1、一、一、煤层气开采方法与原理煤层气开采方法与原理二、二、煤层气井排采工作制度煤层气井排采工作制度三、三、煤层气增产措施煤层气增产措施四、四、煤层气田生产操作和管理煤层气田生产操作和管理第五章 煤层气开采工程1第一节第一节 煤层气开采方法与原理煤层气开采方法与原理一、煤层气排水降压方法一、煤层气排水降压方法煤层气井的生产是通过抽排煤储层的承压水，降低煤层气井的生产是通过抽排煤储层的承压水，降低煤储层压力，促使煤储层中吸附的甲烷解吸的全过煤储层压力，促使煤储层中吸附的甲烷解吸的全过程。即通过排水降压，使得吸附态甲烷解吸为大量程。即通过排水降压，使得吸附态甲烷解吸为大量游离态甲烷并运移至井口。因此，
2、游离态甲烷并运移至井口。因此，通过抽排地层中通过抽排地层中的承压水，暂时、相对地降低煤储层压力是煤层气的承压水，暂时、相对地降低煤储层压力是煤层气井采气的关键。井采气的关键。2第一节 煤层气开采方法与原理 煤层气井排采过程：煤层气井排采过程：煤层气井排采前煤层气井排采前，井中液面的高度即为煤层中地下水的水头高度，此时，井中液面的高度即为煤层中地下水的水头高度，此时不存在压力差，地下水系统基本平衡，没有地下水的流动；不存在压力差，地下水系统基本平衡，没有地下水的流动；煤层气井开始排采后煤层气井开始排采后，井筒中的液面下降，在煤层气井筒和煤层中形成，井筒中的液面下降，在煤层气井筒和煤层中形成压力差
3、，地下水从压力高的地方流向压力低的地方，因此煤层中的地下压力差，地下水从压力高的地方流向压力低的地方，因此煤层中的地下水就源源不断地流向井筒中，使得煤层中的压力不断下降，并逐渐向远水就源源不断地流向井筒中，使得煤层中的压力不断下降，并逐渐向远方扩展，最终在以井筒为中心的煤层段形成一个水头压降漏斗，并随着方扩展，最终在以井筒为中心的煤层段形成一个水头压降漏斗，并随着抽水的延续该压降漏斗不断扩大和加深；抽水的延续该压降漏斗不断扩大和加深；煤层的出水量和井口产水相平衡时煤层的出水量和井口产水相平衡时，形成稳定的压力降落漏斗，降落漏，形成稳定的压力降落漏斗，降落漏斗不再继续延伸和扩大，煤层各点储层压力
4、也就不能得以进一步降低，斗不再继续延伸和扩大，煤层各点储层压力也就不能得以进一步降低，解吸停止，产气也就终止。解吸停止，产气也就终止。3第一节 煤层气开采方法与原理1 1、煤层气排采基本理论、煤层气排采基本理论（1 1）煤层气的储层特性）煤层气的储层特性 煤层气是一种介于常规天然气与煤层之间的非常规性天然气煤层气是一种介于常规天然气与煤层之间的非常规性天然气资源，其主要成分是资源，其主要成分是甲烷甲烷 。在地层压力作用下，煤层中的。在地层压力作用下，煤层中的甲烷分子大部分以单分子形式吸附于煤基质表面，只有很少甲烷分子大部分以单分子形式吸附于煤基质表面，只有很少部分以游离气的形式存储于孔隙或裂隙
5、中，或以溶解气的方部分以游离气的形式存储于孔隙或裂隙中，或以溶解气的方式存在于煤层水中。式存在于煤层水中。4第一节第一节 煤层气开采方法与原理煤层气开采方法与原理煤层气储层与常规天然气藏特性比较煤层气储层与常规天然气藏特性比较常规气藏常规气藏煤层气储层煤层气储层气体在井筒的流动符合达西流动定律气体在井筒的流动符合达西流动定律气体在微孔隙内的流动为扩散流动，在气体在微孔隙内的流动为扩散流动，在裂隙中的流动符合达西流动定律裂隙中的流动符合达西流动定律气体储存于宏观孔隙中气体储存于宏观孔隙中气体以吸附的形式储存于微孔隙表面气体以吸附的形式储存于微孔隙表面产量符合递减曲线产量符合递减曲线初期产量低，中
6、期产量高，后期递减初期产量低，中期产量高，后期递减通过测井可解释气层含量通过测井可解释气层含量通过现场解吸可确定煤层气含量通过现场解吸可确定煤层气含量气水比随时间递减气水比随时间递减开采中期和后期，气水比随时间递增开采中期和后期，气水比随时间递增无机储集岩无机储集岩有机储集岩有机储集岩储集岩与源岩不同储集岩与源岩不同储集岩与源岩同层储集岩与源岩同层渗透率与应力无关渗透率与应力无关渗透率与应力有很大关系渗透率与应力有很大关系井间干扰对生产有害井间干扰对生产有害井间干扰对生产有利井间干扰对生产有利5煤层气井周围气水分布及流动状煤层气井周围气水分布及流动状态径向剖面示意图态径向剖面示意图第一节 煤层
7、气开采方法与原理（2 2）煤层气的排水降压）煤层气的排水降压 煤层气主要以吸附状态存在煤层气主要以吸附状态存在于煤基质的微孔隙中，其生于煤基质的微孔隙中，其生产过程就是产过程就是先排水，后采气先排水，后采气。煤层气的生产一般可分煤层气的生产一般可分为为三个阶段三个阶段：从煤基质孔隙：从煤基质孔隙的表面解吸、通过基质和微的表面解吸、通过基质和微孔隙扩散到裂隙中、以达西孔隙扩散到裂隙中、以达西流方式通过裂隙流向井筒运流方式通过裂隙流向井筒运移。移。6 1 1）煤储层原始渗透率与改造后渗透率差不大时，排采阶段）煤储层原始渗透率与改造后渗透率差不大时，排采阶段划分为划分为煤层有、无越流补给煤层有、无越
8、流补给两种情况两种情况 。排采过程煤层无越流补给排采过程煤层无越流补给 排采过程煤层无越流补给时，压力传播仅在煤层中发生，排采过程煤层无越流补给时，压力传播仅在煤层中发生，传播轨迹无串层现象，排采过程中地层供液能力与煤层渗透传播轨迹无串层现象，排采过程中地层供液能力与煤层渗透率变化、煤层中传播影响半径关系密切，与围岩关系较小，率变化、煤层中传播影响半径关系密切，与围岩关系较小，而排采过程中相态变化对水相渗透率的影响最大。而排采过程中相态变化对水相渗透率的影响最大。第一节 煤层气开采方法与原理7第一节 煤层气开采方法与原理排采过程煤层有越流补给排采过程煤层有越流补给 排采过程煤层有越流补给时，煤
9、层气垂直井排采阶段可划分为排采过程煤层有越流补给时，煤层气垂直井排采阶段可划分为5 5个阶段：个阶段：饱和水单相流饱和水单相流，压力仅在煤层中传递阶段。排采初期，煤层中的压力梯度大，压力仅在煤层中传递阶段。排采初期，煤层中的压力梯度大于围岩中的压力梯度，压力将在煤层中首先传递，煤层中裂隙中的水将逐渐于围岩中的压力梯度，压力将在煤层中首先传递，煤层中裂隙中的水将逐渐被排出，随着压降漏斗的扩展延伸，煤层中的压力梯度逐渐减小，因围岩储被排出，随着压降漏斗的扩展延伸，煤层中的压力梯度逐渐减小，因围岩储层渗透率相对较大，直到围岩压力梯度大于煤层压力梯度时，将进入第二阶层渗透率相对较大，直到围岩压力梯度大
10、于煤层压力梯度时，将进入第二阶段。段。饱和水单相流饱和水单相流，压力仅在围岩中传递阶段。随着排采的进行，围岩中压力，压力仅在围岩中传递阶段。随着排采的进行，围岩中压力梯度逐渐大于煤层中的压力梯度，压力传递轨迹从煤层过渡到围岩中，压力梯度逐渐大于煤层中的压力梯度，压力传递轨迹从煤层过渡到围岩中，压力将仅在围岩中传递，开始排采围岩中的水，此时，煤层中压力几乎不再发生将仅在围岩中传递，开始排采围岩中的水，此时，煤层中压力几乎不再发生变化。随着围岩中影响半径的增加，煤层中的压力梯度小于围岩中的压力梯变化。随着围岩中影响半径的增加，煤层中的压力梯度小于围岩中的压力梯度，在煤层中形成很小的压降漏斗后，压力
11、将仅在围岩中进行传递，进入第度，在煤层中形成很小的压降漏斗后，压力将仅在围岩中进行传递，进入第二阶段。直到煤层中的压力梯度大于围岩中的压力梯度为止。二阶段。直到煤层中的压力梯度大于围岩中的压力梯度为止。8第一节 煤层气开采方法与原理饱和水单相流饱和水单相流 压力在煤层和围岩共同传递阶段。排采继续进行，围岩压力在煤层和围岩共同传递阶段。排采继续进行，围岩中压力影响半径增加，煤层中压力梯度逐渐等于甚至大于围岩中的压力梯度，中压力影响半径增加，煤层中压力梯度逐渐等于甚至大于围岩中的压力梯度，压力将在煤层和围岩中共同传递，直到煤层中排采影响半径范围内压力达到压力将在煤层和围岩中共同传递，直到煤层中排采
12、影响半径范围内压力达到临界解吸压力以下时，气体开始解吸，即进入非饱和两相流阶段。临界解吸压力以下时，气体开始解吸，即进入非饱和两相流阶段。非饱和流阶段非饱和流阶段 排采继续进行，当煤层排采影响范围内压力达到临界解排采继续进行，当煤层排采影响范围内压力达到临界解吸压力以下时，一定数量的煤层气开始解吸，并形成气泡，阻碍水的流动，吸压力以下时，一定数量的煤层气开始解吸，并形成气泡，阻碍水的流动，水的相对惨透率开始下降，但此时气体的量较小，无论在基质孔隙中还是在水的相对惨透率开始下降，但此时气体的量较小，无论在基质孔隙中还是在裂隙系统中，气水都是孤立的，没有互相连接，不能流动，此阶段称为非饱裂隙系统中
13、，气水都是孤立的，没有互相连接，不能流动，此阶段称为非饱和单相流阶段。和单相流阶段。两相流阶段两相流阶段 排采继续进行，压力进一步传递，煤层中有更多气体解吸排采继续进行，压力进一步传递，煤层中有更多气体解吸出来，气体开始在裂隙系统中扩散，水相渗透率急剧下降，气相渗透率逐渐出来，气体开始在裂隙系统中扩散，水相渗透率急剧下降，气相渗透率逐渐增大，产水量也随之下降，直至气泡相互连接，形成连续流线，产气量随之增大，产水量也随之下降，直至气泡相互连接，形成连续流线，产气量随之增多，进入两相流阶段。增多，进入两相流阶段。9第一节 煤层气开采方法与原理2 2）煤储层原始渗透率与改造后渗透率差到较大时，排采阶
14、段）煤储层原始渗透率与改造后渗透率差到较大时，排采阶段划分为煤层划分为煤层有、无越流补给有、无越流补给两种情况。两种情况。排采过程煤层无越流补给排采过程煤层无越流补给 排采过程煤层无越流补给时，可分为以下四个阶段：排采过程煤层无越流补给时，可分为以下四个阶段：饱和水单相流阶段饱和水单相流阶段 煤层气井排采初期，井中液面开始下降，在几煤层气井排采初期，井中液面开始下降，在几乎与水平最大主应力方向大致平行的方向上，煤储层改造效果较好，乎与水平最大主应力方向大致平行的方向上，煤储层改造效果较好，渗透率相对较高；而在几乎与水平最小主应力方向大致平行方向上，渗透率相对较高；而在几乎与水平最小主应力方向大
15、致平行方向上，煤储层改造效果稍差些，渗透率相对较低。此时，可通过控制排采强煤储层改造效果稍差些，渗透率相对较低。此时，可通过控制排采强度，使煤层气井在四周压力传递基本一致。在此阶段，煤层裂隙中的度，使煤层气井在四周压力传递基本一致。在此阶段，煤层裂隙中的水开始流动，极少量游离气或溶解气在裂隙系统中处于运移状态，此水开始流动，极少量游离气或溶解气在裂隙系统中处于运移状态，此阶段以饱和水单相流为表征。阶段以饱和水单相流为表征。10第一节 煤层气开采方法与原理非饱和水单相流阶段非饱和水单相流阶段 随着排采的进行，压降幅度的增大，井底压力随着排采的进行，压降幅度的增大，井底压力下降，当储层中的压力降到
16、临界解吸压力以下时，一定数量的煤层气开下降，当储层中的压力降到临界解吸压力以下时，一定数量的煤层气开始解吸，并形成气泡，阻碍水的流动，水的相对渗透率开始下降，但此始解吸，并形成气泡，阻碍水的流动，水的相对渗透率开始下降，但此时气体的量较小，无论在基质孔隙中还是在裂隙系统中，气泡都是孤立时气体的量较小，无论在基质孔隙中还是在裂隙系统中，气泡都是孤立的，没有互相连接，不能流动，此阶段称为非饱和单相流阶段。的，没有互相连接，不能流动，此阶段称为非饱和单相流阶段。两相流阶段两相流阶段-井筒四周压力几乎平稳传递。排采继续进行，压力进一步井筒四周压力几乎平稳传递。排采继续进行，压力进一步传递，煤层中有更多
17、气体解吸出来，气体开始在裂隙系统中扩散，水相传递，煤层中有更多气体解吸出来，气体开始在裂隙系统中扩散，水相渗透率开始下降，气相渗透率逐渐增大，产水量也随之下降，直至气泡渗透率开始下降，气相渗透率逐渐增大，产水量也随之下降，直至气泡相互连接，形成连续流线，产气量随之增多，此时，井筒四周压力改造相互连接，形成连续流线，产气量随之增多，此时，井筒四周压力改造几乎相等，压力传递速度几乎相等，此时处于两相流的井筒周围压力平几乎相等，压力传递速度几乎相等，此时处于两相流的井筒周围压力平稳传递阶段。稳传递阶段。11第一节 煤层气开采方法与原理两相流阶段两相流阶段-压力仅在某些方向传递压力仅在某些方向传递 压
18、裂储层改造的非均衡性，随着压裂储层改造的非均衡性，随着排采继续进行，在井筒某些方向上，压力传递到储层改造的边界，由于储排采继续进行，在井筒某些方向上，压力传递到储层改造的边界，由于储层改造后的渗透率与储层原始渗透率差别较大，在未改造的储层方向上压层改造后的渗透率与储层原始渗透率差别较大，在未改造的储层方向上压力传递变慢甚至压力不再传递，而仅在压力改造较好的储层继续传递，此力传递变慢甚至压力不再传递，而仅在压力改造较好的储层继续传递，此时压力传递在井筒周围发生变化，此阶段称为两相流的压力仅在某些方向时压力传递在井筒周围发生变化，此阶段称为两相流的压力仅在某些方向传递阶段。传递阶段。排采过程煤层有
19、越流补给时排采过程煤层有越流补给时 排采过程有越流补给时，若煤层与围岩渗透率相差较大，在开始阶段将一排采过程有越流补给时，若煤层与围岩渗透率相差较大，在开始阶段将一直排采围岩中的水，直到形成井间干扰或出现补给边界，围岩中的水变得直排采围岩中的水，直到形成井间干扰或出现补给边界，围岩中的水变得很少时，可把排采作为无越流补给看待。能否达到无越流补给状态与围岩很少时，可把排采作为无越流补给看待。能否达到无越流补给状态与围岩供液能力、封闭边界、煤层与围岩渗透率关系、地应力、排采时间、经济供液能力、封闭边界、煤层与围岩渗透率关系、地应力、排采时间、经济效益等因素密切相关。效益等因素密切相关。12第一节
20、煤层气开采方法与原理（3 3）煤层气的生产特点）煤层气的生产特点 煤层气的产出可分为三个阶段：煤层气的产出可分为三个阶段：为排水降压阶段为排水降压阶段，主要产水，同时伴随有少量游离气、溶解气产出；当，主要产水，同时伴随有少量游离气、溶解气产出；当煤层压力降至临界解吸压力以下时，进入第二阶段。煤层压力降至临界解吸压力以下时，进入第二阶段。IIII即稳定生产阶段即稳定生产阶段，该阶段煤层甲烷分子迅速解吸，然后扩散到裂隙中，该阶段煤层甲烷分子迅速解吸，然后扩散到裂隙中，使气的相对渗透率增加，水的相对渗透率减小，表现为气产量逐渐增大，使气的相对渗透率增加，水的相对渗透率减小，表现为气产量逐渐增大，水产
21、量逐渐减小；随着采出水量的增加、生产压差的进一步增大，煤层中水产量逐渐减小；随着采出水量的增加、生产压差的进一步增大，煤层中含水饱和度相对降低，变为以产气为主，并逐渐达到产气高峰，水产量则含水饱和度相对降低，变为以产气为主，并逐渐达到产气高峰，水产量则相对稳定在一个较低的水平上。相对稳定在一个较低的水平上。为产量下降阶段为产量下降阶段，随着地层能量的衰竭，产气量下降，产少量水或微量，随着地层能量的衰竭，产气量下降，产少量水或微量水。水。13第一节 煤层气开采方法与原理煤层气生产井的气、水产量变化曲线煤层气生产井的气、水产量变化曲线14第一节 煤层气开采方法与原理（4 4）煤层气开发的认识）煤层
22、气开发的认识煤层气排水阶段水量的大小主要取决于煤层的地解比（地层压力与临界解吸煤层气排水阶段水量的大小主要取决于煤层的地解比（地层压力与临界解吸压力之比）和地层的渗透率，地解比较大，所需的压降就较大，所要排的水压力之比）和地层的渗透率，地解比较大，所需的压降就较大，所要排的水量较多，地解比较小时，地层压力与临界解吸压力值接近，水量较少。量较多，地解比较小时，地层压力与临界解吸压力值接近，水量较少。一定压力条件下，煤储层内气体的吸附与解吸处于动态平衡状态，压力的变一定压力条件下，煤储层内气体的吸附与解吸处于动态平衡状态，压力的变化将破坏这种平衡，压力下降，解吸作用加强，气体得以解吸，但是压力的化
23、将破坏这种平衡，压力下降，解吸作用加强，气体得以解吸，但是压力的持续下降并未导致气体持续解吸，这与压差的有效传递有关。持续下降并未导致气体持续解吸，这与压差的有效传递有关。在煤层气井排采初期，只出水不出气，因此在排采过程中，需要抽出大量的在煤层气井排采初期，只出水不出气，因此在排采过程中，需要抽出大量的水，使煤储层的压力下降到煤层气的解吸压力以下，气体开始解吸，井口开水，使煤储层的压力下降到煤层气的解吸压力以下，气体开始解吸，井口开始产气。始产气。15第一节 煤层气开采方法与原理2.2.煤层气井排采关键因素分析煤层气井排采关键因素分析 煤层气井生产控制的参数主要有：煤层气井生产控制的参数主要有
24、：井底压力、套压、动液面、产气量、井底压力、套压、动液面、产气量、产水量产水量等动态参数。等动态参数。（1 1）井底压力）井底压力 井底压力井底压力是指气井在正常生产时所测得的井筒中煤层中部的压力，是流是指气井在正常生产时所测得的井筒中煤层中部的压力，是流体流经储层到达井底的剩余压力。井底流压是预测煤层气井生产的一个体流经储层到达井底的剩余压力。井底流压是预测煤层气井生产的一个基本要素，是进行有效人工举升设计的一个关键参数，其基本要素，是进行有效人工举升设计的一个关键参数，其重要性重要性表现在表现在以下两个方面：以下两个方面：煤层气井依靠排水降压采气，只有把井底压力降到临界解吸压力以下时，煤层
25、气井依靠排水降压采气，只有把井底压力降到临界解吸压力以下时，才会发生解吸。才会发生解吸。动液面的下降幅度，排水量大小的控制，工作制度的调整都要由合理的动液面的下降幅度，排水量大小的控制，工作制度的调整都要由合理的井底流压来确定。井底流压来确定。16第一节 煤层气开采方法与原理（2 2）产气量）产气量 产气量产气量是生产监测的核心内容，主要表现在三个方面：是生产监测的核心内容，主要表现在三个方面：产气量是煤层气开发的最终目标，衡量煤层气井开发成败的重要指标，是计算经济产气量是煤层气开发的最终目标，衡量煤层气井开发成败的重要指标，是计算经济效益的重要依据。效益的重要依据。认识煤层气藏的生产能力，了
26、解生产动态和开发过程中产气的变化规律，分析工艺认识煤层气藏的生产能力，了解生产动态和开发过程中产气的变化规律，分析工艺技术措施效果。技术措施效果。分析产气特征，为单井配产、排水采气工艺设备设计、地面集输系统设计提供依据。分析产气特征，为单井配产、排水采气工艺设备设计、地面集输系统设计提供依据。（3 3）产水量）产水量 煤层水的产出体现在两个方面：煤层水的产出体现在两个方面：煤层水的产出，给气体的解吸提供了一定的空间，保证了气体持续解吸；煤层水的产出，给气体的解吸提供了一定的空间，保证了气体持续解吸；煤层水的产水降低了煤储层的孔隙压力，使之低于解吸压力，为气体解吸提供了先煤层水的产水降低了煤储层
27、的孔隙压力，使之低于解吸压力，为气体解吸提供了先天环境。天环境。17第一节 煤层气开采方法与原理3.3.煤层气井排采类型划分煤层气井排采类型划分1 1）单井排采）单井排采 单井开采的单井开采的产气机理产气机理是：开井排水形成压降漏斗，在井底压力大于临界解吸是：开井排水形成压降漏斗，在井底压力大于临界解吸压力而小于原始地层压力时，只有水的单向流动。压力而小于原始地层压力时，只有水的单向流动。18第一节 煤层气开采方法与原理泄流半径继续增大，解吸漏泄流半径继续增大，解吸漏斗继续增大，原解吸漏斗范斗继续增大，原解吸漏斗范围内早已解吸的煤层气开始围内早已解吸的煤层气开始渗流，形成气和水的两相渗渗流，形
28、成气和水的两相渗流流动。流流动。19第一节 煤层气开采方法与原理最后形成的解吸漏斗最后形成的解吸漏斗开始解吸，出现水的开始解吸，出现水的非饱和流动，泄流半非饱和流动，泄流半径以外的水不流动。径以外的水不流动。20第一节 煤层气开采方法与原理根据地下水的流态和压力降落漏斗随时间延续的发展趋势，根据地下水的流态和压力降落漏斗随时间延续的发展趋势，煤层气单井的排采状况可分为五种情况。煤层气单井的排采状况可分为五种情况。煤储层存在补给边界煤储层存在补给边界煤储层存在越流补给煤储层存在越流补给煤储层存在阻隔边界煤储层存在阻隔边界煤储层无限边界煤储层无限边界煤层气井间干扰边界煤层气井间干扰边界21第一节第
29、一节 煤层气开采方法与原理煤层气开采方法与原理（1 1）煤储层存在补给边界）煤储层存在补给边界 压力降落漏斗随着排采的压力降落漏斗随着排采的继续在上覆地层中不断扩展，继续在上覆地层中不断扩展，当其遇到张性断层时，若该当其遇到张性断层时，若该断层与地表水或其他地下水断层与地表水或其他地下水层相沟通，这些水系的水就层相沟通，这些水系的水就会通过断层补给煤储层。当会通过断层补给煤储层。当补给量与抽出量相当时，压补给量与抽出量相当时，压力降落漏斗达到稳定，不再力降落漏斗达到稳定，不再扩展，煤储层甲烷解吸停止，扩展，煤储层甲烷解吸停止，煤层气井不再产气煤层气井不再产气 。煤层气存在补给边界煤层气存在补给
30、边界22第一节第一节 煤层气开采方法与原理煤层气开采方法与原理（2 2）煤储层存在越流补给）煤储层存在越流补给 煤储层的顶板或底板为弱透水煤储层的顶板或底板为弱透水层，且其相邻的地层为含水层，层，且其相邻的地层为含水层，此时煤储层存在越流补给。煤储此时煤储层存在越流补给。煤储层中压力的降低使得邻近含水层层中压力的降低使得邻近含水层中的地下水通过顶板或底板补给中的地下水通过顶板或底板补给煤储层。压力降落漏斗的扩大使煤储层。压力降落漏斗的扩大使得补给量不断增加，当补给量与得补给量不断增加，当补给量与抽出量相当时，降落漏斗达到稳抽出量相当时，降落漏斗达到稳定，不再扩展，煤储层甲烷解吸定，不再扩展，煤
31、储层甲烷解吸停止，煤层气井产气终止。停止，煤层气井产气终止。煤层气存在越流补给边界煤层气存在越流补给边界23第一节 煤层气开采方法与原理（3 3）煤储层存在阻隔边界）煤储层存在阻隔边界 当煤储层中存在隔水边界当煤储层中存在隔水边界(如逆断层、推覆断层等如逆断层、推覆断层等)时，随着抽水时间时，随着抽水时间的延续，降落漏斗不断扩展。当降落漏斗扩展至隔水边界时，由于隔的延续，降落漏斗不断扩展。当降落漏斗扩展至隔水边界时，由于隔水边界无法补给或补给量小于抽出量，降落漏斗不再向远处发展，而水边界无法补给或补给量小于抽出量，降落漏斗不再向远处发展，而迅速加深，煤储层压力快速下降，甲烷大量释放，井口表现为
32、气产量迅速加深，煤储层压力快速下降，甲烷大量释放，井口表现为气产量大增。若煤层周围都为隔水边界且无越流补给，煤层压力将最终接近大增。若煤层周围都为隔水边界且无越流补给，煤层压力将最终接近井底压力，整个系统压力平衡。井底压力，整个系统压力平衡。（4 4）煤储层无限边界）煤储层无限边界 当煤层气井附近不存在断层、含水层时，随着抽水时间的延续，降落当煤层气井附近不存在断层、含水层时，随着抽水时间的延续，降落漏斗不断扩展。当降落漏斗扩展一定程度，降落漏斗不再向远处发展，漏斗不断扩展。当降落漏斗扩展一定程度，降落漏斗不再向远处发展，而降落漏斗也不明显加深，煤储层压力缓慢下降，甲烷少量缓慢释放，而降落漏斗
33、也不明显加深，煤储层压力缓慢下降，甲烷少量缓慢释放，井口表现为气产量长期稳定低产。井口表现为气产量长期稳定低产。24第一节 煤层气开采方法与原理（5 5）煤层气井间干扰边界）煤层气井间干扰边界 当煤层气井附近存在其它煤层气井时，随着抽水时间的延续，降落漏斗当煤层气井附近存在其它煤层气井时，随着抽水时间的延续，降落漏斗不断扩展。当降落漏斗扩展一定程度，临近井的降落漏斗之间开始相互不断扩展。当降落漏斗扩展一定程度，临近井的降落漏斗之间开始相互干扰，从而使降落漏斗联系到一起，不断共同扩大，煤储层压力快速下干扰，从而使降落漏斗联系到一起，不断共同扩大，煤储层压力快速下降，甲烷大量释放，井口表现为气产量
34、长期稳定高产。降，甲烷大量释放，井口表现为气产量长期稳定高产。通常煤层气井属于无越流补给，且煤层水平无限延伸（附近无补给边界通常煤层气井属于无越流补给，且煤层水平无限延伸（附近无补给边界或给水边界）这种情况。或给水边界）这种情况。煤层气井随着抽水的延续，煤层中的压力降落煤层气井随着抽水的延续，煤层中的压力降落漏斗不断扩大和加深，但其扩展速度变慢，逐渐趋于稳定。其排水降压漏斗不断扩大和加深，但其扩展速度变慢，逐渐趋于稳定。其排水降压过程一般可以分为初期定流量排水和后期定降深排水两个阶段。过程一般可以分为初期定流量排水和后期定降深排水两个阶段。25第一节 煤层气开采方法与原理2）井群排采开井排水，
35、压力下降到解吸压开井排水，压力下降到解吸压力以上形成压降漏斗，但只有力以上形成压降漏斗，但只有单相水流动，与单井开采相同。单相水流动，与单井开采相同。继续排水，压力下降到解吸压力以下，继续排水，压力下降到解吸压力以下，未达到井间干扰，解吸漏斗内的气解未达到井间干扰，解吸漏斗内的气解吸，形成水的未饱和流动，吸，形成水的未饱和流动，这时也与单井开采相同。这时也与单井开采相同。26第一节 煤层气开采方法与原理当相邻井的泄流半径之和大于井当相邻井的泄流半径之和大于井距时，由于井间干扰，井间压力距时，由于井间干扰，井间压力都下降到临界解吸压力以下，井都下降到临界解吸压力以下，井间都开始解吸气，同时先前解
36、吸间都开始解吸气，同时先前解吸的气扩散、溶解、渗流，形成两的气扩散、溶解、渗流，形成两相流动相流动 。当井间压力都下降到井底压力；当井间压力都下降到井底压力；井间的气全部解吸、扩散、溶井间的气全部解吸、扩散、溶解、渗流，形成大面积的解吸解、渗流，形成大面积的解吸和两相流动和两相流动 。27第一节 煤层气开采方法与原理二、煤层气排水采气设备二、煤层气排水采气设备 煤层气排采设备可分为煤层气排采设备可分为有杆类排采设备和无杆类排采设备两类有杆类排采设备和无杆类排采设备两类。有杆泵。有杆泵又可分为抽油杆往复运动类（如游梁式和无游梁式抽油机）和旋转运动又可分为抽油杆往复运动类（如游梁式和无游梁式抽油机
37、）和旋转运动类（如电动潜油泵）。类（如电动潜油泵）。排采设备的选择主要取决于排采设备的选择主要取决于井深、井底压力、水的流速及气的流速井深、井底压力、水的流速及气的流速 （1 1）梁式泵）梁式泵 梁式泵也称有杆泵，由以下几部分组成：地面部分为游梁式抽油机、梁式泵也称有杆泵，由以下几部分组成：地面部分为游梁式抽油机、由电动机、减速箱和四连杆机件组成；井下部分为抽油泵（多为管式由电动机、减速箱和四连杆机件组成；井下部分为抽油泵（多为管式泵），它悬挂在套管内油管的下端；联系地面和井下的中间部分为抽油泵），它悬挂在套管内油管的下端；联系地面和井下的中间部分为抽油杆。杆。28第一节 煤层气开采方法与原理
38、29第一节 煤层气开采方法与原理（2 2）螺杆泵）螺杆泵 螺杆泵是一种新型采液装置，与连杆螺杆泵是一种新型采液装置，与连杆传动的梁式泵不同，螺杆泵是用旋转传动的梁式泵不同，螺杆泵是用旋转杆传动的，主要由杆传动的，主要由地面传动装置、抽地面传动装置、抽油杆和井下泵油杆和井下泵三部分组成，地面传动三部分组成，地面传动装置包括一台电动机和皮带轮，来驱装置包括一台电动机和皮带轮，来驱动抽油杆和井下泵。动抽油杆和井下泵。螺杆泵设备具有不间断抽排的特点，螺杆泵设备具有不间断抽排的特点，从防砂排粉、平稳降液及控制井底压从防砂排粉、平稳降液及控制井底压力方面来考虑具有优越性。但当产气力方面来考虑具有优越性。但
39、当产气量过高时，螺杆泵易于损坏。螺杆泵量过高时，螺杆泵易于损坏。螺杆泵作业时要求液体应能扩散掉因转子和作业时要求液体应能扩散掉因转子和定子之间摩擦产生的热量。定子之间摩擦产生的热量。螺杆泵螺杆泵30第一节 煤层气开采方法与原理（3 3）电潜泵）电潜泵电潜泵是浸没在被泵送介质中的离心泵，由一台电潜泵是浸没在被泵送介质中的离心泵，由一台井下电动机和离心泵组成，电动机和泵体安装在井下电动机和离心泵组成，电动机和泵体安装在油管末端，通过缠绕在油管上的电缆提供电力。油管末端，通过缠绕在油管上的电缆提供电力。由于井内流体在通过电动机进入离心泵时可起到由于井内流体在通过电动机进入离心泵时可起到冷却电动机的作
40、用，因此，离心泵应置于产层之冷却电动机的作用，因此，离心泵应置于产层之上且一定不要将井抽干。上且一定不要将井抽干。31第一节 煤层气开采方法与原理32第一节 煤层气开采方法与原理 三类泵排水采气方法对比表三类泵排水采气方法对比表33第一节 煤层气开采方法与原理（4 4）射流泵）射流泵 井底射流泵使用扩散或收缩形喷嘴装置形成高压流体，向地层流体中井底射流泵使用扩散或收缩形喷嘴装置形成高压流体，向地层流体中传递动能。常见的射流泵由于其环空容积小、易固相堵塞等原因，在传递动能。常见的射流泵由于其环空容积小、易固相堵塞等原因，在煤层气开采中难以应用。射流泵处理煤粉的能力较差，已形成煤粉堵煤层气开采中难
41、以应用。射流泵处理煤粉的能力较差，已形成煤粉堵塞，而且射流泵仅适用于开采初期井底压差较高条件下。塞，而且射流泵仅适用于开采初期井底压差较高条件下。（5 5）液面监测设备）液面监测设备 由于煤层压力系数低，解吸压力也低，准确监测动液面的深度对排采由于煤层压力系数低，解吸压力也低，准确监测动液面的深度对排采的诊断与决策是非常重要的。现场常选择易操作、精度高的液面监测的诊断与决策是非常重要的。现场常选择易操作、精度高的液面监测仪仪(如如SHD-3SHD-3诊断仪等诊断仪等)。此外，排采中还应根据实际需要选择油管、。此外，排采中还应根据实际需要选择油管、抽油杆、动力设备等其它相关设备。抽油杆、动力设备
42、等其它相关设备。34第一节 煤层气开采方法与原理三、煤层气井智能控制排采技术三、煤层气井智能控制排采技术1.1.煤层气井智能控制原理煤层气井智能控制原理 智能控制系统智能控制系统是指具备一定智能行为的系统，具体来说就是，对于一个问题的激是指具备一定智能行为的系统，具体来说就是，对于一个问题的激励输入，系统具备一定的智能行为，能够产生合适的求解问题的响应，这样的系励输入，系统具备一定的智能行为，能够产生合适的求解问题的响应，这样的系统便成为智能系统。统便成为智能系统。（1 1）智能控制系统的结构及自适应控制）智能控制系统的结构及自适应控制 传感器包括位置传感器、力传感器等。感知信息处理将传感器得
43、到的原始信息加传感器包括位置传感器、力传感器等。感知信息处理将传感器得到的原始信息加以处理。认知部分主要接受和储存知识、经验和数据，并对他们进行分析、推理，以处理。认知部分主要接受和储存知识、经验和数据，并对他们进行分析、推理，做出行动的决策，送至规划和控制部分。通讯接口除了建立人做出行动的决策，送至规划和控制部分。通讯接口除了建立人-机之间的联系外，机之间的联系外，也建立系统各模块之间的联系。规划和控制是整个系统的核心，它根据给定的任也建立系统各模块之间的联系。规划和控制是整个系统的核心，它根据给定的任务要求，反馈的信息及经验知识，进行自动搜索、推理决策、动作规划，最终产务要求，反馈的信息及
44、经验知识，进行自动搜索、推理决策、动作规划，最终产生具体的控制作用。生具体的控制作用。35第一节第一节 煤层气开采方法与原理煤层气开采方法与原理 自适应控制自适应控制是一种解决系统不确定性问题的方法。简单的说，自适应控是一种解决系统不确定性问题的方法。简单的说，自适应控制系统能适应系统的环境条件或对象特征的变化，根据对可达的输入输制系统能适应系统的环境条件或对象特征的变化，根据对可达的输入输出量的在线观测信息，自动校正或调整控制器的参数和性能，使系统保出量的在线观测信息，自动校正或调整控制器的参数和性能，使系统保持在最优的或满意的工作状态。持在最优的或满意的工作状态。智能控制系统的典型结构智能
45、控制系统的典型结构 参数自适应自组织控制参数自适应自组织控制36第一节第一节 煤层气开采方法与原理煤层气开采方法与原理（2 2）煤层气井电潜泵智能控制原理）煤层气井电潜泵智能控制原理 电潜离心泵控制排采系统根电潜离心泵控制排采系统根据煤层气井井底流压变化规据煤层气井井底流压变化规律和排采规律，地面人工预律和排采规律，地面人工预先设定液面下降速度值，控先设定液面下降速度值，控制系统根据井下压力计采集制系统根据井下压力计采集的流压变化情况，采取的流压变化情况，采取“控制控制液面排水液面排水”法，即通过调整流法，即通过调整流量，使液面按要求以恒定速量，使液面按要求以恒定速度下降。对于排采过程中液度下
46、降。对于排采过程中液面下降不易控制问题，应用面下降不易控制问题，应用闭环控制技术予以解决。闭环控制技术予以解决。智能控制原理图智能控制原理图37第一节第一节 煤层气开采方法与原理煤层气开采方法与原理2.2.煤层气井控制排采系统煤层气井控制排采系统（1 1）系统组成和结构）系统组成和结构 煤层气井控制排采系统主要煤层气井控制排采系统主要由由煤层气专用离心泵、潜水电机、煤层气专用离心泵、潜水电机、压力计、动力电缆、压力计电缆、压力计、动力电缆、压力计电缆、绕丝筛管、扶正器、离心泵专用井绕丝筛管、扶正器、离心泵专用井口、控制柜口、控制柜等组成。等组成。控制排采系统组成及结构控制排采系统组成及结构38
47、第一节 煤层气开采方法与原理1 1）煤层气专用离心泵）煤层气专用离心泵 煤层气井电潜离心泵由多级离心叶轮、导壳和泵轴、泵壳体、上下接头煤层气井电潜离心泵由多级离心叶轮、导壳和泵轴、泵壳体、上下接头组成。多节泵可以通过连接法兰和花键套串接，以满足扬程的需要。组成。多节泵可以通过连接法兰和花键套串接，以满足扬程的需要。导轮结构示意图导轮结构示意图离心泵结构示意图离心泵结构示意图39第一节 煤层气开采方法与原理2 2）潜水电机）潜水电机 潜水电机为两极三相鼠笼式异步电动机，由定子、转子、轴承及接头等潜水电机为两极三相鼠笼式异步电动机，由定子、转子、轴承及接头等构成。电机转子主要是为电机提供电磁转矩。
48、电机中的轴承采用滑动轴构成。电机转子主要是为电机提供电磁转矩。电机中的轴承采用滑动轴承结构，它包括一个用于承载转子重量的止推轴承和多个径向轴承，径承结构，它包括一个用于承载转子重量的止推轴承和多个径向轴承，径向轴承主要是保证电机定子和转子保持一定的间隙及转子轴的顺利转动。向轴承主要是保证电机定子和转子保持一定的间隙及转子轴的顺利转动。电机联接接头主要用于电机同保护器连接及多节电机时串接使用。电机联接接头主要用于电机同保护器连接及多节电机时串接使用。潜水电机采用多节串接方式，按所需功率大小，分别制成上节电机、中潜水电机采用多节串接方式，按所需功率大小，分别制成上节电机、中节电机、下节电机，电机功
49、率为多节电机功率之和，电压为多节电机电节电机、下节电机，电机功率为多节电机功率之和，电压为多节电机电压之和，便于使用中选择。压之和，便于使用中选择。40第一节 煤层气开采方法与原理（2 2）地面控制系统）地面控制系统 地面控制柜采用先进的远距离变频控制技术，地面控制柜采用先进的远距离变频控制技术，控制柜包括控制器、触摸屏、控制柜包括控制器、触摸屏、升压变压器、变频器、正弦滤波器、防浪涌保护器、断路器、升压变压器、变频器、正弦滤波器、防浪涌保护器、断路器、24V24V开关电开关电源、无线数传模块等组件。源、无线数传模块等组件。控制柜内部安装有防浪涌保护器，可以在雷电控制柜内部安装有防浪涌保护器，
50、可以在雷电天气下正常工作，有效预防因雷电而导致系统瘫痪的情况发生。在变频器天气下正常工作，有效预防因雷电而导致系统瘫痪的情况发生。在变频器的输出端安装了正弦滤波器，为远距离控制煤层气井电潜离心泵，提供了的输出端安装了正弦滤波器，为远距离控制煤层气井电潜离心泵，提供了良好的电压波形。良好的电压波形。变频控制系变频控制系统示意图统示意图41第一节 煤层气开采方法与原理（3 3）井下信号采集及传输系统）井下信号采集及传输系统 沁水地区井底压力监测主要通过两种方式进行监测：一种方沁水地区井底压力监测主要通过两种方式进行监测：一种方式通过式通过井下压力计实时连续读取井下压力计实时连续读取；另一种是通过；
