煤层气井有杆排采井筒煤粉运移规律和防煤粉关键技术研究

摘要

煤粉运移和防煤粉技术是保障煤层气井连续稳定经济排采的关键技术,针对鄂尔多斯盆地韩城和三交区块煤层气井的排采实际进行现场调研,在此基础上系统研究煤储层通道中和井筒内煤粉运移规律、泵阀开启条件以及煤粉排出条件,建立煤粉产出量预测、机械滤煤粉管设计、防煤粉排采泵设计和杆管尺寸优选及结构设计等关键技术组成的系统防煤粉方法体系,对延长检泵周期,降低煤层气井投产和管理成本,提高煤层气产量和综合开发效益将起到重要的作用。主要研究内容包括：
　　 ⑴通过分析煤岩应力变化和破坏作用导致的煤粉产出机理,揭示煤岩通道形成机理及其影响因素;建立近井通道煤粉的力学模型,得到自由煤粉开始运移的临界速度,并分析通道壁附近煤岩的应力状态,依据煤岩破坏准则,建立骨架煤粉临界生产压差的预测模型,得到其发生破坏的临界速度,给出通道煤粉产出的临界条件;通过建立煤层流体渗流和通道中流动状态的微分方程,充分考虑近井通道各节点的含煤粉量和流体携煤粉力,按照通道长度增量逐步迭代求解产出量模型,求出各节点压力、速度和煤粉浓度分布,从而预测出产煤粉量,以此作为井筒煤粉运移和防煤粉技术设计的研究基础。
　　 ⑵通过分析管套环空中煤粉沉降状态,建立静止井液中煤粉沉降的力学模型,得到球形煤粉的沉降特性,并在此基础上通过煤粉沉降实验,获得煤粉不规则形状系数和群体煤粉干扰沉降校正系数,得到任意形状煤粉和群体煤粉的沉降特性;分析两相流动的基本方程与本构方程,建立固液两相管流的计算模型,并采用数值求解结合仿真分析的方法研究杆管相对静止并给定两相流初速度时,环空中煤粉颗粒的运移规律,从而为分析井液携煤粉能力提供依据。
　　 ⑶在分析杆管环空固液两相管流的基础上,建立井液运动微分方程和整体流速计算模型,弄清杆管环空巾实际井液的运动规律;然后搭建排水采气模拟实验装置,完成杆管环空流动井液中煤粉沉降的实验研究,依据实验统计结果并结合理论分析得到煤粉在杆管环空流场中的沉降特性;最后依据井液携煤粉运移能力,分析井液能将煤粉携带出杆管环空的最大颗粒大小,依此设计滤煤粉管的缝宽大小,同时设计煤层气井专用直丝筛管,以便有效阻挡煤层产出的煤粉。
　　 ⑷通过分析有杆泵排采泵阀开启的压差条件,建立固定阀运动微分方程,数值求解后得到泵阀的运动规律;在此基础上分析井液流经阀隙水力损失和固定阀惯性压头损失,建立泵阀开启条件的数学模型,依据数值求解结果并结合泵阀开启条件实验测试结果,得到不同工况下泵阀的临界沉没度,并给出有杆泵高效排采的合理沉没度;然后依据气水两相流动理论,建立两相井液进泵运动规律数学模型,得到不同工况下泵内液面和动态充满度的变化规律;接着通过分析泵筒中井液流动和煤粉运移的计算模型,求解后结合仿真分析得到不同排液量和煤粉粒径时,煤粉在泵筒内随井液的运移特性;最后依据实验和理论分析结果,完成防煤粉排采泵的设计与计算,20-125 TH、25-150 TH和25-175TH三个型号泵的现场应用结果表明应用该排采泵可有效提高泵效并延长检泵周期。
　　 ⑸依据杆柱疲劳强度和等强度原则,充分考虑杆管泵间的匹配问题,初步设计杆管尺寸及其组合;然后在分析杆管环空大小对悬点载荷影响和箍管环空大小对煤粉排出影响的基础上,依据杆管环空中煤粉排出条件,对初步选择的杆管尺寸进一步进行优选,给出适用煤层气井稳定生产时小排液量条件下杆柱和管柱的具体组合参数,并建立相应的选择规范;最后依据井液汽蚀发生条件、排采杆防脱扣条件和材料强度条件,完成小接箍和小接箍排采杆的设计,CYG16和CYG19两个规格小接箍排采杆的现场应用结果表明该设计对降低抽水机悬点载荷,提升井液携煤粉能力具有重要意义。