)提供煤层气垂直井油套环空流体压力、温度、液位、流速、密度分布以及气泡形态;

(2)为研究气藏及井筒气水两相流动规律,预测井下流体参数特征提供实测值。

笔者介绍了监测仪的原理、结构以及井筒两相流关键参数(密度分布、气泡形态、流速)的探测方法,并提出了监测仪的应用前景。

1 煤层气垂直井下工程地质环境条件

与常规油气藏不同,煤层气绝大部分以吸附状态存在于煤储层中,生产上需要通过排水降压,才能将其采出。我国目前主要采用有杆泵、螺杆泵和电潜泵3种人工举升方式来进行油管排水、油套环空采气[18]。煤层气的产出大致经历3个阶段,依次是单相水流动、气水两相流动和单相气体流动[19-20]。煤层气井投产后,初期只产水,当煤储层压力下降至临界解吸压力以后,吸附态的煤层气不断从煤基质表面解吸出来,解吸气在浓度及压差作用下逐渐汇聚并沿孔—微裂隙运移至割理系统,而后经由大裂隙系统渗流至钻井井筒,在井筒油套环空形成气水两相流。气水两相流动阶段煤层气藏物性变化十分敏感,它决定着整个煤层气井的经济效益,是整个开采过程的关键产气期。

气体在井筒垂直上升时,流体形态在垂向上不断变化。煤层气井筒环空内上部为纯气段、下部为气水两相段,其中气水两相段又主要包括气泡段和普通液体段[9,21]。当前业界普遍采用的氮气测动液面出现较大误差正是由于高含气泡沫段的存在。随着环空内液位及含气率的变化,普通液体段则可能存在多种流体型态。煤层气藏气水两相流动反映了煤储层压力变化及导流裂缝可流动性。

2 煤层气井流体参数监测仪原理与结构

2.1 监测仪工作流程

煤层气井流体参数监测仪在井下安装探测短接及各类型传感器,通过电缆为井下探测短接供电并传输探测信号。井下流体压力、温度、流体冲击及气泡振动情况经数据传输电缆传输到地面,地面工控机通过Lab VIEW编写的软件将采集到的数据波形实时的进行显示、存储及回放。

监测仪安装的探测传感器包括压力传感器、温度传感器、靶式应变计和气泡传感器,各类型传感器配合实现对油套环空气水两相流实时监测的工作流程如图1所示。

图1 监测仪工作流程Fig.1 Workflow of fluid parameters detector

2.2 监测仪结构组成

监测仪按组成可分为井下探测部分、信号传输部分及地面工控部分。

2.2.1 井下探测部分

井下探测部分位于井下油套环空中,上、下与油管相接,上面安装了煤层气井流体多参数探测的各类型传感器及数据采集与转化电路,为防止元器件被套管挤压,短接上还设计了扶正器。井下探测部分是监测仪的核心部分。由于流体压力、流速、密度及流体型态等参数会在环空内气水两相流垂向上发生变化,因此短接数量及其与传感器类型的匹配可依据具体的煤层气井工程地质环境条件自行设计。井下短接结构及实物如图2所示。

图2 监测仪井下短接结构及实物Fig.2 Structure and actual object of underground measurement joint

2.2.2 信号传输部分

监测仪采用多芯铠装电缆既对井下探测短接进行供电,又同时将探测信号从井下传输至地面。电缆是连接井下探测部分与地面部分的桥梁。

2.2.3 地面工控部分

监测仪地面部分是由转换接口和单片机控制的数字化仪表组成,具有记录、计算、显示、存储等功能。根据人工设定的流体参数范围,地面人员可及时调控煤层气井抽油机、抽油泵等排采设备工况,从而将井底压力、气水流量、液位等流体参数控制在合理范围,有助于实现煤层气井的科学调控。

3 井筒气水两相流体关键参数的探测

对于井筒流体压力、温度的探测,利用压力传感器与温度传感器即可测定,国内这方面技术已经较为成熟,此处不再赘述。本监测仪探测的关键流体参数为密度分布、气泡形态以及流速。

3.1 流体密度分布与液位

在煤层气井筒两相流垂

向上间隔一定距离布置3个压力传感器,通过对这3个压力传感器的数据进行综合分析可以得出任意深度处流体的密度及井筒动液位。

随着两相流在垂向上含气率的变化,流体密度也逐渐变化。因此,不妨假设流体密度在两相流垂向上呈线性关系,即流体密度与深度之间的关系为

式中,ρ为流体密度,g/cm3;ρ0为待定常数,物理意义为液面处的流体密度;k为待定常数;H为压力传感器到液面的距离,m。

井筒流体压力为井口套压、纯气柱压力以及气水两相段压力三者之和[9],即

式中,p为井筒流体压力,MPa;pt为套压,MPa;pg为纯气柱压力,MPa;pm为气水两相段压力,MPa。

则井筒中距离液面H处的流体压力为

设最顶端压力传感器到液面的距离为H1,且3个压力传感器间距分别为h1,h2(图3)。则这3个压力传感器处的流体压力可分别表示为

图3 流体密度分布与液位探测示意Fig.3 Detection diagrammatic sketch of density distribution and fluid level

由此可知,在pt,pg,h1,h2已知的情况下,只要通过压力传感器分别测得所在位置的流体压力p1,p2, p3,联立式(4)～(6),利用数值分析方法,便可求得压力传感器到液面的距离H1与待定常数ρ0,k。

将ρ0,k代入式(1)可得出气水两相流垂向上的密度变化。由于压力传感器到地面的深度L已知,那么井筒液位则可表示为

式中,LF为液位,m。

3.2 气泡形态

监测仪采用气泡传感器实时监测井底两相流中气泡运动形态与特征。将气泡传感器安装在仪器短接表面,流体上涌时,气泡连续撞击气泡传感器后产生振动,其振动幅度、频率与气泡含量、大小具有一定的正相关性,而气泡传感器的振动情况又可通过其输出的电压信号处理后得到。振动信号通过电位计转换为电信号以后由电缆传输到地面工控机。图4[22]为两相流中两种不同气体流量条件下气泡传感器分别测得的100个电压值。经计算,较小排气量气泡冲击气泡传感器得到100个电压信号值,其方差为0.013,而较大排气量气泡冲击气泡传感器得到100个电压信号值,其方差为0.080。其波形对比较为明显。

图4 气泡振动波形[22]Fig.4 Vibration waveform of bubbles[22]

尽管气泡传感器的振动情况反映了井筒气泡含量、大小的变化,但并不意味着气泡传感器可以直接测定两相流气泡含量、大小等参数值,且不同的气泡传感器电信号输出也不完全一致。因此,现场应用前,需在实验室组装气水两相流发生装置,对不同气含率、不同气泡大小的流体进行设定与标定,找出气泡传感器输出电信号与气含率及大小的对应函数关系。

若在煤层气井筒垂向上安装多套监测仪短接,便可获知两相流气泡在垂向上的分布情况。这对于研究煤层气井筒流型与气含率具有重要意义。

3.3 流 速

在监测仪短接表面垂直流体运动方向安装靶式应变计,当流体经过靶式应变计的应变片时,应变片受到流体的作用力可分为3部分:① 流体对应变片的冲击力,即流体动压力;②应变片对流体的节流作用,在应变片上下产生静压差;③流体对应变片的黏滞摩擦力[23]。流体作用于应变片上的力主要决定于前两项,作用力可表示成如下形式:

式中,F为流体作用在应变片上的力,N;K为应变片的阻力系数,可由实验确定;A0为应变片迎流面积, cm2;v为流体平均流速,m/s。

由式(8)不难得出,流体平均流速为

由此可知,在被测流体的密度,应变片迎流面积已知的情况下,只要测出应变片受到的作用力,便可求出流体的流速。

应变片受力产生机械形变后电阻值发生变化,应变片的电阻变化与应变成正比例关系,即

式中,R为应变片原电阻值,Ω;ΔR为变形所引起的电阻变化,Ω;K′为比例常数(与应变片材料性质有关);ε为应变。

在应变片弹性变形范围内,受力与其应变为线性关系。应变片受力与电阻值变化关系由实验室进行标定。

井筒流体流速决定于流体压力、流体型态及产气量,在流体型态及流体压力已知的情况下,监测的流体流速可用于测算井筒气水各相流量。这方面工作还有待进一步探索。

4 应用前景探讨

基于对监测仪功能定位及当前我国非常规天然气勘探开发实际需要,笔者认为监测仪在以下几方面具有广阔应用前景。

(1)煤层气/页岩气开采。

我国煤层气开发区块发育多层主力煤层,合层排采井数量逐渐增多,但我国缺乏合层排采经验,尚未建立普遍接受的合层排采工作制度。了解煤层气井合层排采过程中各主力煤层产气、产水量有助于评价合层排采可行性,优化合层排采制度[24-25]。

在井筒上下各主力煤层附近分别安装监测仪,获得各主力煤层流体流速、气泡形态、流体压力等参数并结合地面流量计获得的总产气量,可分别获知各主力煤层产气贡献量。

同样作为非常规天然气的页岩气产出机理与排采方式与煤层气非常类似[26-27]。因此,该监测仪在页岩气开采中同样具有应用前景。

(2)智能调控排采工况,数字化管理排采井。

一方面监测仪可实时获取井下流体压力、温度、液位、流速、密度分布以及气泡形态,若将监测结果通过一定波频进行远距离传输,则地面排采人员可远程及时了解井下工况变化;另一方面监测结果自动反馈至人工举升系统,人工举升系统根据系统提前设定的流体参数范围,自动调节排采强度,从而将井底压力、液位、气水流量等流体参数控制在合理范围,有助于排采井的数字化排采管理。

5 结 论

(1)煤层气井流体参数监测仪主要功能为实时提供煤层气垂直井油套环空流体压力、温度、液位、流速、密度及气泡形态;为研究气藏及井筒气水两相流动规律,预测井下流体参数特征提供实测值。

(2)利用压力传感器、气泡传感器和靶式应变计可实现对煤层气井筒两相流关键参数(密度分布、气泡形态、流速)的探测。

(3)煤层气井流体参数监测仪在煤层气垂直井合层排采、智能调控排采强度以及页岩气开采等领域具有广阔的应用前景。

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Multi-parameter detection of two-phase fluid in coal-bed methane wells

LI Rui1,WU Xiao-ming2,LI Jiong2,WANG Sheng-wei1,3,WU Chuan2,MEI Yong-gui4,ZHANG Feng2

(1.Faculty of Earth Resources,China University of Geosciences(Wuhan),Wuhan 430074,China;2.Faculty of Engineering,China University of Geosciences (Wuhan),Wuhan 430074,China;3.State Energy Key Laboratory of Joint Exploitation of Coal and Coal-Bed Methane,Jincheng 048204,China;4.Shanxi CBM Subsidiary,Huabei Oilfield Company,Jincheng 048000,China)

In order to find out the variation characteristics and flow laws of two-phase fluid in coalbed methane(CBM) wells,the fluid parameters detector was developed,which had the functions to not only monitor the fluid pressure,temperature,fluid level,velocity,density distribution and bubbles forms of two-phase fluid,but also provide actual data to forecast the variations characteristics or show flow laws of two-phase fluid in coalbed methane wells.Based on the working principles and structures of the detector parts,the detection methods of the key two-phase fluid parameters including density distribution,bubbles forms and flow were established.Therefore,the detector can be applied in CBM and shale gas drainage,as well as in intelligent gas drainage.

CBM vertical well;gas-water two-phase fluid;tubing-casing annulus;flow velocity;density distribution

P618.11

A

0253-9993(2014)09-1862-06

2014-05-07 责任编辑:王婉洁

国家科技重大专项资助项目(2011ZX05034-002);山西省煤层气联合研究基金资助项目(2012012007)

李 瑞(1989—),男,河南鹤壁人,博士研究生。E-mail:ruilicug@163.com。通讯作者:王生维(1956—),男,内蒙古呼和浩特人,教授,博士生导师。E-mail:swwang@cug.edu.cn

李 瑞,乌效鸣,李 炯,等.煤层气井两相流多参数探测技术[J].煤炭学报,2014,39(9):1862-1867.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.8005

Li Rui,Wu Xiaoming,Li Jiong,et al.Multi-parameter detection of two-phase fluid in coal-bed methane wells[J].Journal of China Coal Society,2014,39(9):1862-1867.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.8005