煤層氣開發(fā)的工藝技術(shù)

1、精品文檔 歡迎下載精品文檔 歡迎下載 。第十一章煤層氣的勘探開發(fā)技術(shù)煤層氣開發(fā)的成敗，關(guān)鍵在于采取一整套與煤儲層物性相適應(yīng)的鉆井、完井、壓裂、排采等技術(shù)措施。第一節(jié)鉆采工藝技術(shù)開采煤層氣常用的有三種布井方式，即針對煤層的垂直鉆井、水平鉆井和針對采空區(qū)的鉆井。垂直井是從地面打鉆穿過煤層進行采氣，是目前主要的鉆井方式（圖 11-1 ）。這種開采方式產(chǎn)氣量大、資源回 收率高、機動性強，可形成規(guī)模效益。但它要求有利的地形條件、厚度較大、滲透性較好的煤層或煤層群。水平井有兩種：一種是從巷道打的水平抽放瓦斯井；另一種是從地面先打直井再造斜，沿煤層鉆水平井（排泄井或稱叢式井）（圖11-2）,在煤層內(nèi)打若干水

2、平分枝時，又稱為分枝水平井或羽狀水平井（圖 11-3）。水平鉆井的 方向與面割理方向垂直，適于厚度大于1.5m的厚煤層，成本較高。采空區(qū)鉆井：從采空區(qū)上方由地面鉆井到煤層上方或穿過煤層（圖 11-2）采空區(qū)。采空區(qū)頂板因巷道支柱前移 而坍塌，產(chǎn)生新的裂縫使瓦斯從井中涌出。如果采空區(qū)頂部還有煤層并成為采空區(qū)的一部分，瓦斯涌出量更大。產(chǎn) 出氣體中混有空氣，熱值降低。由于產(chǎn)出氣中含氧高，不宜管道輸送，產(chǎn)量下降較快的井宜就地利用。圖11-1煤層甲烷井類型圖圖11-2排泄孔鉆井工藝圖、鉆井類型分類按煤層層數(shù)分類：根據(jù)一口井開采的煤層層數(shù)分為單煤層井 和多煤層井。單煤層井井筒只與一個煤層連通，多煤層井井筒

3、與 多個煤層連通。根據(jù)埋深分類：淺層氣井井深大于 300m, 一般200300m以 上屬甲烷風(fēng)化帶，不利于煤層氣保存；深層氣井井深大于1500m,1500m以下煤層埋深大，成本高。目前煤層氣最深的井有 2438s一般井深為3001500m。按井網(wǎng)的位置分類：有邊緣井和內(nèi)部井兩種。圖11-3我國第一口水平井實鉆井眼軌跡三維圖根據(jù)鉆井類別分類：有資料井（取心井）、試驗井（組）、生產(chǎn)井和檢測井四種。資料井主要通過鉆區(qū)探井取準煤心作含氣量等參數(shù)測試、試氣，并用單項注入法求取煤層滲透率。試驗井（組）是通過井（組）降壓試采，評價工業(yè)性開采價值。開發(fā)過程中以采氣為目的的井稱生產(chǎn)井。監(jiān)測井主要用于生產(chǎn)過程中壓

4、力監(jiān)測。二、鉆井工藝煤層氣井類型和鉆井工藝的選擇取決于煤儲層的埋深、厚度、力學(xué)強度、壓力及地層組合類型、井壁穩(wěn)定性等地質(zhì)條件。1、鉆機類型淺煤層鉆井一般采用旋轉(zhuǎn)或沖擊鉆鉆井，用空氣、 水霧、 泡沫液做循環(huán)介質(zhì)，也可以使用輕便自行式液壓鉆機、頂部驅(qū)動鉆機和小型車載鉆機或普通鉆機，宜采用非泥漿體系循環(huán)介質(zhì)。淺煤層區(qū)地層壓力低，不必采用泥漿控制壓力，采用空氣鉆井，鉆速高，基本費用低，在欠平衡和極欠平衡方式下鉆進，對地層傷害小，采用空氣鉆進和泥漿鉆進相結(jié)合的方法，即先利用空氣鉆井液直至泥漿貯備池裝滿采出水，再改用采出的水做鉆井液到貯備池排空，如此交替直到完鉆。深煤層區(qū)一般采用常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆機。由于地層壓力

5、高，不能采用空氣鉆井技術(shù)。如美國西部含煤盆地的某些層段壓力超高，具井噴危險，所以在大多數(shù)情況下，采用泥漿系列，利用泥漿密度控制可能發(fā)生的水涌和氣涌。還可在預(yù)測煤層深度范圍內(nèi)，放慢鉆速，發(fā)現(xiàn)鉆井異常立即停鉆，上提鉆具，用小排量循環(huán)；進行煤層取心時，采用低鉆、低轉(zhuǎn)速和低泵壓。鉆厚煤層時，采取每鉆進0.30.6m 上提一次鉆具，進行多次循環(huán)等措施，及時防止和解決鉆井過程中常遇到的煤層坍塌、嚴重擴徑、卡鉆和出水。2、欠平衡鉆井技術(shù)在鉆井過程中，利用自然條件和人工方法在可控條件下使鉆井流體的壓力低于要鉆地層的壓力，在井筒內(nèi)形成負壓。這一鉆井過程和工藝叫做欠平衡鉆井。欠平衡鉆井是繼水平井之后又一鉆井新技術(shù)

6、革命，欠平衡鉆井在提高勘探開發(fā)水平，降低鉆井成本，保護儲層等多方面都有其自身的優(yōu)勢，其主要特點如下：1）減少地層傷害欠平衡鉆井過程中，驅(qū)使鉆井液中的固相和液相進入產(chǎn)層的正壓差消除了，因此，減少了固相和液相侵入產(chǎn)層近井地帶造成的地層傷害，從而提高了裸眼測井解釋的準確性。欠平衡鉆井可以采用氣基流體（必要時還可以對氣體進行脫水、干燥），使工作液極少失水或不失水而無傷害或低傷害地打開儲層。2）提高鉆速欠平衡鉆井井筒液柱壓力的降低，使得井底正在被鉆的巖石更容易破碎，也有助于減少“壓持作用”，使鉆頭繼續(xù)切削新巖石而不是碾壓已破碎的巖屑，從而提高了機械鉆速。3）延長鉆頭壽命欠平衡鉆井時，消除了過平衡鉆井時的

7、井底壓力效應(yīng)，降低了井底巖石的強度，并有利于井底清洗，理所當然地提高了鉆井效率，在鉆頭達到臨界磨損之前，鉆井進尺更多。4）避免井漏井漏可能大大增加鉆井工程的成本，若鉆井液漏進儲層裂縫就增加了額外的鉆井液成本，同時堵漏費工、費錢，且漏失的鉆井液會造成嚴重的地層傷害。欠平衡鉆井可以減小或避免井漏問題，對于復(fù)雜地質(zhì)條件下的儲層，漏、噴、塌、卡均可能同時發(fā)生，欠平衡鉆井技術(shù)是對付這類儲層的有效技術(shù)。5）減少壓差卡鉆常規(guī)鉆井中，在過平衡壓差的驅(qū)動下，在井壁上，濾液進入高滲地層，而固相顆粒則形成了濾餅。若鉆柱嵌入泥餅，井筒與泥餅內(nèi)液體的壓差作用，使鉆柱要運動的軸向力可能超過其抗拉強度，造成壓差卡鉆。而欠平

8、衡鉆井時，井壁上沒有泥餅和壓差力“粘住”鉆柱。6）改善地層評價欠平衡鉆井可以改善對產(chǎn)層的評價，甚至可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)層而常規(guī)鉆井時可能被錯過。欠平衡鉆井時，地層流體從 裸眼井段的地層進入井筒，只要所鉆地層具有一定的驅(qū)動力和滲透性，鉆井液中的氣含量會增大并隨鉆井液到達地 面。在鉆井時，用適當?shù)臏y井工具和鉆井記錄，就能指示產(chǎn)層的潛在能力。煤層氣鉆井的另一個重要特點是要求在每口井的最低開采層段以下打一個大的“井底口袋”，“井底口袋”直徑約為20cm,深度一般在3060m之間，用于安置人工舉升設(shè)備，加速排水，降低井底壓力至煤層吸附氣解析產(chǎn)出 的臨界點。此處便于聚集回流到井筒中的煤粉等碎屑物質(zhì)。圖11-4煤層甲

9、烷井完井類型圖二、完井煤層氣井完井有三種基本方式，即裸眼完井、套管完井、混合完井（或稱裸眼 /套管完井，圖11-4）。 此外，還有針對深部低滲煤層的水平排孔襯管完井。1、裸眼完井裸眼完井是鉆到煤層上方地層，下套管固井，再鉆開生產(chǎn)層段的煤層，產(chǎn)氣煤層保持裸眼（圖11-4）,這種完井方式是煤層氣井中費用最低的一種。但增產(chǎn)作業(yè)時，井控條件降低，煤層坍塌會導(dǎo)致事故。此種完井方式一般用 于單煤層井。裸眼完井早期煤層段直接采用裸眼或礫石充填或篩管，現(xiàn)發(fā)展為裸眼洞穴完井，即人為地在裸眼段煤層部分造成一個大洞穴。此種方式適用于高壓高滲地層，缺點是井眼穩(wěn)定性差，風(fēng)險性比套管完井大。其優(yōu)點是：1）消除了鉆井污染和

10、水泥對煤層的侵入；2）造成的大洞穴使洞穴直徑5倍左右的地應(yīng)力降低，擴大了煤層的暴露面積，提高了自然裂隙的滲透率；4）節(jié)約部分下套管和固井費用，免去了射孔或割縫作業(yè)。其缺點是：1）易出現(xiàn)地層坍塌，井筒極度充填；2）隔離地層控制困難；3）不易解決生產(chǎn)井段地層出水問題；4）風(fēng)險性大，后期井筒維護及修井作業(yè)費用難以預(yù)測。2、套管完井套管完井是對煤層上方地層和產(chǎn)氣煤層均下套管，然后在產(chǎn)氣煤層處射孔或割縫（圖11-4）的一種完井方式。其優(yōu)點是1）保持井筒穩(wěn)定性，減少了修井作業(yè)和管理費用；2）利于隔離煤層，允許對多煤層進行選擇性完井；3）確保強化生產(chǎn)時對氣井的控制；4）解決了生產(chǎn)井段的出水問題，降低了煤粉的

11、產(chǎn)量。其缺點是： 1）注水泥作業(yè)時，由煤壓裂引起水泥侵入會造成煤層污染；2）由于強化期間煤粉的磨蝕或由于生產(chǎn)過程中套管外圍煤粉的運動，造成地層進入點（射孔或割縫）的堵塞；3）增加了套管和固井費用；4）需要射孔或割縫作業(yè)。目前正在使用一種特殊的工藝，即在注水泥時，當水泥達到生產(chǎn)層時，封隔器將水泥擠入井內(nèi)，然后，在非生產(chǎn)層處又將水泥擠到套管 以外。這種方法使水泥不和煤層接觸，避免水泥滲人煤層。套管尺寸須適應(yīng)生產(chǎn)井氣、水產(chǎn)量的需要，根據(jù)預(yù)測氣、水產(chǎn)出量，選用抽水設(shè)備，再決定套管尺寸。3、混合完井混合完井即裸眼完井與套管完井方式在同一口井中使用。依地層條件而定，一般用于多煤層，最深部煤層采用 裸眼完井

12、，上部煤層均采用套管完井。該方法綜合了裸眼完井與套管完井的特點，保證有一煤層不受水泥污染，且 減少部分套管、水泥和射孔或割縫費用。4、水平排孔襯管完井水平排孔襯管完井適用于深層低滲厚煤層，一般適用于厚1.52m以上的煤層。其優(yōu)點是能夠提供與煤層的最大接觸面積，尤其是各向異性煤層，有利于提高產(chǎn)量，促進煤層氣解吸采出，提高總脫附氣量和采收率。缺點是在鉆 井完井過程中易發(fā)生裂隙系統(tǒng)堵塞、閉合等現(xiàn)象，傷害煤層滲透率。第二節(jié) 煤層氣的開采技術(shù)一、地面排水降壓開發(fā)煤層氣1、洗井洗井是在完井之后或在壓裂前進行。目的是清洗完井后留在井筒的各種碎屑物，如煤粉、泥巖和頁巖等巖屑、殘留水泥等，以避免這些碎屑物對地層

13、造成的傷害。洗井方法包括清水洗井和高速氣流洗井。清水洗井分正洗與反洗。高速氣流洗井通常用空氣或氮氣，也有正洗與反洗之分。2、排水采氣工藝技術(shù)煤層氣排水采氣要求：排液速度快，不怕井間干擾；降低井底流壓，排水設(shè)備的吸液口一般都要求下到煤層以下； 要求有可靠的防煤屑、煤粉危害的措施。目前開采煤層氣排水的方法有：游梁式有桿泵、電潛泵、螺桿泵、氣舉、水力噴射泵、泡沫法、優(yōu)選管柱法等。1）有桿泵有桿泵在各種深度和排量下都能有效工作，適應(yīng)性強，操作簡單，幾乎不需保養(yǎng)。它需要天然氣發(fā)動機或電動機作動力，來帶動抽油機驅(qū)動的活塞泵抽水，水由油管排出，氣靠自身能量由油套環(huán)形空間排出井筒。如果氣壓很低，進不了集輸流程

14、，就要考慮用真空泵和壓縮機來抽吸和增壓輸送。2）電潛泵排水采氣它需要有高壓電源供電至井下電動機，由井下電動機帶動井下離心泵，將煤層水抽入油管而排至地面。甲烷氣也是靠自身能量由油套環(huán)形空間排出井筒。3）氣舉排水采氣可分為氣舉凡爾法和柱塞法。氣舉凡爾法是用高壓氣源向井內(nèi)注氣，以氣混水將井內(nèi)的水及甲烷排出井筒至地面。氣舉管柱有單管（開式、半閉式、封閉式）、雙管并列式、雙管同心式三種結(jié)構(gòu)。柱塞氣舉需要靠氣井自身能量，亦可靠注入氣補充能量來推舉油管內(nèi)的柱塞，將柱塞以上的液體排到地面。4）螺桿泵排水采氣按驅(qū)動方法分為地面驅(qū)動和井下驅(qū)動。地面驅(qū)動螺桿泵需要電動機來轉(zhuǎn)動抽液桿，從而使螺桿泵工作，將井內(nèi)液體排到

15、地面，而甲烷氣由油套環(huán)形空間排出井筒。5）水力噴射泵排水采氣它需要有高壓大排量泵向井內(nèi)注入清水循環(huán)，經(jīng)過噴嘴產(chǎn)生抽汲作用，將地層流體混入清水而帶至地面。6）優(yōu)選管柱排水采氣根據(jù)氣井產(chǎn)氣能力，利用儲層自身能量，優(yōu)選合適的排水采氣油管直徑，使氣流速度達到帶水的要求。3、煤層氣開發(fā)地面設(shè)備煤層氣井一般是在較低的井底壓力條件下采氣。在完成人工舉升排水之后，還需要一整套地面設(shè)備，包括氣、水分離設(shè)備和集氣增壓設(shè)施等。從井中采出的氣體到達地面后，壓力一般不足1.5 大氣壓，需要采取低壓采集、脫水、高壓輸送方式才能將氣體送到用戶。低壓采集系統(tǒng)一般包括一個脫水分離器，一個壓力控制器，一個水蒸氣分離器，一個裝有標

16、準壓力補償器的渦輪流量計，一個泄壓安全閥（圖 11-5） 。 該系統(tǒng)將低壓氣體輸送到中央增壓壓縮站，將壓力增至2.03.4MPa（ 圖 11-6） 。被壓縮的氣體經(jīng)過脫水器后，氣體中的蒸氣含量降低，獲得的干燥氣體通過輸氣管線供給用戶。美國煤層氣田使用的壓縮機主要有兩種：一種是旋轉(zhuǎn)式壓縮機，另一種是三級往復(fù)式壓縮機。旋轉(zhuǎn)式 壓縮機利用螺旋葉片在管線中旋轉(zhuǎn)、壓縮和推進氣體。 其優(yōu)點是體積小，操作保養(yǎng)簡單，壓縮氣量大；缺點 是壓縮壓力較低，壓力脈動范圍較窄。往復(fù)式壓縮機 由一個活塞和一個氣缸組成，優(yōu)點是壓縮壓力高，壓 力脈動范圍大，能適應(yīng)壓能波動。黑勇士盆地采用這 種壓縮機應(yīng)用效果良好。在美國的黑勇

17、士和圣胡安盆地一般以20 口井為一組，配備一套地面加壓設(shè)備和相應(yīng)的管路，用以供氣。隨著美國煤層氣開發(fā)活動的不斷擴大，煤層吸附氣產(chǎn)量不斷 提高，煤層氣開采配套技術(shù)更加迅速得到發(fā)展和完善，煤層氣井 開始實現(xiàn)遙控和連片自動化操作運行。1987年以來，美國 Burlington 資源公司的子公司Meridian石油公司一直致力于圣胡安盆地的煤層吸附氣開采自動 化，并取得了重大成果。這套生產(chǎn)自動化系統(tǒng)由遙控器、中繼線系統(tǒng)、計算機監(jiān)控三 大部分組成。遙控器具有遙控、數(shù)據(jù)采集、綜合、計算、報警和 通迅等功能。中繼線系統(tǒng)起通訊作用，可為多個用戶提供作用。通過中繼線系統(tǒng)，可提供生產(chǎn)井和地面 氣水處理裝置的大量信

18、息和需要實時修正的作業(yè)參數(shù)。計算機監(jiān) 控包括一臺主操作計算機，一套應(yīng)用軟件和個人計算機兼容工作 11-6 氣體壓縮站圖站。主操作計算機是現(xiàn)場自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理中心，提供報告，觀察各個井場，利用鍵盤向各個遙控操作器發(fā)出指令等等。煤層氣井實現(xiàn)生產(chǎn)自動化的優(yōu)點很多，特別是在高臺深谷、氣候惡劣的圣胡安盆地更顯示出優(yōu)越性，能大大節(jié)省人力、物力、財力，改善井的管理條件和質(zhì)量等等。然而最令人感興趣的是，它可以對天然氣生產(chǎn) 系統(tǒng)的任何故障作出判斷，并迅速作出反應(yīng)，如：一旦集輸系統(tǒng)壓力增大，遙控器通過接收壓力傳感器檢測到這一 情況后，立即自動從控制該井流量變換到控制集輸系統(tǒng)的壓力，這對于煤層氣井正常生產(chǎn)

19、極為重要，可保護集輸系統(tǒng)免于突然燃燒。據(jù)測算，由于處理不及時引發(fā)的突然燃燒的天然氣量每小時可高達1萬美元，而實施了這種自動化系統(tǒng)消除了氣體的突然燃燒。4、排水采氣方法的優(yōu)化選擇為了使煤層氣開采獲得較高的經(jīng)濟效益，應(yīng)根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件，預(yù)測產(chǎn)水量，然后優(yōu)化選擇排水采氣方法及其設(shè)備。選擇要求：氣井的產(chǎn)水量變化大，早期會產(chǎn)出大量的水，往后產(chǎn)水量相對減少，甚至很小，所選用的排水采氣方法應(yīng)兼顧前后期變化，適用范圍較大；必須滿足在最小井底壓力下采出最大水量的要求，以保證在盡可能短的時間里，將儲層壓力降到解吸壓力以下，使氣井盡早產(chǎn)氣；提高采收率，降低煤層氣生產(chǎn)成本。5、無水產(chǎn)氣方法無水氣井一般井口壓力較低，屬無水低壓氣井。一般表現(xiàn)為甲烷氣產(chǎn)量下降的生產(chǎn)階段，可以用無水氣藏消耗式開采方法來開采。井口壓力大于0.5MPa時，可用常規(guī)氣藏開采法；井口壓力小于0.5MPa時，用負壓采氣工藝技術(shù)。負壓采氣工藝技術(shù)要求的技術(shù)界限見表11-1。精品文檔精品文檔負壓采氣工藝要求主要設(shè)備有羅茨鼓風(fēng)機、水環(huán)式真空泵、壓力封式儲氣罐、壓縮機等，且要求有簡易井口裝置。負壓采氣工藝流程有單井流程（圖11-7）、抽放站流程（圖11-8）。表11-1負壓采氣工藝技術(shù)界限表