煤层气井井筒流动状态研究

收稿日期:2012-05-15;修订日期:2012-10-22

作者简介:崔立伟（1986-），男，河北保定人，助理工程师，本科学历，研究方向：煤气层。

1气泡段现象及产生原因

在煤层气井日常生产中普遍存在这种现象：一口排采井由平衡排水阶段见气后进入控制井底流压阶段时，此时是液面下降导致井底流压降低至其临界解吸压力，促使甲烷气体解吸出来；但在实际生产过程中，在此过渡阶段采集动液面数据时，会出现液面大幅回升（0~40m ）的情况；或者一口正常生产井在突发状况下停机，套压和流量都降低甚至落零，此时的井底流压升高，且没有了外排水，液面回升导致产气量下降,但实际测试结果往往是液面有较大幅度下降（7~25m ）。

这是因为煤层气井投产后，初期只进行平衡排水工作以疏通地层。随着排水降压的进行，井底流压不断降低，储层压力与井底流压的压力差不断增大,从而促使煤层中远端的液体流入井底，井底周围的压降半径不断扩大。当井底流压低于临界解吸压力时，井筒附近煤层表面的吸附气开始解吸并扩散到煤层割理、裂缝等渗流通道内。随着生产压差的增大,解吸气量逐渐增多，在水中形成连续气泡，最终

气体突破形成流动相[2]

，沿煤层压裂主裂缝流人井筒油套环形空间。当甲烷气体从煤层流入井筒之后，便会以自由相的状态由井底流向地面，油套环空内先

是气—液两相流动，气液混合物在上升过程中经历各种流态，最终以甲烷纯气相从井口产出。这其中各种流动结构的出现和过渡主要取决于井筒内压力的变化和气量的多少。如图1所示，甲烷气体在油套环形空间垂直上升时，随着气量的增大和井筒压力的降低，气液混合物的流动型式也呈现不断的变化。因此具有一定产量的煤层气井，油套环空中流体的组成为：上部为纯气段，下部为混气液柱段，根据含气率的大小，混气液柱段又可细分为泡沫段(段

塞流段)和普通液柱段(泡流段，其中含小气泡)。在前期的平衡排水阶段,井筒内为单一液相流或

第32卷第2期2013年2期

煤炭技术

Coal Technology

Vol.32,No.02February,2013

煤层气井井筒流动状态研究

崔立伟，孙彦高，刘征

（中石油煤层气有限责任公司韩城分公司，陕西韩城715400）

摘

要:煤层气井在开采过程中必定经历气液两相流动阶段，气液两相流动的结果，必然导致煤层气藏压力动态发

生变化。论文针对生产井井筒气泡段现象进行描述,分析其产生原因，以及如何通过套压、流量、产量等参数变化

识别气泡段；适当控制套压对初见气时井筒流动状态以及气泡段的影响；不同套压对井筒流动状态和对气泡段的影响；针对不同生产阶段的井，依其状态优选合理的套压，总结出煤层气井生产过程中，井筒内气液两相的流动规律，定量地研究井筒内气液两相各参数相互之间的影响和变化，以及这些变化对井筒流态稳定性的影响。关键词:井筒；气泡段；气液两相；流型中图分类号:TD71文献标识码:A 文章编号:1008-8725（2013）02-0082-03

Study on Shaft Flow State of Coalbed Methane Well

CUI Li-wei,SUN Yan-gao,LIU Zheng

（Hancheng Branch,China Petroleum Coalbed Methane Co.,Ltd.,Hancheng 715400,China ）

Abstract:Coalbed methane wells in the mining process must be experiencing the stage of the gas-liquid two-phase flow,gas-liquid two-phase flow will inevitably lead to dynamic changes of coalbed methane reservoir pressure.The paper describes the bubble phenomenon in production wellbore,analyzes its causes and how to identify bubbles segment of casing pressure,flow,yield and other parameters;appropriate control casing pressure bore flow state,and has shown signs of gas bubble segment;different sets of pressure on the wellbore flow state and the bubble segment;preferred reasonable pressure for different stages of production wells according to the state.Summed up the production process of the coalbed methane wells,gas -liquid two -phase wellbore flow rule,the quantitative study of gas-liquid two-phase parameters between the impact and changes,and these changes on state stability of the wellbore flow

within the wellbore.Key words:shaft;bubbles period;gas-liquid two phase;flow pattern

图1井筒流动型式图

者是液固(煤粉)两相流动,而井口见气进入控制阶段后,井筒内主要为气液两相流,甚至是气、液、。当液流中增加了气相之后，在其上升过程中，甲烷气不断从水中分离出来参与膨胀与携带液体上升，形成平常所说的气泡段，气泡段其实就是高含气(一般含气率大于60%)的流体段。因此对于具有一定产量的井而言，由于气泡段的存在，会使得生产中回声环空测试液面的位置反映在气泡段的上端面，故气泡段开始形成时所得液面数据较之前有较大幅度回升,突发状况停机后,气体流量和流速均降低,气泡段的长度减小,此时所得液面较之前有较大幅度的下降。

2关于气泡段有效识别的研究

由于煤层气井井筒特殊气液两相流形成的气泡段的存在，就造成日常生产中不能直接测得真实液面的位置，对排采制度的调整有一定误导,比如当某个排采井刚刚进入控制阶段时，气量还非常小甚至是间歇产出少量气体（每天小于20m3），此时在井口的套压和流量都没有任何反映，如果单纯以测得液面回升为依据而加大排采强度且井口没有及时控制，就会出现产气量突然大幅增长的情况，对煤储层造成伤害，且不利于该井日后的高产稳产。因为当煤层中有甲烷气解吸之后，渗流通道中就是气液两相流动，气相渗透率的增大势必造成液相渗透率的降低，此时如果还没有引起足够重视，认为液面回升而加大排采强度，就会导致真实液面迅速下降；井底流压大幅降低，导致部分渗流通道闭合；气相渗透率大幅增大，气液混合物携带大量颗粒物质运移引起煤层部分微孔隙的堵塞；气相占据井筒周围煤层中的渗流通道,在其中形成大气泡，甚至有些小气泡占据在微孔隙或者裂缝喉道中，最终因毛细管力和磨阻导致液相渗透率急剧下降。如果此时的生产压差小于煤层中渗透压差，就会导致煤层中远端的水无法流动，造成泄压半径难以扩展，对以后整体降压区的形成和生产井的稳产极为不利。同时气量的急剧增长会造成地层过分激动，引起压裂砂反吐，大量出煤粉等后续问题。

但是，如果能够对气泡段的特性有清楚的认知并能有效识别，这种负面影响就会大大降低。这就要求我们详细认知排采井在刚刚进入控制阶段时的各生产参数的变化特征。一般来说，排采井的针型阀都保持有一定的开度，当井底附近煤层开始解吸，甲烷气以流动相进入油套环空之后开始形成气泡段,此时回声环空测试所得液面较之前平衡排水期有较大幅度回升，对于这种异常情况在日常生产过程中应该引起足够的重视。如果此时井口见套压或者流量则说明该井已经有甲烷气解吸,应及时采取措施进行控制。如果此时井口没有套压和流量,且流量计终值没有变化，则可以将井口针型阀完全关死,观察2~ 3h,看能否憋起套压,然后微开测试阀门检查井口气量情况。如能见到套压并且井口气量较大,则可以判定该井已经进入控制阶段，此时应及时下调日产水量,并控制井口针型阀的开度不能太大,防止出现产气量剧增的情况。

对于正常的生产井突发停机状况时，由于气体流量和流速的降低,气泡段的长度减小，此时所得液面值较之前有较大幅度下降，但这个时候所得液面值更为接近真实液面位置，在生产井的管理过程中对这一点应做到心中有数。待正常生产后,虽然测得液面较之前有所回升，但实际真实液面已经下降。对于安装偏心口的生产井，真实液面位置可以通过产液剖面测试获得。一般对于正常生产井，随着产气量的增大，井筒内气体流速变大，气泡段相应变长，所测得的液面回升，同时产气量降低时，井筒内气体流速降低引起气泡段的缩短，液面下降，从某种程度来说，液面与产气量有一定正相关性，这样的现象也说明井筒气泡段的存在。如图2所监测韩3-3-075井液面随产气量的波动情况：该井套压0.07~0.1MPa，流量0~20m3/h；每增加出水0.1~0.2m3，液面回升40~52m；减少出水量，液面反而下降。

3适当控制套压对初见气时井筒流动状态以及气泡段影响研究

对于已经确定刚刚从排采阶段进入控制阶段的生产井,此时的真实液面较之前已经下降,液相渗透率较之前也降低了，而且产气量呈上升趋势。受相对渗透率和生产压差的影响，虽然降低日产水量会在一定程度上控制液面的降幅，但如果下调的水量不足以弥补水相对渗透率降低所带来地层供液量的变化，则液面仍会下降，对于这类井，一定要继续下调水量，保证液面稳定后，平稳排采。同时要控制井口针型阀的开度不能过大,将井口套压缓慢上提至0.2 MPa以上，这样做有两个目的：

（1）刚刚进入排采阶段的生产井，井筒内流态变为气液两相流，并出现明显的气泡段，在段塞流状态下，由于大气泡和液体块交互出现,造成了油套环空内很大的密度差和流体的可压缩性,所以,这种流动型式下,容易出现流动不稳定性,即截面流量随时间发生变化，最终造成井底流压和井口套压的波动，极易造成压裂砂反吐和出煤粉等问题，不利于井的连续排采。实际生产过程中已证实，适当上提套压，可以明显减小其波动范围，延长其波动周期。

（2）进入控制阶段的生产井，产气量正处于上升趋势，如果井口处不加以控制放任其气量增长，则在最初几天时气量稳步大幅上涨，井底流压急剧下降，日产水量也迅速下降，之后很快便会出现气量衰减趋势，且降幅很大。因为井底的压降漏斗并没有得到充分扩展，煤层中远端并没有形成降压，造成井底附近煤层解吸完之后便没有新的供气单元，最终造成产气后劲不足，严重影响面积降压和单井的高产稳产。韩3-1-003井在一次吐砂修井之后，恢复期刚见气时对针阀没有及时控制，导致气量急剧增长，后大图2韩3-3-075

井液面波动曲线

崔立伟，等：煤层气井井筒流动状态研究

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