双煤层煤层气井四通道分层控压排采技术及试验_庞涛.pdf

第 47 卷 第 6 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.6 2019 年 12 月 COAL GEOLOGY double coal seams; layered pressure control technology; application test 我国主要含煤盆地普遍发育多煤层或者煤层 群[1-3]。为了节约工程成本、增加开采效益，能源开 发公司往往采取多煤层同时压裂、合层排采的方式 进行煤层气开发[4]。但是多年工程实践表明，合层 排采经常难以实现产量叠加，产气量甚至低于单煤 层的生产井[5-7]。煤储层渗透率是影响气井产量的决 定性因素[8-11]。煤层气井排采过程中煤层渗透率受 有效应力、 煤基质收缩效应等因素的综合作用[12-14]。 双煤层煤层气井合层排采过程中如淮北芦岭井田 的 89 煤层和 10 煤层、平顶山首山井田的四2煤层 和二1煤层， 随着动液面下降， 上部煤层开始产气， 而下部煤层由于未达到临界解吸压力不能产气，为 了使下部煤层产气，必须继续降低井筒动液面，有 的甚至必须将动液面降至上部煤层以下，上部煤层 暴露，造成上部煤层孔隙压力降低，有效应力增大， 煤基质发生变形，渗透率下降，压降漏斗范围缩小， 上部煤层产气量下降甚至不产气。 谢学恒等[15]、倪小明等[16]、王振云等[17]研究了 合层排采的主要影响因素，分别对延川、樊庄、寿 阳区块多煤层煤层气井合层排采的可行性进行了分 析，且文献[16]给出了樊庄地区 3 号和 15 号煤层适 合合层排采的区域；邵长金等[18]、李国彪等[19]分析 ChaoXing 74 煤田地质与勘探 第 47 卷 了多煤层合采时的产气量影响因素，认为产气液面 高度、储层压力梯度、供液能力和渗透率的差异是 影响沁南地区 3 号和 15 号煤层合层排采的主控因 素，得出了寺河矿区适合合层排采的结论。以上研 究主要聚焦于某区块合层排采是否可行、如何进行 合层排采的问题上，对于不能够合层排采的煤层气 井如何生产、如何进行分层排采的研究较少。杜新 锋等[20-21]提出了多煤层煤层气井分层控压合层排采 技术，该技术分为双泵三通道双煤层分层控压合层 排采技术和双套管多煤层分层控压合层排采技术， 并研制出了相应的排采装置。借鉴了前人的技术方 法，并结合实际地质条件，笔者针对双煤层合层排 采问题提出双煤层煤层气井四通道分层控压排采技 术及装置，并进行了现场应用试验，以丰富多煤层 或者煤层群发育区的煤层气开发技术。 1 双煤层四通道分层控压技术原理 对于双煤层煤层气井，排采过程中如果能够保 证上煤层维持一定的孔隙压力，同时下煤层的动液 面还能够持续下降，使两个产层处于不同的压力系 统中，就能够实现双煤层的分层控压生产。根据这 一思路提出双煤层四通道分层控压排采技术，采用 四通道封隔器将两层煤隔开，排采过程中形成两套 压力系统，以达到分层控压的目的。 “四通道”指具有四个通道的封隔器， 包括主产液 通道、 上煤层过液通道、 下煤层产气通道和电缆通道。 四通道封隔器连接在油管上， 主产液通道上部连接油 管，下部连接油管泵筒筛管沉沙管，封隔器位置 处于两煤层之间， 上煤层过液通道上端与上煤层过液 管相连接， 上煤层过液管通过扶正器或钢带固定在油 管上， 过液管长度等于上部煤层最佳产气效果时液面 距煤层顶板高度封隔器上端到上煤层顶板距离，上 煤层过液通道下端与排液管相连接， 排液管通过扶正 器或钢带固定在油管上， 排液管长度大于下部煤层顶 板到封隔器下端距离减去下部煤层最佳产气效果时 液面高度； 下煤层产气通道上部与下煤层产气管相连 接，下煤层产气管通过扶正器或钢带固定在油管上， 其长度大于上过液管 23 m， 也可以直接延伸至地面 进行计量； 压力计电缆通过封隔器上的电缆通道后与 安装在筛管上部的压力计连接图 1。 随着排采的进行，井筒动液面缓慢降低，上部 煤层开始逐渐产气，当液面高度降至上煤层过液通 道顶端后，上部煤层的动液面停止降低，维持在一 定高度，而下部煤层的动液面随着排采的进行继续 降低，下部煤层也开始逐渐产气，两层煤处于不同 的压力系统中，达到分层控压的目的。 图 1 双煤层四通道分层控压排采示意图 Fig.1 Schematic diagram of separate-layer pressure control technology equipment 2 双煤层四通道排采装置 双煤层四通道分层控压排采装置主要由四通道 封隔器、监测设备、多通道油管扶正器、滚轮式抽 油杆扶正器和辅助联通管组成。 2.1 四通道封隔器 四通道封隔器图 2包括中心管以及设置在中 心管外的座封部分、密封部分、锁定部分和解封部 分。当封隔器到达座封位置时，从主产液通道打压 25 MPa，打断座封剪销后座封外筒上行，从而 图 2 四通道封隔器实体及剖面示意图 Fig.2 Schematic and cross-sectional view of a four-channel packer ChaoXing 第 6 期 庞涛等 双煤层煤层气井四通道分层控压排采技术及试验 75 压缩胶筒使封隔器座封，锁定机构锁环动作，确保 封隔器胶筒不会因为受到工作压差而解封； 解封时， 打压 30 MPa 剪断解封剪销，胶筒复位实现解封。 该封隔器针对外径为 139.7 mm 的套管井研制， 要求 套管坐封段光滑、无损伤。 主产液通道上部连接油管，上煤层过液通道上 端与上煤层过液管连接，下端与排液管连接；下煤 层产气通道上部与下煤层产气管连接；压力计电缆 通过通道后与固定在筛管上部的压力计连接。 2.2 监测设备 监测设备主要是电子压力计系统。 双煤层四通道 分层控压合层排采装置采用双压力计监测 2 个产层 各自的动液面， 上产层压力计设置在四通道封隔器上 煤层过液管通道上端与四通道封隔器之间， 下产层压 力计设置在下部产层以下 5 m 处， 通过多通道油管扶 正器将压力计电缆固定在油管上以防止损伤。 2.3 多通道油管扶正器 四通道封隔器上部连接油管、产气管、液体辅 助联通管、压力计电缆等多个管路，必须采用多通 道的油管扶正器进行固定， 防止联通管和电缆磨损。 2.4 滚轮式抽油杆扶正器 由于井内空间的限制，四通道封隔器设计的主 产液通道连接油管通道偏离井筒中心线，为防止 排采过程中抽油杆受到偏磨，需采用滚轮式抽油杆 扶正器。滚轮式扶正器采用螺纹连接，安装在两个 抽油杆之间。抽油杆上、下运动时，由于滚轮式扶 正器依靠滚轮在油管中滚动，将滑动摩擦变为滚动 摩擦，有效减少了抽油杆柱与油管之间的摩擦，从 而降低了油管与抽油杆之间的偏磨。 2.5 辅助联通管 辅助联通管包括上煤层过液通道和下煤层产气 通道，采用多通道油管扶正器将其固定在油管上， 双煤层合层开采时， 油管与封隔器主产液通道连接， 随着排采的进行，上部煤层的产出水通过封隔器上 的过液通道流入到下部井筒中，与下部煤层的产出 水汇合后通过封隔器的主产液通道进入油管内，在 排采过程中排出井筒，下部煤层的产出气通过封隔 器的产气通道进入到上部液面以上空间，与上部煤 层的产出气汇合后，沿油套环空向上流动至井口。 3 应用试验 试验井位于淮北矿区， 产层为 6 号煤和 8 号煤， 其中 6 号煤层埋深 914.0916.0 m，厚度 2.0 m； 8 号煤层埋深 986.0988.5 m，厚度 2.5 m，两煤层 间距 70.0 m。该井之前采取了双煤层合层的排采方 式，排采第 36 d 开始出现套压，排采第 42 d 开始点 火产气，排采第 97 d 时 6 号煤井底流压降至 0 kPa， 说明动液面已降至 6 号煤以下，6 号煤开始暴露。 排采第 112 d 达到产气高峰，产气量达 962 m3/d， 之后产气量急剧下降，因故停机前日产气量约 200 m3/d。分析其原因，由于排采过程中井筒液面 降低，上部煤层暴露，煤储层伤害严重，渗透率变 小，导致了 6 号煤层产气量急剧减少或者不产气。 排采第 180 d 采用双煤层四通道排采装置进行 试验，入井管柱结构Φ73 mm 沉砂管Φ73 mm 筛 管Φ73 mm 压力计托筒Φ38 mm 管式泵四通道封 隔器Φ73 mm 油管变扣接头油管悬挂器； 抽油杆 结构柱塞Φ22 mm 抽油杆变径接头Φ28 mm 光 杆。设计挂泵位置 1 008.44 m，封隔器坐封位置 955.14 m，上部煤层压力计位置 953.48 m，下部煤 层压力计位置 1 006.41 m，用压力计读数换算各煤 层井底流压。 双煤层四通道分层控压排采装置安装后，排采 共计 325 d。排采第 232 d，开始出现套压，并进行 点火产气。之后因故停机 24 d，重新开始排采后， 自第 318 d 开始产水数据无记录， 第 341 d 产气量超 过 200 m3/d， 截至排采第 500 d， 产气量为 216 m3/d。 分层控压排采期间 6号煤井底流压从 3 950 kPa降至 652 kPa，8 号煤从 4 895 kPa 降至 263 kPa，总体来 看排采前期两层煤井底流压稳步下降， 具有同步性， 即 6 煤井底流压升高或降低时 8 煤的井底流压也随 之升高或降低，压差与煤层间距相对应图 3，而在 上下两层液面完全分开后，6 煤井底流压基本维持 在 650 kPa 左右，而 8 煤的井底流压随着排采的进 行继续降至 260 kPa 左右，两个产层处于两个不同 的压力系统中，这表明四通道封隔器根据需要起到 了很好的封隔效果，双煤层四通道分层控压排采技 术具有现实可行性。另外，实验井产气量没有达到 预期效果，基本与试验前相近，也说明前期的合层 排采和几次长时间停机造成了严重的煤储层伤害， 煤层渗透率已无法恢复。 4 结 论 a. 双煤层四通道分层控压排采技术通过四通 道封隔器将两层煤隔开，使上部煤层的动液面维持 在一定高度的同时，其下部煤层的动液面能够继续 降低，使两层煤处于不同的压力系统中，能够达到 分层控压的目的。 b. 试验井的排采情况说明， 四通道封隔器起到 了很好的封隔效果，两个产层处于两个不同的压力 ChaoXing 76 煤田地质与勘探 第 47 卷 图 3 试验井生产数据曲线 Fig.3 Curve of production data for test well 系统中，表明双煤层四通道分层控压排采技术与装 置具有现实可行性。 c. 应用分层控压技术前后，试验井产气量没有 达到预期效果，可能是前期不连续合层排采过程中 造成了煤层不可逆的渗透率伤害，后期应选择新井 或储层伤害不严重的井进行双煤层分层控压试验， 以进一步验证该技术与装置对产气量的贡献。 参考文献 [1] 杨起，韩德馨，任德贻，等. 中国煤田地质学[M]. 北京煤 炭工业出版社，1980. 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