煤层气井反循环洗井方法及装置与流程

本发明涉及煤层气开发生产领域，特别提供了一种煤层气井反循环洗井方法及装置，适用于井型直径、定向斜井、水平井等。

背景技术：

参考图3所示，对于煤层气的开采，现有技术是将一用于抽水的油管探入到煤矿气层中，油管的底端连接一个潜水泵，潜水泵嵌入到地下水中；油管外套设有一个套管，套管与油管之间的空间称之为杆管环空，地下水的页面位于该杆管环空中，称之为动液面，动液面可作为反应地下水压力的一个参考；在进行气体采集时，通过油管向外抽水，这样地下水的压力会降低，此时煤层中的气体由于水压的降低便会从煤层中渗透出来、并进入到杆管环空中，由此从杆管环空的顶部对煤层气进行采集。

在采集的初期，由于地下水充沛，因此无需对其进行补水；而在采集的中后期，地下水的总量变少，为保证动液面具备一定的高度，需要从杆管环空内注水，以维持采气压力。

在上述采集过程中，由于地下水中往往会混有煤粉颗粒，这样经过一段时间的开采后，油管和杆管环空中会积聚有一定量的煤粉颗粒，如果不对其进行清理，很容易导致卡泵和杆管环空阻塞的现象，由此会影响采气的效率，所以要进行煤层气井的清洗操作。

而洗井方式大致可分为正循环洗井和反循环洗井两种方式，正循环洗井即是向油管内注水、同时由杆管环空中抽水，通过这样的水循环将杆管环空及油管中积聚的煤粉清除出来；而反循环洗井即是通过油管向外抽水，同时通过杆管环空注水，通过这样的循环清除煤粉，且洗井与开采可同时进行；在煤层气开采的中后期采用反循环洗井方式时，由于此时为保证动液面的高度，杆管环空已经开始注水，所以此时要加大油管抽水和杆管环空注水的量和冲次，以实现洗井的目的。

但是，煤层气在气井的开采过程中，由于掌握不好煤层气的生产规律，经常性的开关井口放气阀，以及把握不好反洗冲水的量，往往会引起井底压力波动，使煤粉沿着煤层的裂缝进入井底，造成井底被煤粉堵塞，储层渗透率降低及煤粉沉淀泵筒导致的卡泵事故。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种能够有效的将油管内的煤粉洗出，且不会引起井底压力波动的一种煤层气井反循环洗井方法及其装置。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供了一种煤层气井反循环洗井方法，该方法包括以下步骤：选取煤层气井的煤粉试样、并对其进行沉降试验，得出该煤粉试样的沉降末速；通过潜水泵由油管向外抽水，并使油管内的水流速度高于煤粉试样的沉降速度设定量值；向杆管环空内注水，并使杆管环空内的动液面的波动保持在设定范围内。

优选的，通过洗井泵向杆管环空内注水。

优选的，所述洗井泵由杆管环空环形开口的一侧注水。

优选的，煤粉试样的沉降末速由以下公式计算得到，

其中，up0为煤粉颗粒的沉降末速m/s，u为液体速度m/s，

a，b，c为正交的三个轴长m，ρp为煤粉密度kg/m³，

ρ为液体密度kg/m³，μ为流体粘度pa*s，g为重力加速度m/s²(1)

优选的，向杆管环空内注水，并使杆管环空内的动液面的波动保持在5-10cm范围内。

一种用于如上所述的煤层气井反循环洗井方法的煤层气井反循环洗井装置，该装置包括潜水泵、动液面水位监测装置和高压往复水泵；所述潜水泵设置在煤层气井内，用于抽取煤层气井内的水、并由油管排出，所述潜水泵的抽水流量可调；所述动液面监测装置用于监测杆管环空内的动液面高度；所述高压往复水泵用于根据所述杆管环空内的动液面高度向杆管环空内注水，以使杆管环空内的动液面高度保持在设定范围内。

优选的，该装置还包括沉淀室，所述沉淀室的内部设有由其底壁向内部空间延伸的隔板；在所述沉淀室内、并位于所述隔板的一侧设有过滤装置，所述过滤装置通过回水管与油管连通；所述沉降室于所述隔板的另一侧空间通过所述高压往复水泵与杆管环空连通；所述沉降室于所述隔板两侧的空间的底部均与排污管连通。

优选的，所述过滤装置包括筒状的第一滤网、围设在所述第一滤网之外的第二滤网以及填设在所述第一滤网与所述第二滤网之间的过滤棉，所述过滤装置通过所述第一滤网的内部空间与所述回水管连通。

优选的，所述沉降室设有用于显示其液位高度的液位计，所述沉降室还设有补水口。

优选的，所述沉降室的顶部设有检修口。

(三)有益效果

本发明提供的一种煤层气井反循环洗井方法及装置。该装置包括潜水泵、动液面水位监测装置和高压往复水泵；该方法通过选取煤层气井的煤粉试样、并对其进行沉降试验，得出该煤粉试样的沉降末速；因此只要将油管内的水流速度设置为高于煤粉试样的沉降末速设定量值，即可以将油管中的煤粉反洗出来，且可以保证对煤粉具有一定的反洗效率，同时再向杆管环空内注水，并使杆管环空内的动液面的波动保持在设定范围内，由此，即可确定出一个既能够满足清洗要求、又不会引起井底压力波动的抽水速度，防止煤粉沿着煤层的裂缝进入井底，造成井底被煤粉堵塞，储层渗透率降低及煤粉沉淀泵筒导致的卡泵事故。

附图说明

图1是本发明实施例的一种煤层气井反循环洗井装置的示意图；

图2是本发明实施例的煤粉试样沉降末速试验装置的示意图；

图3是现有技术中煤层气井开采的示意图。

附图标记：

1、沉降室；11、检修口；2、回水管；3、过滤装置；4、隔板；5、液位计；6、高压往复水泵；7、排污管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明提供的一种煤层气井反循环洗井方法，用于将油管内的煤粉颗粒清洗出来，以防止油管阻塞，实现顺利采集的目的；该方法包括以下步骤：

选取煤层气井的煤粉试样、并对其进行沉降试验，得出该煤粉试样的沉降末速。矿粒在静止的介质时，将受到两个力的作用：向下的重力与向上的阻力。在开始沉降的瞬间，矿粒的沉降速度等于零，其所受到的阻力亦等于零。然后矿粒在重力作用下开始加速沉降，这时速度渐增，阻力也随之加大，加速度逐渐减少，沉降一段时间后加速很快减小到零，此时矿粒将以恒定速度沉降，这一速度称之为矿粒自由沉降末速。

通过潜水泵由油管向外抽水，并使油管内的水流速度高于煤粉试样的沉降速度设定量值，由于煤粉试样的沉降末速已经通过试验测得，故，只将油管内的水流速度设置为高于煤粉试样的沉降末速，即可以将油管中的煤粉反洗出来，而将油管内水流的速度调至高于煤粉试样的沉降速度设定量值，可以保证对煤粉具有一定的反洗效率，同时再向杆管环空内注水，并使杆管环空内的动液面的波动保持在设定范围内，由此，即可确定出一个既能够满足清洗要求、又不会引起井底压力波动的抽水速度，防止煤粉沿着煤层的裂缝进入井底，造成井底被煤粉堵塞，储层渗透率降低及煤粉沉淀泵筒导致的卡泵事故。

其中，优选通过洗井泵向杆管环空内注水，由于反循环洗井与煤层气开采是同时进行的，所以杆管环空是持续向外排气的，因此通过洗井泵向杆管环空内注水，可以确保具有足够的注水压力，以确保将设定流量的水补入到杆管环空中，确保动液面的相对恒定，该动液面的波动优选保持在5-10cm范围内。

进一步的，该洗井泵优选由杆管环空环形开口的一侧注水，这样杆管环空的一侧用于注水，而另一侧用于排气，由此互不影响，可进一步确保注水量，且对煤层气的采集影响较小。

其中，煤粉试样的沉降末速可由下列推导过程得到：

1、颗粒沉降末速计算

煤粉颗粒自由沉降末速的计算是研究携带煤粉颗粒流速的重要条件。煤粉颗粒在井筒中受到重力和阻力作用，阻力值与煤粉颗粒的沉降速度直接相关。煤粉的沉降主要有自由沉降和于涉沉降2种。此处主要研究煤粉在静止液体中的自由沉降末速。对煤粉颗粒进行受力分析，将固液两相流中煤粉颗粒在圆形管道中所受的力分为煤粉颗粒间作用力、流体一煤粉相对运动无关的力(包括惯性力、重力和压差力)和液体一煤粉间相对运动有关的力(包括附加质量力、basset力、升力、mag-nus力和saffman力)。各力表达式如下。

basset力表达式为：

其中，u为液体速度m/s，up为颗粒运动速度m/s，

μ为流体粘度pa*s，ρ为液体密度kg/m³，d为颗粒直径m

(2)

magnus力表达式为：

式中，为右手螺旋系(3)

saffrnan力，表达式为：

式中，为横截面的速度梯度(4)

煤粉颗粒所受重力与浮力分别为:

式中，w和ff为煤粉所受的重力和浮力，n；ρp为煤粉密度，kg/m³

g为重力加速度，m/s²

煤粉颗粒所受的阻力为:

fz＝πcdρup/8

式中，cd为颗粒阻力系数(7)

按力的平衡关系可以得到球形煤粉颗粒在静止流体中的自由沉降速度为:

在煤层气井垂直井筒流体运动状态属于过渡区，雷诺数re在2-500间。故煤粉颗粒的沉降末速为:

煤粉颗粒达到沉降末速度的时间较短，几乎在颗粒一启动就达到了沉降末速度，即可认为颗粒运移速度随流体速度变化瞬间达到沉降末速。因此结合式8可得到颗粒在流体中的沉降末速，即有:

up＝u-up0

式中，up为煤粉颗粒在流体中的沉降速度m/s(10)

2、煤粉颗粒沉降速度的试验分析

2.1试验装置

参考图3所示，煤粉颗粒沉降末速的主要试验仪器和材料有沉降筒8、煤粉9、卡尺、粒径计、接砂杯、镊子、电子称、筛子、秒表以及煤粉回收器等。其中沉降筒为高2m,内径120mm的有机玻璃透明管。煤粉为密度1.4

g/cm3的煤粉颗粒，其直径范围为0.2-50.0mm.

沉降筒通过铁夹夹住，以保证其处于垂直位置。沉降筒从上到下每隔100mm有一个刻度，总共有21个刻度。沉降筒下部装有煤粉回收器，其作用是使下沉的煤粉进人其内部。煤粉样品是从三交地区不同排采阶段采样的。煤粉颗粒沉降末速试验装置如图1所示。

通过电子称和筛子将密度1.4g/cm3的煤粉划分分为5-200目不等的6个级别，如图2所示。选取某目数的煤粉，利用粒径计选取并求出粒径值。

2.2煤粉颗粒沉降试验结果分析

选择粒径范围在2一50mm的大煤粉颗粒和砂粒以及5-20目的细煤粉颗粒作为试验对象，煤粉和砂粒的密度分别为1.4和2.7g/cm3.

2.2.1砂粒的沉降末速试验

任意选取直径范围为5-45mm的砂粒。通过对不同粒径砂粒的多次试验，建立砂粒直径与沉降末速的关系，并对试验数据进行处理。

砂粒沉降速度与粒径的关系为:

up0＝5.843d^0.4929(11)

将式(11)与静止液体中的颗粒自由沉降末速公式(8)比较可知，理论公式中颗粒直径d的指数为0.5，而试验拟合公式中砂粒直径d的指数为0.4929，可见公式中直径d的指数部分相差不大。将砂粒密度2.7g/cm3代入理论公式(8)可得:

up0＝7.0205d^0.5(12)

通过式(11)与式(12)的对比分析可知，公式的系数部分差距比较大，这主要是因为理论公式推导的假设条件是砂粒形状为球形。

2.2.2大煤粉颗粒的沉降末速试验

在不考虑颗粒形状影响的情况下，任意选取直径7-33mm范围内的煤粉颗粒，通过对不同粒径煤粉的多次试验，建立不同粒径的煤粉颗粒与沉降末速的关系，经对试验数据处理。

粗煤粉颗粒沉降速度与粒径的关系为:

up0＝1.6099d^0.4923(13)

将式(13)与静止液体中的颗粒自由沉降末速理论公式(8)比较可知，公式中直径d的指数部分相差也不是很大。理论公式中颗粒直径d的指数为0.5，试验拟合公式中煤粉颗粒直径d的指数为0.4923。将煤粉密度1.4g/cm3代人公式(8)可得:

up0＝3.4054d^0.5(14)

通过式(13)与式(14)的对比分析可知，理论推导公式与试验拟合公式的系数差距非常大。主要原因有以下几点:①煤粉颗粒的形状不是球形；②煤粉颗粒的密度非常小，在沉降过程中可以发现颗粒左右摇摆，而且受试验操作的影响较大；③煤粉的力学性能很差，易破碎，在试验过程中其粒径会发生变化，直接影响试验结果的准确性。

在考虑颗粒形状影响的情况下，选取形状近似的煤粉颗粒，其直径在5-35mm范围内。通过对不同粒径煤粉的多次试验，建立不同粒径的煤粉颗粒与沉降末速的关系，经对试验数据处理，得到煤粉沉降速度与粒径的关系为:

up0＝2.5078d^0.5019(15)

对比分析式(14)与式(15)可知，公式中直径d的指数比较接近。但是拟合公式的系数与理论公式的系数相比较，差异性较大。其主要原因与不考虑煤粉颗粒形状影响的情况相同。

2.2.3细煤粉颗粒沉降末速试验

取细煤粉颗粒分为2组；一组煤粉颗粒直径为20目与30目；另一组直径60目与80目。试验过程中，记录煤粉运动到沉降筒刻度时的时间，对该组试验数据进行处理。

通过该组试验发现，煤粉在开始运动阶段，试验误差比较大。其原因是较细的煤粉在液面上都先处于一种漂浮的状态，通过施加一定外力之后才开始自由沉降，煤粉初始速度比较大。同时，煤粉颗粒到达沉降末速的时间非常短，与理论计算结果吻合。在煤粉到达沉降筒底部前，都已开始做匀速运动。在煤粉运动后期，细煤粉试验沉降末速拟合公式与理论公式差异性跟大颗粒煤粉沉降试验类似。

2.3煤粉颗粒沉降速度确定

颗粒沉降试验是在3种条件下对颗粒的沉降末速进行测定。这3种条件分别为不同粒径的煤粉颗粒和砂粒、不考虑颗粒形状系数以及考虑颗粒形状系数。通过试验数据的对比分析，得出了细煤粉颗粒、粗煤粉颗粒以及砂粒在静水中的一些沉降规律。

颗粒的密度、形状和质量浓度对沉降末速的影响较大，不能简单利用球形颗粒的自由沉降末速公式计算，而须对煤粉颗粒自由沉降末速进行形状系数修正。煤粉颗粒的形状系数可以用科里等学者提出的系数来修正。由于煤粉颗粒质量浓度较低，可以用巴切勒公式。通过试验可以将煤粉颗粒在静止液体中的自由沉降末速改为:

式中，a,b和c为正交的3个轴长，搔大小)inr1予定义，单位为m。

在雷诺数re为2-500时，煤粉颗粒的沉降末速为:

其中，up0为煤粉颗粒的沉降末速m/s，u为液体速度m/s，

a，b，c为正交的三个轴长m，ρp为煤粉密度kg/m³，

ρ为液体密度kg/m³，μ为流体粘度pa*s，g为重力加速度m/s²(17)

煤粉试样的沉降末速由以下公式计算得到，

参考图1，所示，本发明还提供了一种用于如上所述的煤层气井反循环洗井方法的煤层气井反循环洗井装置，该装置包括潜水泵、动液面水位监测装置和高压往复水泵6；潜水泵设置在煤层气井内，用于抽取煤层气井内的水、并由油管排出，潜水泵的抽水流量可调，从而根据上述试验确定的煤粉试样的沉降末速来调节一个合适的抽水泵流量，以在保证能够将煤粉抽取上来的同时，避免井内压力发生波动，从而可避免煤气层中的煤粉因压力变化而掉落，由此造成阻塞煤层气孔的现象；动液面监测装置用于监测杆管环空内的动液面高度，高压往复水泵6用于根据杆管环空内的动液面高度向杆管环空内注水，以使杆管环空内的动液面高度保持在设定范围内。

其中，过滤装置3包括筒状的第一滤网、围设在第一滤网之外的第二滤网以及填设在第一滤网与第二滤网之间的过滤棉，过滤装置3通过第一滤网的内部空间与回水管2连通。该装置还包括沉淀室，沉淀室的内部设有由其底壁向内部空间延伸的隔板4；在沉淀室内、并位于隔板4的一侧设有过滤装置3，过滤装置3通过回水管2与油管连通；沉降室1于隔板4的另一侧空间通过高压往复水泵6与杆管环空连通；沉降室1于隔板4两侧的空间的底部均与排污管7连通。

由上，回水管2中被抽采上来的携带者煤粉的水首先进入到第一滤网中，然后依次通过第一滤网、过滤棉以及第二滤网的过滤再进入到位于隔板4一侧的部分沉降室1中，此时回水中的较大颗粒的煤粉已经被过滤装置3过滤掉，但仍存在一些比较细小的煤粉。

回水在位于隔板4一侧的部分沉降室1中达到一定高度后才会越过隔板4的顶部边缘，从而进入到隔板4另一侧的部分沉降室1中，在此过程中回水中混有的部分煤粉因沉降而进一步较少；越过隔板4后的回水在沉降室1中储存、并继续沉降，最终通过高压往复水泵6注入到杆管环空中。

而沉降在沉降室1底部隔板4两侧的煤粉则由排污管7排出，以保持沉降室1具有持续的沉降能力。

而在排污的过程中会损失一定的水量，所以可以在沉降室1侧部设置用于显示其液位高度的液位计5，且在沉降室1的顶部还可设置补水口，当发现沉降室1内的水位较低时，可通过该补水口进行补水。

优选的，沉降室1的顶部设有检修口11，通过该检修口11检测沉降室1内的情况，以及时发现阻塞管道的情况，从而做到及时疏通，该检修口11可以与上述补水口共用同一个开口。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。