要從地下幾百到一千多米深的煤層中開發(fā)天然氣資源，排出井下地層水技術(shù)至關(guān)重要，目前煤層氣井的各類型排水采氣方法正在各個(gè)地區(qū)廣泛應(yīng)用。

方法1:采用傳統(tǒng)采油方式

傳統(tǒng)采油方式就是利用抽油機(jī)將井下的油抽吸到地面。煤層氣井可以進(jìn)行相應(yīng)的替代，以“采水”代替“采油”，即在井內(nèi)下入一根管，稱為油管。油管的底端裝有活塞，與地面抽油機(jī)通過(guò)一根金屬桿相連，金屬桿稱為抽油桿，利用地面抽油機(jī)帶動(dòng)抽油桿使活塞進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)從而進(jìn)行井下地層水的抽吸。而天然氣則通過(guò)下入管與井的環(huán)形空間被采集到地面，這樣可以降低井下水壓，并順利采集出煤層中的天然氣。

該方法工藝上較為簡(jiǎn)單，可靠性強(qiáng)。但還是面臨一些工程上的難點(diǎn)，一是井下抽吸泵為體積泵，抽吸過(guò)程類似生活中常見的針管吸水過(guò)程，因此泵體內(nèi)部一旦進(jìn)入氣體將大大影響泵的抽吸效果，而煤層氣井下流體一般是氣水混合物，不進(jìn)行工藝上的設(shè)計(jì)則難免泵內(nèi)進(jìn)入氣體，長(zhǎng)期如此便無(wú)法有效進(jìn)行排水采氣。二是眾所周知，煤層相對(duì)于其他類型的巖石往往更加柔軟且破碎，大量煤灰、煤粉會(huì)隨著流體堆積到井下，當(dāng)泵進(jìn)行抽吸時(shí)這些細(xì)小的煤粉、煤灰也會(huì)進(jìn)入泵內(nèi)，大量細(xì)小顆粒物會(huì)造成抽吸泵的故障，從而影響煤層氣的排水采氣。三是鉆探井的過(guò)程并非理想狀態(tài)，上百米甚至千米的井在地下往往并非筆直到達(dá)煤層的，地面與地下煤層之間的通道通常存在一定角度，造成在井中下入油管內(nèi)的抽油桿在上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)遭受磨損，從而影響煤層氣的排水采氣。

針對(duì)以上問題，采氣工程師通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、采氣方案的調(diào)整等措施不斷優(yōu)化煤層氣的排水采氣方法。首先，針對(duì)井下氣水混合物，目前設(shè)計(jì)了多種機(jī)械裝置，統(tǒng)稱為氣錨，混合流體經(jīng)過(guò)抽吸會(huì)先進(jìn)入氣錨，氣錨則會(huì)分離氣液，氣體被氣錨排出，液體則進(jìn)入抽吸泵；另外針對(duì)煤體的細(xì)小顆粒物，目前也有較多機(jī)械結(jié)構(gòu)，如在抽吸泵吸入位置的油管上進(jìn)行顆粒物篩除，即設(shè)計(jì)篩管，縮小允許物質(zhì)進(jìn)入泵的孔徑，或設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)使顆粒物沉淀到特定的管內(nèi)，稱為沉砂管，再在固定時(shí)間對(duì)井下沉砂管進(jìn)行打撈。最后針對(duì)井的傾斜問題，目前是在特定的角度下對(duì)抽油桿進(jìn)行扶正，即套上特殊材質(zhì)的裝置來(lái)避免抽油桿的磨損，該裝置稱為扶正器。除了以上方法，還有許多工藝設(shè)計(jì)及方案，包括對(duì)活塞的改進(jìn)設(shè)計(jì)、抽油桿或者油管的材質(zhì)選擇等。

方法2:采用水力驅(qū)動(dòng)方式

傳統(tǒng)的采油方式是以地面動(dòng)力源帶動(dòng)抽油桿進(jìn)而使井下活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)抽吸排液，但是抽油桿確實(shí)帶來(lái)一定的磨損，并且由于金屬存在剛性無(wú)法下入斜度較大的井下，因此水力驅(qū)動(dòng)方式應(yīng)運(yùn)而生。

水力驅(qū)動(dòng)是在油管中下入一根更細(xì)的油管，稱為中心油管，進(jìn)而建立另一條流體流動(dòng)的通道，通過(guò)地面對(duì)水加壓的方式，以水的動(dòng)能代替抽油桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，通過(guò)中心油管對(duì)井下活塞泵傳遞運(yùn)動(dòng)的能量，然后通過(guò)中心油管和油管的環(huán)形空間將注入的水和地層水一起排出。該方法解決了抽油桿無(wú)法較大斜度下入的問題，但相應(yīng)的，該方法的制約性也相對(duì)突出。首先是依靠水的動(dòng)能進(jìn)行能量傳遞，其傳動(dòng)效率小于機(jī)械方式，下入深度受到一定的影響。其次水是單向向下注入的，需要對(duì)其進(jìn)行換向設(shè)計(jì)才能滿足活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，目前無(wú)論地面換向還是井下?lián)Q向均沒有傳統(tǒng)抽油機(jī)穩(wěn)定，故障率較高。

另外一種機(jī)械結(jié)構(gòu)同樣是通過(guò)水力進(jìn)行排水，但是排水原理卻和上述明顯不同。這種方法利用了文丘里效應(yīng)，即高速流動(dòng)的流體附近會(huì)產(chǎn)生低壓，從而產(chǎn)生吸附作用。具體工藝是通過(guò)地面加壓的方式將大量的水通過(guò)中心油管注入井下，然后通過(guò)縮小井下出水口大小增加水的流動(dòng)速度。當(dāng)水的流動(dòng)速度增加后，就會(huì)產(chǎn)生一定的吸力，從而把井底的水吸到注入水中，隨著注入水一起通過(guò)中心油管返回地面。該方法避免了因活塞泵需要上下運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的水力換向問題，大大簡(jiǎn)化了工藝流程，同時(shí)由于該工藝不存在需要密封部件的活塞，因此對(duì)井下的固體顆粒，如煤粉、煤灰、砂石等有較好的適應(yīng)性。

方法3:采用電驅(qū)動(dòng)方式

除了傳統(tǒng)的抽油機(jī)和水力驅(qū)動(dòng)的方式，目前還有電驅(qū)方式進(jìn)行排水采氣，即在井中下入電纜供給井下泵進(jìn)行排水。該方式的難點(diǎn)在于下入電纜的過(guò)程容易出現(xiàn)工程故障，一旦電纜保護(hù)不到位就會(huì)前功盡棄。因此該工藝在不斷研發(fā)更新?lián)Q代，目前主要有三種電纜下入的工藝：第一種是將電纜綁在油管上隨著油管下到井底，該方式容易因電纜損壞導(dǎo)致工藝失??；第二種是先下入電纜插頭，然后通過(guò)油管下入電纜，與插頭進(jìn)行連接，工藝的實(shí)現(xiàn)需要完成兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，一是電纜接頭的密封設(shè)計(jì)，避免井中液體、泥沙、煤粉等侵入接頭，二是電纜插頭的精準(zhǔn)對(duì)接，完成電纜與井下設(shè)備的成功連接；第三種是復(fù)合材料管柱技術(shù)，即油管由復(fù)合有機(jī)材料制成，管子的外壁上內(nèi)嵌可以導(dǎo)電的金屬電纜，從而連接井下設(shè)備進(jìn)行排水采氣。

結(jié) 語(yǔ)

從油氣資源開發(fā)開始，如何采油采氣就成為石油天然氣工程中最主要的工程技術(shù)研究難點(diǎn)之一，而煤層氣作為非常規(guī)天然氣，已經(jīng)逐步成為我國(guó)重要的戰(zhàn)略非常規(guī)資源，是否能夠端穩(wěn)能源飯碗，煤層氣或?qū)⒇暙I(xiàn)重要力量。近年來(lái)，我國(guó)煤層氣開發(fā)逐漸向復(fù)雜地質(zhì)地貌條件進(jìn)發(fā)，因此，排水采氣工藝技術(shù)作為開發(fā)的重要保障也要大步向前，跟緊勘探開發(fā)腳步，逐漸向大斜度、深層、復(fù)雜工況、大范圍排水量等困難制約點(diǎn)發(fā)展。

作者：徐思淵 劉印華 藺景德 郭宇翔（中石油煤層氣有限責(zé)任公司工程技術(shù)研究院）