资源描述
第七章 气井生产和生产装备
煤层气的生产及生产装备的特殊性使得需要一定专门的开采技术。这些技术主要是通过在油田中的反复试验，观测修正后得出的。例如，在the Rock Creek 方案实施中所得到的现场数据表明，一口井增产之后的回流方式对其之后的回收率有很大的影响。同样的，用于泵送井的工序也会影响到该口井的生产率。经验表明我们可以通过诊断和校正一些通用的生产问题来大大缩短生产中的停钻时间。
如果你掌握了特殊煤层气藏的生产经验，无疑这会使你在你的研究领域中找到使你的工作更有效率的技术方式。这一章会帮助你开始了解高效的开发层聚。通过如下的四个方面指导你的思路：
l 地面钻采设备的准备工程；
l 自喷井；
l 生产井排；
l 井下故障和装备问题。
地面钻采设备的准备工程
在地层压裂回流且抽油机安装完毕之后，此时应该检查地面设备和集输系统以确保其能承受来自井筒的生产流。在正常生产之前进行的检查可以有效的减少开发事故，环境问题以及一些为了纠正工程问题而采取的不必要停钻。
随着油田的不同，所需要检查的装备种类也有轻微的变化。忽视所用装备的种类，这种试制检查对象不但要包括井口装备，同时还要考虑到下游的管线和设备，例如分离器，计量管，集输管线，收集液，水处理设备，压缩机。
在正式投产前，检查步奏如下所示：
注意
确保你完全遵照了国际，国家和当地的环境与安全规定。同时你可能还需要将你准备在该区域开采这一事件通告该区域的代理人。
提前通知资源购买方供气日期，给予对方一定的时间做一些必要的准备或者调整。另外，你还需要保证所提供的气相成分达到与购买方所签合同说明中的标准。
确保出油管线和输油管道已准备完成且连接上合适的装备。
如果使用了分离器壳体，确保排水阀已经关闭，液体调压阀已经安装且工作正常。
如果通过分离器的气体需要排气，确保已根据调节需求安装了合适的排气装备。
在哪里生产决定了你所需要排气装备的种类。一些国家的油气管理部门要求
排出气体需要通过地面燃烧塔处理。通过与当地的油气管理部门联系，你可以得到所需的地面设备要求，例如井口装置的最小距离与高度等。
打开在井口装置与分离装置之间所有的流动阀门。
检查所有的气测装备并确保其能测量气体的流动参数。
由于最初气体流动是小规模的流动，需要对流量计导管或测量装备进行耐压测试来确保数据没有丢失。
检查孔口流量，确保在大量的气体排出时孔板尺寸能与之匹配。
检查图表记录或涡轮计量计来确保都已经过校正。
在有效气体流动开始之前，检查地面气体压缩机确保其有充足的容量来收集气体。
从压缩机安装时起，负载条件就随之变化。这是由于来自其他井口的气产量的补充以及吸收和排放压力的变化造成的。
井的卸载
校正了地面生产装备之后，你需要卸载井口流体到一个凹坑或存储槽中后开始采气。在the Black Warrior Basin（盆地）中，操作员普遍使用如下两种手段之一来卸载煤层气井。
l 注入压缩空气或者氮气
l 压降反排
注入压缩空气或者氮气
在压裂处理回流之后，为了尽快的卸载井使之投入生产，一些煤层气操作员向井内注入压缩空气或氮气。通过持续向井内注入压缩空气或氮气一天或更长段时间后，操作员可以使井下水排空，清空井下固体碎屑，之后快速的建立气体生产流动。
虽然这个方法相对于抽汲完井更快，但是它很容易对煤层造成伤害。为了避免地层伤害，需要减慢一定的速度进行井的卸载。通过注入空气或氮气来提高液面会对主地层面造成大的压力降。这种压力降会使得细小的煤粉进入压裂裂缝中，这会使得裂缝的导流能力明显降低。
压降反排
完成压裂地层和洗井产生回流之后，就可以安置生产油管和井下泵来进行压降反排（井下泵的有关信息参考第六章）。随着井下水的泵出，油藏压力开始下降，甲烷开始随之从煤表面析出，同时开始流入井筒中。
与常规天然气井不同，当你对一口煤层气井进行关井时，将会失去很大部分的生产潜力。当关井时，地下水会侵蚀油藏同时提高油藏压力。这就造成了要再次开井生产时，必须要再次进行降压反排作业。
当进行降压反排时，将会创造一个接近于井筒压力的压力降，这使得水和气从地层流向井筒。在井筒附近的气饱和度在开始时会很高，这样，如果你从环形空间（在其中绘制气压）中太过快速的排除气体，气和水就会在井筒中产生脉冲。这种冲击常常携带具有破坏性的煤粉通过筛孔进入到井筒中。
警告:
采用过快的流动速率生产一口井会导致井筒内产生脉冲问题，这会造成筛孔，泵和地面装备的堵塞。井内的脉冲问题还会造成地层的伤害，还会造成煤粉堵塞裂缝造成气产量递减。
通过the Rock Creek project的实际经验我们可以看出，当采用过快的流动速率少至15-20分钟以后，气井就会被煤粉和沙粒堵塞住。
由于每一口煤层气井都有其独特的流动特性，你需要在参考所处油田和邻近油田的实际经验数据之后，建立一个气井压降反排的基本速率。通过在the Rock Creek project以及在the Black Warrior Basin的一些区块中的操作经验 ，已经建立了一套压降反排技术，可以很好的减少煤粉和沙的出现。你将发现这套技术在你的领域中也同样有效。
降压反排技术
从the Rock Creek project中的生产经验中得知在新的煤层气井开采中采用低速开采会带来如下的一些好处：
l 减少井下残留物，减少除净的次数
l 减少井底和地面设备的问题
l 通过延长气井寿命增加气的产量
在the Rock Creek project中使用的降压反排的工艺流程描述如下：
1. 保持地面的环空阀门紧闭。
确保套管-油管环空阀门是使用的球形阀。在反排泵送时你需要使用此阀门来控制气体的流动量。
2. 开始泵送反排的速率以开始降低井内水面的要求为参考。
3. 在产水速度接近于泵的设计能力时关闭检测器。
n 如果你观测到产水量明显的减少时，检查泵确保其运转正常。关于泵的故障检修的资料，参考第七章。
n 在泵运转正常的前提下，使用回声测距仪观测井内液面。
注意
如果你使用的是渐进腔式泵，请确保流动液面全过程超过泵。如果液面低于泵可能会烧损电动机。
4.通过在井内使用回声测距仪细致的监控液面位置。
5.当水液面靠近泵的入口处时，缓慢打开球阀以一定的稳定速度放出环空内气体，或者轻微的减少井口压力。此目的是保持套管内具有充足的回压来预防气和水在井筒内产生湍震。
l 如果在你打开球形阀时环空压力急剧降低，此时需关闭球形阀同时持续泵出。在几小时或一天之后，重复第四步。
6.在接近泵的设计能力的速率下对气井持续泵出。保持对套管头压力的监控，同时通过球形阀调节气体流动从而保持一个稳定的（或缓慢降低的）环空压力。
注意
不能快速的开启环空压力阀。过快的放出环空气体会是井筒内形成气和水的湍震从而造成气井被煤粉和沙子堵塞。
7.通过持续进行降压反排降低井内液面深度。
随着环空气体压力的降低，如果来自煤层中的水供给量超过泵出速率，则你将观察到井内液面的递增。
虽然每一口煤层气井的流动特征是不同的，但是随着你从实际油藏和生产区块中获得的经验增加，你将会更好的为你的气井确定高效的泵速。
在泡沫压裂处理之后的降压反排
如果你曾经进行过泡沫压裂处理，你可能经历过在分离设备和出油管线中的起泡问题。大多数的地层会在环空中形成柱状泡沫。随着环空压力的降低，泡沫破碎，使得水和夹带的固体从泡沫中掉落。随着泡沫在井筒内的衰变，这就不会造成问题。但是，如果环空内的泡沫达到一定的速率在环空内上升，泡沫就将通过井筒到达地面设备，造成水在集气运输管道中的堆积。如果流动的泡沫过多，泡沫会堵塞水分离器同时造成集气运输管道的溢流问题。
在the Rock Creek project中的经验表明通过保持环空内的回压来降低泡沫流动速率可以有效的阻止泡沫流入地表设备中。在泡沫压裂处理之后进行降压反排的步奏，如Technique for Pumping Wells Down（在前面章节中提及）所介绍的。
注意
由于水会在低温下快速的浓缩的原因，在寒冷的天气下泡沫往往会造成很大的问题。所以在低温情况下进行降压反排，打开闸门缓慢的降低环空压力预防泡沫进入输油管线。在温暖的天气下，泡沫会在地面集输管线中蒸发，但是仍然会在油田采油管线凝结。
泡沫压裂措施之后气体检测技术要求
如果使用液氮泡沫压裂，在产出气进入销售管道之前需要进行氮含量分析。如果氮含量超过合同技术要求，你就需要在井场对早期产出气进行处理直到氮含量到达标准。同时如果产出气混合了气藏内其他气体，氮含量可能被稀释至不需要做处理。
注意
在排出任何气体之前，你应该获得当地油气管理部门以及环境部门的授权。
如果气体内氮含量很高，（BTU英国热量单位）气体的BTU含量将不够运行气体压缩系统或泵送单元。因此，如果氮污染气体只有气体可利用时，你需要设置丙烷气体罐用以供给压缩系统或泵送单元直到氮含量下降到足够值。
正式生产
在压降反排使得流体到达地表之后，你需要准备好将气井连入生产设备正式进入生产。如下的步骤会帮助你正式投产：
1.调整在分离器的浮动臂杆和浮动阀之间的杆式联动装置，确保在浮动冲程底部的排出阀已关闭。
2.打开排液管线阀门。
3.使采出水气进入分离器。
4.监控分离器中液面位置确保调压阀的尺寸可以满足预计最大产出水流速率。
5.在生产早期仍需持续监测分离器和井筒。
井和装备问题的故障检修
由于经济条件对煤层气开发的制约，具有能很快的诊断和校正操作错误的能力是成功所必须的。其中一些问题只是对应于煤层气，而另外一些问题则是与多数油矿开发操作相同的。本节将会讨论如何认识和校正如下几种共同问题：
l 人工举升
l 生产油管
l 分离设备
l 地面管道系统
l 气体压缩机
人工举升问题的故障检修
从煤层中开采的气需要持续不断的移除来自于储层的水分。因此，用于移除水的人工举升装备必须有效且可靠的进行运转。
这部分介绍如何诊断和校正人工举升中常见的一些操作问题：
l 有杆泵
l 渐进腔式泵
l 电潜泵
l 气举
在第六章中我们对其中的每一个原理以及在煤层气井中的应用都有细致的描述。
有杆泵的故障检修
有杆泵或抽油杆是人工举升方法中用于煤层气井脱水问题使用最广泛的。有杆泵系统由一个井底柱塞泵，一个抽油管住，一个地表抽油装置（抽油机），一个原动机（发动机）组成。图7-1描述了一个标准的有杆泵单元。
通过观察气液生产量的一些具有指示性的减少，可以检测到大多数井的问题。表7-2和7-3提供了当有杆泵产量减少时如何检测潜在的问题。
提高气体压缩机的速率
增加气体收集管线容量
来自其他井网系统的流量是否增加
收集管线头是否已满
压缩机进口压力是否很高
气体收集管线内的压力是否增加
调节管线中的固定回压
更换一个高阶的流量孔板
集气运输管线压力是否增大
通过不同孔眼的压力是否持续增长或者现场图表记录是否达到图表最大值
冲洗或者更换阀门
分离器出口的单向阀是否堵塞
冲洗分离器或检修浮动阀
分离器内水液面是否过高或者水停止从分离器中流出
冲洗管线或检查阀门
通向分离器的管汇或者入口单向阀是否受限
该口井结束抽水
水的流速是否增长
打开针状阀排除过滤器堵塞
地面管线过滤器是否堵塞
提高泵速或换用更高功率的泵
泵已经达到上限
地层可能受到侵害或射孔受到堵塞
在井筒内水柱是否上升
监控气体流动，根据控制湍震的需求调整井口阀门（湍震可能会持续到水柱低于地层）
调整井口阀门减少气体湍震
气体流动是否湍震
记录水的流速
缓慢的打开井口阀门增加气体流量
压力是否超过井口阀门
气体流速的标识性降低
排水引流
排水引流
增加气体收集管线容量
来自其他井网系统的流量是否增加
收集管线头是否已满
更换一个高阶的流量孔板
如下的指导纲要将会帮助你进一步的诊断和校正关于泵起重机，原动机和抽油杆串的问题：
确保泵机组的平衡稳定。可以通过两种方法确定其稳定性：
l 观察传动带的松紧变化。如果上冲程与下冲程的松弛程度明显不同，则机组可能不平衡。
l 通过原动机的的安培表查看电流。如果上下冲程中的电流量有显著不同的话，则机组可能不平衡。
如果泵机组不平衡：
l 确保泵机组与井口装置校直。
l 确保抽油杆导向器与油管头侧向垂直排列。
l 调整泵重直到设备平滑的运转
在前期生产中，环空内的水平面一般都很高。因此，相对应的砝码应该尽量靠近井轴。随着环空内液面的下降，应随之周期性的调整砝码远离中轴，使得上冲程中的含水重量增加。
减少抽油杆住的磨损：
l 使用扳手或安装自动旋转器，周期性的转动1/4立柱。这个工序会使得抽油杆更加耐磨。
l 在立柱中运转一个短的抽油杆或“抽油杆短节”。这样无论何时立柱运行，都会使立柱从不同于上一位置的位置重新运行。这一措施可防止立柱长时间在同一位置磨损。
l 在抽油杆住中使用尼龙杆导向器。你可以在每一个钻杆节点处或其他节点处使用此导向器，这取决于对抽油杆住的预测磨损。由于钻孔底部往往很弯曲，钻杆在这里磨损都会很严重。
通过检查在泵的三通管（井口设备）处的针状阀，可以测定抽油杆住是否分离。如果此处没有液体产出且针状阀交替吸入和排出气，则可以判定抽油管住已经断落。
每年通过对电动机电流的转换改变电动机的转向。
这项工艺措施可提高电动机齿轮的磨耗。
每隔30-60天或由开发商指定日期，对泵设备进行润滑。
每年更换一次变速箱油。当更换油时，检查变速箱底部，清除底部含水。
渐进腔式泵的故障检修
渐进腔式泵是人工举升应用于煤层气井开发的第二常用手段。在the Black Warrior Basin中的许多区块中渐进腔式泵都有广泛的应用。
渐进腔式泵由地面传动装置，抽油管住和一个地下泵组成。地面传动装置由一个电动机和皮带轮构成，其中皮带轮用来传动泵和抽油杆住。构成井下泵的关键零件是转轮和挡板。转轮是一个外部单层螺旋状模型，圆形横截面，由高张力钢材精确机加工而得的。而挡板是由内部双层螺纹状模型，通过耐磨弹性材料连接合金钢管所得。当转轮在挡板内转动时，形成对底部的孔洞，从底部吸收液体传至顶部，而发射端则将地层流体通过泵传入到油管中。在转子和固定挡板的螺旋纹之间的持续不断的密闭使得流体以与泵的旋转速度直接成比例的固定速度稳定流动。
注意
如果未将渐进腔式泵完全潜入液体中，将会造成其烧毁。因此，需要周期性的使用回声测距仪在井中检查液面位置。之后可以通过调整泵速或改变泵的规格来确保泵在液面之下。
图7-4显示了在发现产量低于预期水平时如何对渐进腔式泵进行故障检修。
想要更多了解关于渐进腔式泵，可查看本章最后的附录。
电潜泵的故障检修
很多特殊的技术已经开始在电潜泵方面广泛使用。关于这些技术的描述请参考本章最后涉及的Petroleum Engineering Handbook and The Technology of Artificial Lift Methods, Vol. 2a . See Additional一文。
注意
由于电潜泵的传热问题会在井底泵内造成一定规模的水垢沉淀。这最终会堵塞泵并造成其烧毁。考虑在Black Warrior Basin中体现的一些积垢问题，电潜泵可能不适宜应用于该片区域。
气举设备的故障检修
气举设备的故障检修催生出很多专业技术。在本章的最后的Petroleum Engineering Handbook andThe Technology of Artificial Lift Methods, Vol. 2a .中介绍了这些技术。
气和水的流动速率显著减少
检测地层伤害。
液面是否仍然接近泵的入口
减少泵速直到泵被液面淹没
更换一个更小功率的泵
监控水的流速，通过调整泵速优化气体流动
液面是否仍然接近泵的入口
液面是否接近泵的入口
监控水的流速，通过调整泵速优化气体流动
水的流动速率是否超过预期水平
更换更大尺寸的转筒来平衡定子的磨损
修理或更换泵
监控水的流速，通过调整泵速优化气体流动
起出套管检查是否泄漏。更换损坏的套管
泵是否完好
取出泵检查是否损坏或磨损
水的流动速率是否超过预期水平
缓慢的增加泵的速率
使用回声探测仪检测环空内液面位置
泵的维修设计
无论你选择哪种类型的泵，最终泵都需要维修。如下的准则将帮助你将关井起泵维修的时间缩短到最小。
l 准备备用泵已保证避免停钻生产和修进设备所带来的不必要的时间。
在井区维修泵远不如在车间维修泵来的有效率。
l 当选择地勤人员时，请调用有过维修这类特殊种类泵的员工。
l 如果一个柱塞泵是已经使用过的且相对较新的，你就需要清洁单向阀，去除泥壁，之后重新启动泵。相对的，很旧的泵就需要送到车间中检测其内部是否严重磨损。车间人员会以毫米为单位检测其内部的耐受度，以确保其密封性与运转的正常。
l 在生产初期泵的维修很频繁，随着采出碎屑硬块的减少，泵的维修也就随着减少。
生产油管
在生产油管柱中的漏失会减少泵效，减少气体在油管/套管环空中的上升流动。这其中一个最常见的问题就是在内或外压力下的漏失的联系。你可以通过避免如下的操作来减缓这个问题。
l 没有对每一段油管和其连接处做充足的检查。
l 对连接处施加不正确的扭矩。
l 在连接前没有对多线程进行合适的清理。
l 由于粗心的对扣，过快的组装，使用被损坏的连接，过扭矩或者在生产过程中的管线震荡造成的多线程磨损。
l 管柱掉落（即使很小的一段）
l 过多的组装和拆卸连接
l 在传输或者在场地时油管的误操作。
在the Rock Creek project中为了延长套管管柱的寿命，无论合适管柱起出后，再次下入井中时都将以相反的次序下入。因此，原来在井底位置的管柱会转换到顶部位置。这套工序有效的避免了抽油管住在同一位置的磨损。
为了达到相同的目的，也可以使用一节短的油管连接在管柱上，在你起下钻的时候不断的改变短管的位置。
发现油管泄漏
如果你怀疑油管柱泄漏，你可以使用下列的几种简单方法来确定的检测出油管是否发生了较大的泄漏。
1. 检查环空压力
2. 检查在T型泵中的针型阀的压力
3. 如果上述两种压力是相同的，或者两者都是为零的，则管柱发生泄漏。
参考图7-2和7-3可以区别管柱发生泄漏与井的其他问题相区分。
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当检测出明显的泄漏时起出管柱，检查其断裂或孔洞，检查时往往寻找那些由于地层水染色造成的色斑。这些染色造成的色斑就是一些平常难以检测到得细小裂缝的标识物。
在the Rock Creek project中大多数的管柱裂缝是在管柱下方部分发现的，这是由于在井底附近井筒更容易产生偏移。井筒的位移问题和随之而来的裂缝数量的增加，都会随着井深的增加而扩大化。
分离设备
大多数的分离器问题是由其通道或零件内的固体沉淀造成的。下列准则会帮助你避免大多数由固体堵塞造成的问题：
l 周期性的清洗分离器。
如果你在分离器底部发现矿泥，请立即清理该容器。
l 确保分离器的单向阀门工作正常。
当单向阀门运转正常时，你可以听到液体流过阀门时传出的不大的静电干扰声。
l 周期性的清理倒泄阀同时检查阀门底座确保其密封性。同样需要检查浮阀装置确保其运转正常。
如果浮阀装置没有彻底的清理，他会卡住造成分离器溢流出液体进入气体管线中。
地面管汇
为确保在测量流动时安全的操作设备和仪表，应该避免煤粉进入收集系统。即使气体携带了少量的煤粉，气体的速度流动也会很快的造成磨损以及堵塞涡轮流量计和流量孔板。
从the Rock Creek project的实际操作经验中我们可以得知在煤粉进入集输系统之前在井口出对其进行移除可以很大大减少维修费用。你可以通过在井口安装微筛孔线路过滤器来有效的防治煤粉。筛布会保护下游装备，例如涡轮流量计，流量孔板等。
下述的附加准则可以帮助你维护地面管道系统：
l 周期性的用水冲洗地面出油管线和集输管线，预防管线中淤泥的形成。在井场用泵通过集输管线排出水时，产生明显的压力激增则表明管线内有淤泥的形成。
注意
如果你准备回流一口经过酸化处理的井，请准备好用水冲洗出油管线和集输管线。回流中的酸会造成淤泥的松散，造成下游装备的堵塞。
l 周期性的检查在水线内的真空断路器，确保其基座清洁以保证运转正常。
如果基座清洁不达标的话，你将观察到水从真空断路器的孔板中流出。
l 周期性的检查收集液，确保未被堵塞。检查在自动收集液中的浮阀装置确保未被卡住。
在寒冷的天气下或在井增产之后，由于气流中的含水量增大，要求更频繁的去检查收集液。
气体压缩机
在煤层气开采中气体压缩机或许最重要的装备之一。因为煤层气的开采是在低压下进行的（在the Black Warrior Basin 中1/2-30帕斯），所以气体不会在管道内自然流动。因此，没有一个有效的压缩设备，你就不可能进行煤层气开采。
与常规气藏的气体压缩相比，煤层气气体压缩在某些方面相对简单。因为煤层气近乎98%都是甲烷，基本不含会造成压缩机阀门损害的重氢。
对煤层气的压缩问题最大的挑战就是如何高效的在压缩前将气中水分脱离出。解决这个问题你需要选择合适的脱水装备。参考第六章可以了解选择压缩装备的方法。
为确保压缩机持续高效运转，你需要保持一个连续的维护程序。最好的维护程序可能是由生产商推荐的。但是，随着你对实际油田经验的积累和掌握，你也会增加一些经过事实验证的附加保养方法。
在the Black Warrior Basin中压缩机操作员往往遵循两个独立的维护安排表——一个是发动机维护表另一个是压缩机维护表。他们通过经验得出如下几种维护准则可以减少压缩机问题：
压缩机动力系统的维护
l 每运行1000小时（近似每42天）更换一次发动机机油和过滤装置。
l 检查发动机阀门的耐磨性
通过监测阀门的磨损值，你可以估算出需要停钻维修的时间。这种估算可以帮助你匹配其他必要的油田维护。
l 考虑固定发动机的利用垫片正确的定位发动机和压缩机螺栓扭矩。
l 对维护作业进行规划以便所有必须的工作能在同时完成，减少闭井时间和停机时间。
压缩机的维护
l 每隔六个月更换一次压缩机机油。每运行1000小时更换一次油过滤器。
l 采送一份使用过的压缩机机油样本送至实验室分析其污染物。
形如金属微粒之类的机油污染物可以暗示出磨损和其内部零件失效，或密封与垫片的漏失。
l 每运行1000小时，对压缩机所有外部螺栓进行紧密度的检查。按照其合适的扭矩拧紧查处的松散的螺栓
工作区块的恒定震动会造成螺栓的松散。
l 每隔三个月检查一次压缩机阀门的磨损耗程度。与此同时，检查活塞在层间碎石带的磨损耗程度。
l 为安全起见每月检查一次设备的安全阀。
防止压缩机事故的第一步就是安装合适的装备。详见第六章的关于选择压缩机和压缩机设备的说明。
第八章 产出水的净化和处理
如何处置产出水是煤层甲烷开发项目获得成功的关键问题。某些经营者已经启动了开发项目，再钻探和完井上投入了大量的时间和资金，但是由于在产出水的处理方面遇到了麻烦，一开始就未能出售甲烷气。产出水的净化和处理再日常操作费用中占很大比例，所以，对这项作业计划失当会增加意料不到的支出，从而使一个可能有利可图的项目的经济效益减少。
水处理方面出现的问题常由多种原因造成，如未能仔细了解产出水的特征，没有可用的产出水净化和处理方案，不了解各种方案的成本，不清楚有关这些方案的法规要求。在项目开初即进行地质和工程评价，有助于防止许多与水处理相关的麻烦。
本章提出了在制定产出水处理计划中应考虑相关的麻烦:
l 煤层甲烷产出水的特征
l 与水处理有关的法规和许可证
l 设计水处理系统时考虑的问题
l 产出水净化和处理方法
煤层甲烷产出水的特征
在黑勇士盆地，一般在排水开始后的1-30天就有气体流出。但也有些井需要排水数周或者数月才开始产气。在最初的一个月里，气井水产量通常比出事产量下降达70-90%。而后是缓慢减少，在气井开采期限其余时间的某一点这种下降通常达到稳定情况。达到这一稳定水量所需的时间与储层规模和井间距有关。储层规模和井间距越大，则排水期就越长。
煤层甲烷气井的产出水量通常与地址特征，煤层渗透率，完井方式，以及所用泵的规格有关。一个典型气井，抽水初期产水量通常很大，以后随着煤层排水，水量逐渐减少。水量的这种变化过程，对那些初始水产量高的和低的气井都适用。
在产气过程中水质和水量会发生变化。影响产出水水质的因素很多，但是，煤层的类型和埋深是最主要的影响因素，一般来说，深煤层产出水要比浅煤层产出水含有更多的矿物质。浅煤层水可能与含矿物质少的浅表地下水具有水里连通性。
煤层储层产出水的水质因地而异，有很大的变化。在某些地区，产出水水质与饮用水无区别。影响煤层甲烷储层水质的主要指标是总溶解固体量（TDS），其中包括氯化物的浓度。美国东部产出水中总是溶解固体量的变化范围是500-27000mg/l，西部为200-4000mg/l
煤层甲烷产出水的结垢
水垢是由产出水中的矿物质沉淀结晶形成的。井筒和生产设备中形成水垢，会减少流量和损坏设备。
影响水垢形成的因素有：
l 不配伍水的混合
l 接触时间
l 温度变化
l 压力降
l 蒸发
l 搅动
l Ph值
上述的一种或者多种因素会在下列部位形成水垢：煤体，裂缝，射孔，井筒，井下泵，油管，套管，管线，水处理系统。
在黑勇士盆地，经常能在井下泵上发现水垢，通过井下摄像机也在射孔上发现水垢。再大多数情况下，结垢是由压力降和搅动引起的。结垢会造成产量的急剧下降。但对于黑勇士盆地的碳酸钙水垢，可以用泵注盐酸和铁多价螯合剂酸洗的办法清除。
在某些情况下，水垢也可以形成于套管外部和压裂裂缝中。裂缝中的水垢会严重影响气产量，并且难以清除。
水垢的化学成分取决于形成水垢的地下水。常规油田中最常见的水垢类型有：碳酸钙垢，石膏，硫酸钡垢和氯化钠垢。黑勇士盆地中最常见的就是碳酸钙垢。
碳酸钙垢
通常是由于压力下降后碳酸氢盐离子中释放出二氧化碳而形成。二氧化碳一旦从溶液中释放出，ph值增加，碳酸盐溶解度减少，促使更多的可溶碳酸氢盐转变成不溶碳酸盐。
碳酸钙垢的结垢特性是：
l 结垢性随温度升高而增加
l 结垢性随ph值增加而增加
l 结垢性随接触时间增加而增加
l 结垢性随紊流效应增加而增加
l 结垢性随水的搅动增加而增加
当水中总盐含量（不包括钙离子）达到每1000g水含120gNaCl量，碳酸钙垢的结垢性便会降低。但当NaCl浓度继续增加时，则会降低CaCO3的溶解度，反而增加碳酸钙垢的结构性。
石膏垢
石膏垢的成分是硫酸钙。石膏垢的结垢特性是：
l 结垢性随压力下降而增加
l 结垢性随水的搅动而增加
l Ph值为6-8时不受影响
硫酸钡垢
一般是由两种不配伍水的混合所造成。一种水含有可溶性钡盐，另外一种水含有硫酸盐离子。硫酸钡垢的结垢特性是：
l 结垢性随温度降低而增加
l 结垢性随着水合物蒸发而增加
铁垢
铁垢经常是由氧化铁和硫化铁等侵蚀作用产物造成的，硫酸盐还原菌可以产生硫化氢，硫化氢与水中的铁离子或铁质材料表面相互作用形成硫化铁。如果是氧化环境，则氧与水中的铁离子反应后会沉淀出氧化铁，与铁质材料表面反应生成氧化铁薄膜。
预测产出水的结垢趋势
煤层甲烷产出水的结垢趋势通常是根据实际工作经验得出的，虽然可以通过分析井下水样来预测井下结垢特性，但是由于需在储层压力温度条件下采样，其成本很高，故在煤层甲烷作业中一般很少采用这种预测方法。
井口地表条件下的水样分析尽管不能精确的预测井下结垢特性，但是可以大致获得产出水中碳酸钙垢的结垢趋势。一般来说，如果产出水碳酸钙过饱和，且超过碳酸氢盐碱度含量10%时，则有结垢的趋势。
识别水垢类型
可以用下述方法识别水垢类型：
X射线衍射分析
X射线衍射分析是最常用的鉴别水垢类型的方法。把水垢样本制作成粉末状，用x射线照射到样品上。由于水垢中每种结晶质化合物具有不同的x射线衍射特征，因而可以用来识别水垢。这种方法需用的样品量很少。
化学分析
讲水垢样品研磨后溶于化学溶剂中，用标准滴定和沉淀技术分析化学元素。
起泡检验
此法用于鉴别碳酸钙垢，将盐酸滴在垢样上，如果起泡则为碳酸钙垢，最常用的机械清除方法是再次射孔和用刀片刮削原有的射孔，最为成功的化学清除方法是泵注盐酸和铁多价螯合剂酸洗。
预防结垢
在黑勇士盆地，预防结垢的一种有效的方法是在压裂作业的同时泵注水垢抑制剂。压裂服务公司会向你推荐适用的水垢抑制剂。如果遇到的结垢问题比较严重的话，则应考虑经常沿环状空间向下进行结垢处理。
注意
在向气井泵注任何化学制剂之前，确保该化学制剂已经通过检验，它与地层水是配伍的，不会对煤层造成污染。还需要确保该化学制剂按项目排放许可证是可以使用的。
有关煤层甲烷水化学的更多资料，参阅本章末尾处的补充资料目录
与水处理有关的法规和许可证
在黑勇士盆地，煤层气田的开发是由亚拉巴马州石油天然气管理局进行管理的。OGB为所有煤层气井颁发钻探许可证，气井排布方式及生产程序。
产出水一般按照所使用的特定的处理方式来管理。例如，产出水回注作业就必须遵守安全饮用水法地下注入控制程序。而煤层气田产出水由于层位浅和相对洁净，只需要根据洁净水发获得NPDES许可证，即可将产出水排入地表水系。此许可证有地表水系所在州的环保管理机构颁发。由于黑勇士盆地几乎所有的煤层气的产出水都向地表水系排泄，因此亚拉巴马州环境管理部门负责甲烷气产出水排放许可证颁发和监督工作。
如还需了解所在地区的排放法规和许可要求的资料，请与该州油气管理机构和环保机构接洽。
设计水处理系统时需要考虑的问题
为了设计一个经济有效的水处理系统，首先应该考虑所在地区的环境管理法规和许可要求。一旦了解了这些限制性条件，就可以开始评价影响水处理系统选择的现场标准了。
设计该系统时，许了解或评价一下五个因素：
l 设计生产开工时间表
l 各井产出水量
l 开发项目整个生产期的流量变化
l 水质
l 接受产出水的河流的同化能力
生产开工时间表
确定产出水现场处理要求的第一步工作，是编绘每个设计井的预计生产开工日程表，该表以钻探和完井计划表为依据，据此表可以估算出气田整个生产期产出水总量。气井开始生产时间的确定对任何某个时间所需处理的水量有明显的影响。
各井产出水量
由于初始储层压力下降，煤层气井的产出水量很大。随后，出水量一般明显的快速下降，再相当长的时间里维持较低的稳定流量。
可以应用各种方法来估计产出水流量。比如，可以把各井渗透率输入一个水力模型进行计算。也可以应用煤层气储层模拟模型来预测水流量。
黑勇士盆地某些经营者采用一种更加适合于现场的方法来估计已经钻探但尚未生产的气井的产水量。他们在钻井过程中密切检测泥浆池，计算所钻遇的每一含水层流入的水量。当钻井终孔时，便把压缩空气注入井筒底部洗井，时间为几个小时，同时检测返回地标的水量。这种技术主要用来确定气井所需泵的规格，但也可用于大致的估计各井产出水处理要求。如果在井筒中有含水砂层时，就不能使用这一方法。
开发项目整个生产期的流量变化
开发项目整个生产期的流量变化，如同初期水量和新井开工时间一样重要。可以采用储层模拟方法或采用邻井水量历史分析方法来估算每一口气井的产水量变化。
水质
影响煤层气井水质的主要因素是总溶解固体量（TDS），其中包括氯化物浓度。美国东部产出水的TDS的变化范围为500-2700mg/l,西部为200-4000mg/l。
煤层气井水中需要处理的其他成分有生物化学需氧量（BOD）和宗铁含量。一般来说，在产出水处理前溶解氧浓度必定增加。
产出水的总体水质决定了产出水的排放方法。比如，在亚拉巴马州，煤层气井产出水可以看做与其他类型工业废水或城市生活废水一样的。因此只要产出水满足许可标准，即可以排放到地表水系中。但是排放之前必须申请和获得NPDES许可证。许可证规定，排放时必须监测水质，水质需要在许可标准之内。
接受产出水的河流的同化能力
同化能力是指州管理部门允许向河流排放的氯化物最大浓度。根据历年来河流旱季水流量确定同化能力。目前，亚拉巴马州确定的氯化物最大同化能力为230mg/l。但是，当河流中的氯化物浓度达到190mg/l时，就必须关井停止排放。
有关上述五个因素的详细讨论，参阅本章末尾补充资料目录。
产出水净化和处理方法
指定一个产出水管理计划需要了解一下内容：产出水特性，处理过程的适应范围，各个处理方案的成本，以及现有环境法规对产出水处理的限制性条款。在水处理计划定型之前，还需与所在地区有关管理机构接洽，以确认该计划符合现有法规要求。
为了经济的开发煤层气，需要制定一个有效的产出水处理战略。制定一个综合性产出水净化和处理计划，是确保气田开发满足环保要求和按期施工作业的必要条件。
黑勇士盆地煤层气产出水净化和处理方案通常可以分为三类：
l 在地表净化处理产出水
l 在处理井内处理产出水
l 处理压裂后的废水
在地表净化处理产出水
在法规许可的地区，采用地表净化和处理产出水的方法是成本最低的方案。采用该方案前需要先获得NPDES许可证，此证由州或联邦保护局（EPA）颁发。
由于亚拉巴马州河流各个季节水量稳定，土壤疏松多空，水质良好，所以该州黑勇士盆地广泛采用地表法来处理煤层气产出水。尽量在将来对地表处理方法的限制可能变严格，但是目前该方法却可以为应用此法的地区提供一种既可以满足环保要求，同时成本又低的选择。
目前，NPDES只为两种地表处理方法颁发许可证，即土地直接利用法和控制性向河流排放阀。
土地直接利用法
即用地下管线将产出水从各个井引到邻井的植被覆盖区，然后用普通细网眼喷头将水喷成雾状。
土地直接利用法的成本或许是最低的。但是相对其他方法而言，对其要求较为严格。例如。亚拉巴马州政府规定，采用此法时的总溶解固体量不得超过2000mg/l，而且不得造成土壤被侵蚀流入附近河流中。
最初采用土地直接利用法的气田是亚拉巴马州的布洛克伍德和橡树林沟煤层气田。但是随着煤层埋深的加大，产出水中TDS变得越来越高，于是不得不停止采用土地直接利用法，转而采用控制性向河流排放。
近来亚拉巴马州环保法规规定，在取得产出水处理许可证之前，必须做两部分技术评价。第一部分评价包括作业区目前的土壤和水文状况。第二部分包括野外作业工程问题，如作业设备和生产设备等。
其他州政府的许可证要求也许相同或者不同。为了了解所在工作区域目前的法规要求，请与所在州的环保机构联系。
控制性向河流排放法
目前，对采用地表河流稀释法处理产出水的规定是，河流中的氯化物浓度必须保持在230mg/l以下，排放水中的铁离子浓度月平均值不得超过3mg/l。要求经营者监测排放点上游和下游的
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