煤层气井开发动态监测方法研究

中国矿业高校（北京）中矿瑞杰（北京）科技有限公司刘升贵博士、副教授2010年10月煤层气井开发动态监测方法探讨中国煤层气行业处于商业化开发初期，主要的研发阅历了三个阶段：一、资源相识与地质论证阶段（1990－2003年）二、技术试验阶段（2004－2006年）三、规模化开发阶段（2007年以来）煤层气开发历史现状重点开发区域现状开发工艺现状直井开发工艺现状水平井开发工艺现状典型水平井产能开发工艺现状典型水平井井组产能开发工艺现状典型水平井井组产能生产动态监测技术缺乏现状（1）监测数据缺乏造成排采制度不合理当前我国煤层气井的排水采气制度主要实行限制流量的方法进行，由于未考虑煤层的变质程度、构造困难特性、工程特殊性，导致排采强度选择不当，影响煤层气井产能释放。（2）缺少监控手段造成卡泵事故频繁煤层气井生产动态监测手段薄弱，缺少井底煤粉浓度测试仪器，未实现井底压力连续监测，造成难以确定合理的排采降压速度。对于压裂直井，排水速度过快易使煤层出砂，造成砂埋煤层甚至卡泵；同时，溶入水中的煤屑和煤粉在排采过程中，受到井底埋砂的过滤作用，煤屑和煤粉滞留在裂缝中的孔道内，渐渐降低压裂形成的裂缝导流实力，使煤层气井产能过早出现衰减现象。对于多分支水平井，排水速度过快简洁冲刷水平井筒携带残留煤粉进入生产井产生卡泵，甚至引起水平井眼坍塌，中断排采过程，降低煤层气井产量。主要探讨成果开发一项技术开发形成煤层气井动态监测技术形成一套系统形成一套煤层气井开发动态监测与预警系统开发一种工具、申请一项专利开发出推断煤层气井煤粉浓度级别的专用传感器申请《一种煤层气井监控方法和装置》独创专利一项企业规范起草了《煤层气井生产动态监测技术》企业规范取得的主要进展和成果（1）排采制度确定依据资源条件、工程状况、排采设备实力确定排采制度及其可调控预案；PKσCPL、VLG、W1、排采制度制定依据含气量压力应力煤结构渗透率几何形态构造地质历史工程概况洞窟描述直井套管水平井套管井眼不稳定段工程事故取得的主要进展和成果（2）BHP及煤粉产出实力确定评估排采引起有效应力波动对井眼及产层稳定性影响，依据煤粉产出机理预料不同排采制度下煤粉产出实力；储层压力系统动态渗透率应力变更规律含气饱和度气、水产量井间干扰取得的主要进展和成果1、排采制度制定依据（3）预警响应措施刚好调控排采设备，调整降液速度，限制BHP及排水速度。不同阶段实行不同的预警措施，避开气井因煤粉浓度过大造成卡泵打断排采连续性。水平井组各井之间、直井之间的井间干扰，排水降压需考虑各井标高；排采过程中，BHP或者套管压力与液位必需保证其中一组数据精确，这是制定后期排采制度的依据；处理事故必需刚好、快速，确保处理过程中BHP增量最小，影响范围最小；在考虑各井标高的基础上同步协调降压，充分利用各井抽采设备的排液实力；排采初期稳定降压期产气初期稳定BHP套压上升关注水质接着降压期稳产期产能测试产量下降期1、排采制度制定依据取得的主要进展和成果类别资料明细压力原始地层压力、井底流压、套管压力、计量系统压力、管线压力、关井压力、输气系统压力等产量产气量（日产量及累计产量）、产水量（日产量及累计产量）、煤粉浓度及产量流体性质水、气成分及物性温度产层温度、产气温度、产水温度工程监测地面设备磨损腐蚀、井下油管断落数据、磨损、腐蚀情况及描述、产层波动及垮塌分析、煤层气开发动态监测与预警系统通过最大程度地限制煤粉，精细化限制排采速度，自动化录用排采信息；实现其削减修井，削减排采人员及成本，连续稳定排采，气体产量及采收率最大化等目的。2煤粉浓度与压力波动预警系统取得的主要进展和成果监测与预警系统实现判断煤粉危险等级数据传输过程井底煤粉数据获取预警显示产水量数据煤粉浓度数据携粉能力井底压力压力波动预警运用传感器采集井底煤粉、井底压力数据，通过数据传输电缆传递至地面煤粉浓度分析仪及限制仪器，经过综合分析煤层气井产水量数据计算携粉实力，对比预警指标推断井底煤粉紧急等级、井底压力波动紧急等级，实现煤层气井生产动态预警。2煤粉浓度与压力波动预警系统取得的主要进展和成果预警数据传递示意图

2煤粉浓度与压力波动预警系统监测与预警系统实现取得的主要进展和成果预警数据传递示意图

井口仪器与设备智能流量计井底传感器水管压力开关气流量测量井底压力测量煤粉浓度测量套压测量水管线压力测量气体温度测量高压关闭控制系统流量计算单元差速驱动(VSD)电机流量与液位计算通过电机控制速度与扭矩主机人机界面热温调节器VSD和无线交流远控室井口无线控制主机无线控制主机传送生产数据接受生产数据存储生产数据与生成报告接受从远控室的指令从主机发送命令远程控制井口计算机系统主机报警系统转发器需要网络链接2煤粉浓度与压力波动预警系统监测与预警系统实现取得的主要进展和成果依据煤粉的产出规律及其对生产的影响分为四个阶段阶段产气前初期产气阶段产气中期产气后期煤粉产出特征产气前以中、粗颗粒煤粉为主，粗颗粒煤粉沉积到井底口袋内，中等颗粒煤粉达到一定浓度易造成卡泵。初期产气阶段多受到煤粉干扰，致使产气增长势头被不断打断，出现起伏；初期产气阶段以中、细颗粒煤粉为主，细颗粒煤粉以悬浮液形式排出井筒，由于产水量下降，中等颗粒煤粉往往造成卡泵，或煤粉在井底口袋内沉积造成埋泵产气中期以细颗粒煤粉为主，一部分以悬浮液形式排出井筒，另一部分沉积到井底口袋内产气后期基本无水产出，以微细颗粒为主，可随气体以粉尘形式排出，位于大宁煤矿的DNP02井排采两年半以后出现该情况，高速气体携带微细颗粒煤粉对干煤层微孔隙、裂隙孔道具有疏通、打磨作用，使水平井井筒周围煤层透气性明显提高，有利于充分释放煤层气产能典型井FZP01-3SJP02SH01、FZP01-3、FZP02-1、FZP02-2PZP02-1SJ11-1DNP02卡泵煤粉浓度3%~8%2煤粉浓度与压力波动预警系统取得的主要进展和成果（1）产气前以中、粗颗粒煤粉为主，粗颗粒煤粉沉积到井底口袋内，中等颗粒煤粉达到确定浓度易造成卡泵。

三交水平井排采3个月井筒聚集的煤粉颗粒

沁南水平井排采3个月井筒聚集的煤粉颗粒

依据煤粉的产出规律及其对生产的影响分为四个阶段2煤粉浓度与压力波动预警系统取得的主要进展和成果（2）初期产气阶段以中、细颗粒煤粉为主，细颗粒煤粉以悬浮液形式排出井筒，由于产水量下降，中等颗粒煤粉往往造成卡泵，或煤粉在井底口袋内沉积造成埋泵三交水平井排采5个月井筒聚集的煤粉颗粒

沁南水平井排采3～9个月井筒聚集的煤粉颗粒

依据煤粉的产出规律及其对生产的影响分为四个阶段2煤粉浓度与压力波动预警系统取得的主要进展和成果SH01井煤粉含量超过3%后卡泵，其次天即完成解卡，处理刚好，接着降压。典型井第一次其次次连续降压2煤粉浓度与压力波动预警系统取得的主要进展和成果（2）煤层气井初期产气阶段多受到煤粉干扰，致使产气增长势头被不断打断，出现起伏沁南02-1井在产气初期表现出了强势的持续增长，而且是套管压力、产水量，产气量同步增长（图中红色曲线为气产量、蓝色为水产量、绿色为液柱高度、粉色为套管压力）。但该井排采遭遇到了特殊严峻的煤粉干扰，致使产气增长势头被不断打断，出现起伏，（在07年5月底井底压力约1.2Mpa时持续上升至62000方，但很快因为煤粉卡泵而不得不限制产量）。煤粉干扰期卡泵颗粒>0.5mm，降液速度>0.1MPa/d依据煤粉的产出规律及其对生产的影响分为四个阶段2煤粉浓度与压力波动预警系统取得的主要进展和成果（3）产气中期以细颗粒煤粉为主，一部分以悬浮液形式排出井筒，另一部分沉积到井底口袋内沁南水平井排采9～24个月井筒聚集的煤粉颗粒依据煤粉的产出规律及其对生产的影响分为四个阶段2煤粉浓度与压力波动预警系统取得的主要进展和成果（4）产气后期基本无水产出，以微细颗粒为主，可随气体以粉尘形式排出，位于大宁煤矿的DNP02井排采两年半以后出现该状况，高速气体携带微细颗粒煤粉对干煤层微孔隙、裂隙孔道具有疏通、打磨作用（部分井眼气体流速大于10m/s），使水平井井筒四周煤层透气性明显提高，有利于充分释放煤层气产能图中红色曲线为气产量，蓝色为水产量，绿色为液柱高度，粉色为套管压力，坐标横轴为时间，单位为天，纵轴分别为产气量、产水量和井底压力。该井排采18个月后产量上升至32000立方米/天依据煤粉的产出规律及其对生产的影响分为四个阶段2煤粉浓度与压力波动预警系统取得的主要进展和成果测试煤粉悬浮液浓度范围0.5%~12%，颗粒范围0.01~5mm

3、开发两种工具开发了煤粉浓度传感器取得的主要进展和成果判断煤粉危险等级数据传输过程井底煤粉数据获取预警显示产水量数据煤粉浓度数据携粉能力4、专利申请井底煤粉紧急等级评价流程图取得的主要进展和成果4、专利申请紧急级煤粉浓度预警处理数据传递示意图取得的主要进展和成果充分释放水平井产气潜能，须要在排采中最大程度地限制煤粉，精细化限制排采速度。SH01井排采初期以0.02MPa/d的速度降压，排采20天后起先出现煤粉干扰，排采25天水色变黑，煤粉浓度增加至3%，卡泵停机，经检泵作业，捞出煤粉1～10mm粒径煤粉36L。随后接受限制煤粉浓度的精细管理方式，优化产气设备和系统合理限制煤粉产出浓度，将煤粉浓度限制在0.5%以下，一旦煤粉浓度超标即刻加大排液速度，以加大油管内溶液流速加大携粉实力，促使排采连续稳定进行，排采140天该井气产量上升至16000m3/d。水平井生产动态特征6、煤层气井生产动态变更特征取得的主要进展和成果6、煤层气井生产动态变更特征水平井生产动态特征取得的主要进展和成果在鄂尔多斯盆地韩城区块、三交区块选择典型井开展了煤层气井监测技术应用。7、成果应用状况取得的主要进展和成果SH01井排采初期以0.02MPa/d的速度降压，排采20天后起先出现煤粉干扰，排采25天水色变黑，煤粉浓度增加至3%，卡泵停机，经检泵作业，捞出煤粉1～10mm粒径煤粉36L。随后接受限制煤粉浓度的精细管理方式，优化产气设备和系统合理限制煤粉产出浓度，将煤粉浓度限制在0.5%以下，一旦煤粉浓度超标即刻加大排液速度，以加大油管内溶液流速加大携粉实力，促使排采连续稳定进行，排采140天该井气产量上升至16000m3/d。在鄂尔多斯盆地韩城区块、三交区块选择典型井开展了煤层气井监测技术应用。7、成果应用状况取得的主要进展和成果7、成果应用状况取得的主要进展和成果对于示范区煤层气井预警包括煤粉浓度预警和压力波