煤矿区煤层气井甲烷漏失特征及漏失量模型

米百超，吕帅锋，王生维，3，陈永平，4，高 超

（1.山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西 晋城 048204；2.中国地质大学 资源学院，湖北 武汉 430074；3.煤与煤层气共采国家重点实验室，山西 晋城 048012；4.中石化西南石油工程有限公司，四川 成都 610041）

煤层气是以甲烷为主要成分的清洁能源，煤层气资源开发具有煤矿安全、能源利用和环境保护3大属性。我国煤层气产业已经初具规模，埋深2 000 m以浅煤层气资源量为30.05×1012m3，居世界第3 位，位于山西省的沁水盆地煤层气开发最为成功[1-5]。煤层气开发过程包括钻井、储层改造和排水采气等[6-8]。煤层气中甲烷含量一般大于96.5%，其吸收红外线的能力、温室效应和辐射效率分别是二氧化碳的26倍、22 倍和27 倍，在空气中的平均寿命高达8 年。大气中甲烷体积分数增加造成大气环流减弱，不利于固体颗粒物的流动，显著增加了温室效应和城市热岛效应。因此，甲烷逸散不仅浪费了清洁能源，也对环境有着严重的破坏[9]。另外，当空气中甲烷体积分数达到5%～16%时，遇明火会发生爆炸；环境中甲烷体积分数达到25%～30%时，可引起作业人员身体不适，比如头痛、乏力、心跳加速，甚至窒息死亡[10]。可见，煤层气井场中甲烷漏失条件下，甲烷体积分数达到临界值后，对井场设备和人员具有潜在的安全隐患。国内外学者对于天然气运输管道中气体泄漏的监测和防控方法开展了研究，但对于天然气生产井，尤其是煤层气排采井的甲烷逸散方式、位置、速率、逸散量等参数及其评价方法的研究甚少[10-14]。因此，揭示煤层气排采井甲烷逸散特征、建立甲烷逸散的预测模型对制定煤层气生产制度和预防甲烷泄露具有重要意义，对国家提出的力争2030 年前实现碳达峰、2060 年前实现碳中和的生态文明建设目标具有积极的促进作用。为此，以沁水县煤矿区的地面煤层气井为研究对象，现场测试和调查了204 口煤层气井的甲烷漏失情况和运行参数，根据多因素分析法[15-17]建立了适用于本区的甲烷漏失量模型，为煤层气井制定甲烷漏失的治理措施提供依据。

1 煤层气井甲烷漏失原理及测定方法

1.1 甲烷漏失原理

煤层气井完钻后，采用下入套管-固井-射孔-压裂的方式完井。压裂目的是在煤层中产生人工裂缝，提高煤储层的渗透性和改善气水流动通道。在套管中安装油管和排水泵，将井筒中的液体经过油管内排至地表。随着井底流压降低至煤层气解吸压力，吸附态煤层气开始解吸，并经扩散和渗流后沿着压裂裂缝和射孔孔眼进入套管，由于气水分异作用，煤层气进入套管和油管之间的环空并且向低压的井口处运移，从而进入输气管道被集输利用。然而，在流体携带作用下一部分甲烷窜入油管内，主要从地面位置的排水口直接逸散进入大气中。另外，由于抽油机带动抽油杆往复上升和下降，造成井口偏磨，密封器损伤，煤层气也会从井口位置溢出。因此，煤层气漏失直接原因为地层中甲烷气体发生窜气进入油管，加之井口密封质量差而发生甲烷漏失。经过理论分析和大量现场调研验证，煤层气井甲烷漏点位置主要为井口和抽油杆环空、出水口2 个位置，极少数煤层气井法兰连接部位也存在甲烷漏失的现象。煤层气井甲烷漏失原理示意图如图1。

图1 煤层气井甲烷漏失原理示意图Fig.1 Methane emission principle of coalbed methane well

1.2 测定方法

研究选取的煤层气井位于山西省沁水县的6 个煤层气工区，主要分布在沁河两侧。沁水县研究区煤层气井分布图如图2。

图2 沁水县研究区煤层气井分布图Fig.2 Distribution of CBM wells in Qinshui County

在煤层气井现场测定甲烷漏失参数。首先记录煤层气井位置、工艺流程、生产设备参数、产量、能耗等数据。利用防爆红外热像仪检测气体泄露情况，根据红外成像情况确定测点泄露位置。在井场无风情况下，利用手持红外测温仪测定漏点温度，借助吸入式甲烷气体检测仪测试甲烷的体积分数，利用叶轮风速计或热敏流量计测试气体的流速，同时获取测点的大气压力。甲烷漏失量计算公式如下：

式中：Q 为现场环境条件下甲烷漏失量，m3/h；q为测点气体流速，m/h；S 为漏点面积，m2；φ 为实测甲烷体积分数，%。

对于排水口液体和气体产出较大的煤层气井，利用气液分离装置配合集气袋测量气体流量，然后测得甲烷体积分数后获取甲烷漏失量。

由于受到环境条件下的温压影响，且煤层气产量是标准状况下的气体体积，因此根据物质守恒将实测甲烷漏失量转换为标况下的漏失量，即：

式中：Q0为标况下甲烷漏失量，m3/h；p 为现场实测大气压，kPa；T0为标况下温度，取273.15 K；p0为标况下大气压，取101.325 kPa；T 为现场实测温度，K。

联立式（1）和式（2），可得：

在实际测量中发现，由于抽油机等排采设备是在一定的冲次下周而复始的运行，测点处的甲烷体积分数也具有周期性变化。

煤层气井排出水口甲烷体积分数变化曲线如图3。在甲烷检测仪靠近测点后，随着甲烷气体被吸入仪器，仪接探触到甲烷后体积分数开始上升，在25 s之后，甲烷体积分数稳定在20%左右并有规律地上下波动，且波动周期约为12 s，这个波动周期和该井抽油机冲次（5 次/min）是一致的。当移开甲烷探测器之后，甲烷体积分数又下降到0。值得注意的是，由于甲烷在空气中扩散较快，加上周围风速影响，距甲烷漏失点约0.5 m 外，基本检测不出甲烷体积分数，因此井场中因甲烷漏失引起的安全风险较小。为了甲烷体积分数测定更加准确，排除甲烷不均衡漏失带来的误差，在计算时将甲烷体积分数曲线两端上升段和下降段截去，取中间时间段体积分数的平均值作为漏失甲烷体积分数。

图3 煤层气井排出水口甲烷体积分数变化曲线Fig.3 Variation curve of methane concentration at outlet of CBM well

2 结果及讨论

2.1 甲烷漏失特征

在所调查的204 口煤层气井中，井口甲烷漏失量在0～20 m3/d 之间，其中39%的煤层气井井口未检测到甲烷漏失现象，存在井口甲烷漏失且漏失量小于10 m3/d 的煤层气井数为116 口，占总井数的56%，因此1/2 以上的煤层气井存在井口甲烷漏失现象，但是漏失量普遍较低。不同部位甲烷漏失量的煤层气井占比如图4。不同甲烷漏失量与漏失率的煤层气井数统计图如图5。

图4 不同部位甲烷漏失量的煤层气井占比Fig.4 Proportion of CBM wells with methane emission in different parts

图5 不同甲烷漏失量与漏失率的煤层气井数统计图Fig.5 Statistics of CBM wells with different methane emission and emission rates

由图4、图5 可知，排水口甲烷漏失量在0～200 m3/d 之间，其中未检测到甲烷漏失现象的井占41%，存在漏失现象且漏失量小于10 m3/d 的煤层气井数为86 口，占总井数的41%，漏失量大于10 m3/d的煤层气井数为32 口，占总井数的18%。相比之下，排水口甲烷漏失量普遍高于井口部位，且漏失井数量占比也较大。总体而言，无漏失、漏失量在0～10 m3/d 之间和漏失量大于10 m3/d 的煤层气井甲分别占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。

为了表征井场甲烷漏失程度，定义煤层气井甲烷漏失率为甲烷漏失量占煤层气产气量的百分比。统计表明，52%的井甲烷漏失率小1%，26%的井甲烷漏失率在2%～10%之间，3%的井甲烷漏失率大于10%。平均漏失率为1.53%，对单井而言甲烷漏失率可能较小，假设煤层气井平均产气量为2 000 m3/d，那么漏失甲烷量达30 m3/d，每天漏失的甲烷足够1个家庭使用1 个月。因此，有效控制甲烷的漏失量能够切实提高资源利用率。

2.2 甲烷漏失的多种因素

为揭示甲烷漏失量与煤层气生产参数间的关系，找出主控因素，首先进行甲烷漏失量的单因素分析。理论上，井下甲烷气泡越多越密集，气泡进入吸水口的几率就越大，即产气量高甲烷漏失量越高；煤层气通过套管与油管环空输送到地表，套管压力与产气量往往具有正相关关系；由于抽油机和液流举升作用，液体排出量也直接影响甲烷漏失量。煤层气井甲烷漏失量单因素分析图如图6。

事实上，从图6 可知，所调查井的甲烷漏失量与日产气量、套管压力和日产气量并没有显著的线性关系。因此，对于运行的煤层气排采井，甲烷漏失量是由多种因素综合控制的，利用单因素法分析甲烷漏失量显然存在局限性。

图6 煤层气井甲烷漏失量单因素分析图Fig.6 Single factor analysis of methane emission in CBM wells

除了日产气量、套管压力、日产水量等因素外，泵吸水口距液面深度（埋没度）、冲次、井底流压等因素也会影响甲烷的漏失量。越靠近动液面水中气泡越多，泵吸入口距液面深度影响进入吸水口煤层气气体体积；抽油泵的冲次较大时，井中液流速度加快，液体易牵引气泡向下移动使得气体随液体更容易进入泵中；井底流压越大，流体与外界的压差也越大，在泵吸水口截面积不变的情况下，液体流速也会越快。

煤层气排采过程根据煤储层气水饱和度或者流体产出特征一般分单相水流、气液两相流和单向气流3 个阶段。其中，在单相水流阶段，也是排水初期，储层压力还未降至临界解吸压力，煤储层中的吸附态煤层气还未解吸，煤层气井只排水并不产气，或者只有及少量的游离气产出，此时甲烷漏失缺少物质来源，该阶段所检测的煤层气井的甲烷漏失量也大多为0，实际中仅有1 口井发生甲烷漏失现象，可忽略不计，故该阶段甲烷漏失函数关系为常数，即Q0=0。

在气液两相流阶段，套管压力开始出现，液面稳定下降，泵吸水口保持在液面以下，此时井底甲烷气体以气泡形式窜流进入油管，该阶段井底流压为套管压力与静液柱压力之和。以泵吸水口于动液面下深度X1、井底流压X2、冲次X3、日产水量X4和日产气量X55 个因素为自变量，利用SPSS 软件通过多元线性回归，得出气液两相流阶段甲烷漏失量模型：

该模型回归方程显著性为0.4，比单因素分析的拟合度明显提高。函数关系中自变量X1、X2、X3、X4、X5的标准化回归系数分别为-0.47、0.62、0.19、-0.14、0.19。可见甲烷漏失量与井底流压、冲次、日产气量呈正相关，这3 个因素对井底甲烷气体进入油管上升至地面有促进作用，其中井底流压的标准化回归系数为0.62，占得权重最大，表明井底流压对气液两相流阶段甲烷漏失影响最大，其次是冲次和日气流量。抽水泵埋没度和日产水量的标准化回归系数分别为-0.47 和-0.14，故甲烷漏失量与这2 个因素呈负相关，泵吸水口于液面下深度越大，甲烷气泡运移的距离也越长，故甲烷漏失速率越慢，漏失量越小。

进入单相气流阶段后，压降漏斗扩大至极限，液面降低至煤储层埋深位置，部分时间煤层暴露在液面之上，产水量极少，煤层气主要以单相气流形式在套压作用下自由进入井筒，该阶段由于静液柱压力极小，套管压力近似等于井底流压。故选择日产水量、冲次、日产气量和套管压力为自变量，通过多元线性回归，获取单相气流阶段甲烷漏失量模型：

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

该模型回归方程显著性为0.4，函数关系中自变量X1、X2、X3、X4的标准化回归系数分别为-0.21、-0.08、0.12、0.62。方程中甲烷漏失量与日产气量和套管压力呈正相关，这2 个因素对甲烷漏失有促进效果，其中套管压力的标准化回归系数为0.62，所占权重最大，说明该阶段套压对井底甲烷进入油管的影响最大。甲烷漏失量与冲次、产水量呈负相关，尽管该阶段产水量极少，但是井筒中的液柱在一定程度上阻止甲烷气流上升至地面，而冲次越大，对已经通过泵吸水口进入油管中的甲烷气流具有扰动作用，反而不利于甲烷气进入油管运移至地面。因此，在煤层气井排采过程中不同阶段，各运行参数对甲烷漏失量的影响具有较大差异性。

2.3 实例验证

选取了5 口气液两相流阶段的煤层气排采井作为对照井。煤层气井甲烷漏失量实测值与预测计算值对比如图7。

图7 煤层气井甲烷漏失量实测值与预测计算值对比Fig.7 Comparison of measured and predicted methane emission in CBM wells

实测YZ-1 井、YZ-2 井、YZ-3 井、YZ-4 井和YZ-5 井的甲烷漏失量分别为3.05、4.48、3.75、6.88、16.37 m3/d，利用模型获得的甲烷漏失量计算值分别为5.54、4.03、3.68、4.67、5.24 m3/d。实测值与预测计算值相比，相对误差为0.93%～81.96%，绝对误差为0.07～11.13 m3/d，其中，4 口井的绝对误差小雨2.5 m3/d。在前期调研的204 口煤层气井中，甲烷漏失量为0～2.5 m3/d 区间的井数占比为6.37%，因此对于大多数井本预测模型具有较高的准确度。

3 结 语

1）沁水县煤矿区煤层气排采过程中井场的甲烷漏失现象较为普遍，其中井口与排水口是甲烷漏失的2 个主要部位。在所调查的204 口煤层气井中，甲烷无漏失、漏失量在0～10 m3/d 之间和漏失量大于10 m3/d 的煤层气井甲分别占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。整体上，甲烷漏失量占生产井产量的1.53%。

2）煤层气井排采过程中，单相水流阶段甲烷漏失量几乎为0，气液两相流阶段甲烷漏失量与与井底流压、冲次、日产气量呈正相关，与抽水泵埋没度和日产水量呈负相关，其中井底流压和泵埋没度对甲烷漏失量的影响最大。在单相气流阶段，甲烷漏失量与日产气量和套管压力呈正相关，与冲次、日产水量呈负相关，其中套管压力和日产水量对甲烷漏失的影响最大。

3）煤层气井甲烷漏失不仅造成了产气量的损失，降低了经济效益，而且增加了井场安全隐患，还提高了温室效应，不利于环境保护。根据甲烷漏失量主控因素模型，对症下药，采取控制压降速率、安装井底气锚、减小井口抽油杆磨损、在井口和出水口安装集气装置等措施，积极预防和治理甲烷漏失现象。