CN105806757A - 一种煤层气井产出液煤粉浓度在线监测方法及监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在线监测煤层气井产出液煤粉浓度的方法：确定静止地层水密度温度修订值；确定流动地层水密度流量修订值；测取流动条件下产出液密度；计算校正出静止条件下产出液密度；确定煤层气井地层煤粉密度；确定煤层气井产出液煤粉浓度。监测装置包括煤粉浓度测量单元和测量信息处理单元，煤粉浓度测量单元包括气液分离罐，气液分离罐输出口通过出液管连接有密度传感器、流量传感器，出液管设置有温度传感器，密度传感器出液口连接有排污管；测量信息处理单元包括数据采集模块、数据处理模块和无线数传模块。本发明可以降低劳动成本，提高监测精度，实现煤层气井产出液煤粉浓度在线监测，适用于煤层气井开采。

Description

一种煤层气井产出液煤粉浓度在线监测方法及监测装置

技术领域

本发明涉及一种监测方法及监测装置，更具体的说，是涉及一种煤层气井产出液煤粉浓度在线监测方法及监测装置。

背景技术

煤层气井是通过长期排水降压方法降低储层压力开采，在排采过程中煤层气井伴随着煤粉的产出。目前我国主要采用有杆泵、螺杆泵和电潜泵来实现排水采气，三种排采方式能够承受最大煤粉浓度在3.0％-8.0％之间，一般微细颗粒煤粉以悬浮液的形式携带至地面，中粗、较粗颗粒煤粉过量堆积堵塞泵吸入口，产出液煤粉浓度过大导致煤粉卡泵、抽油杆断脱及井底煤桥胶结等故障发生，导致频繁检泵作业。频繁作业会导致井底流压大幅度波动，进而破坏气、水、煤粉流态连续性而影响单井产能。

排采速度过快造成煤粉产出量增加，在地面直观表现为产出液煤粉浓度增加。煤层气井井口煤粉浓度是重要排采指标。

目前煤层气排采过程中产出液煤粉浓度的监测主要有设备监测和人工监测两种方式。人工监测主要是在煤层气现场采用量杯取样通过观测产出液颜色，并经过静止沉淀后人工读取数据方式求取煤粉浓度。该煤粉浓度测试方法耗时长、人工成本高，且不能实现连续监测煤粉浓度，因个人能力水平的差异性，测试结果准确性难以保证，该监测方法平均误差10％-45％。

设备监测应用较少，主要有中国矿业大学(北京)刘升贵副教授设计的测量煤层气井产出液煤粉质量百分比浓度的方法及装置。该装置是基于测定的第一密度、第二密度和煤粉密度确定煤粉质量百分比，同时给出煤粉质量百分比预设阈值。该装置能够实现煤粉质量百分比，但只能定期取样倒进装置中对其煤粉质量百分比测定，仍为单点测量手段，不能实现随着产出液煤粉质量百分比在线测量。河南理工大学倪小明副教授设计的煤层气井排采过程煤粉监测系统，该系统主要是模拟排采过程中的电场环境，监测煤粉中带电性煤粉的含量，及时了解泵上煤粉含量。通过流量和密度变化得到一级过滤网与其上方电极板上的煤粉质量，以及二级过滤网与一二级过滤网之间的电极板上的煤粉质量，两者之和为该段时间内排采水中的煤粉总量。取出一级过滤网和二级过滤网，进行干燥处理，即可得到过滤网上的煤粉含量。用煤粉总量去掉过滤网上的煤粉含量，即为煤粉中具有带电性的煤粉的含量。该装置可以真实的监测到煤层气井排采过程中产出水所含有的煤粉含量，对于现场排采过程中采取措施控制煤粉含量具有一定的指导意义，但因操作过程中需要将取出过滤网干燥处理，未实现真正意义上的煤粉含量在线监测，同时所测定煤粉含量为流动条件值，为校正到静止下煤粉含量值，在一定程度上精度有所损失。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种煤层气井产出液煤粉浓度在线监测方法及监测装置，可以降低劳动成本，提高监测精度，实现煤层气井产出液煤粉浓度在线监测。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的在线监测煤层气井产出液煤粉浓度的方法，包括以下步骤：

步骤一，确定静止地层水密度温度修订值；

步骤二，确定流动地层水密度流量修订值；

步骤三，在煤层气井的井口处测取所述煤层气井井口流动条件下产出液密度；

步骤四，根据上述步骤一的静止地层水密度温度修订值、步骤二的流动地层水密度流量修订值和步骤三的流动条件下产出液密度，计算校正出静止条件下产出液密度；

步骤五，确定所述煤层气井地层煤粉密度；

步骤六，基于上述步骤一的静止地层水密度温度修订值、步骤三的静止条件下产出液密度和步骤四的地层煤粉密度，确定煤层气井产出液煤粉浓度。

所述步骤四中静止条件下产出液密度通过以下公式一计算获得：

${\mathrm{\ρ}}_{m\left(S\right)}={\mathrm{\ρ}}_{m\left(M\right)}\×\frac{{\mathrm{\ρ}}_{w\left(T\right)}}{{\mathrm{\ρ}}_{w\left(Q\right)}}$

其中，ρ_m(S)为静止条件下产出液密度；ρ_m(M)为流动条件下产出液密度；ρ_w(T)为静止地层水密度温度修订值；ρ_w(Q)为流动地层水密度流量修订值。

所述步骤六中煤层气井产出液煤粉浓度通过以下公式二计算获得：

$c_{\left(S\right)}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{m\left(S\right)}-{\mathrm{\ρ}}_{w\left(T\right)}}{{\mathrm{\ρ}}_c-{\mathrm{\ρ}}_{w\left(T\right)}}$

其中，ρ_c为地层煤粉密度；c_(S)为静止条件下煤粉浓度；ρ_m(S)为静止条件下产出液密度；ρ_w(T)为静止地层水密度温度修订值。

所述步骤五中煤层气井地层煤粉密度，通过以下两种方法确定：

方法一：直接对所述煤层取样，按照体积法求取煤层气井地层煤粉密度；

方法二：在煤层气井井口取产出液浓度相差较大两个样品，按以下公式三分别计算出两个静止条件下煤粉浓度所对应的地层煤粉密度，然后对求得的两个地层煤粉密度取平均值即可：

${\mathrm{\ρ}}_c=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{m\left(M\right)}\×\frac{{\mathrm{\ρ}}_{w\left(T\right)}}{{\mathrm{\ρ}}_{w\left(Q\right)}}-{\mathrm{\ρ}}_{w\left(T\right)}+c_{\left(S\right)}{\mathrm{\ρ}}_{w\left(T\right)}}{c_{\left(S\right)}}$

其中，ρ_c为地层煤粉密度；c_(S)为静止条件下煤粉浓度；ρ_w(T)为静止地层水密度温度修订值；ρ_m(M)为流动条件下产出液密度；ρ_w(Q)为流动地层水密度流量修订值。

本发明的在线监测煤层气井产出液煤粉浓度的监测装置，由装置本体构成，所述装置本体包括无线连接的煤粉浓度测量单元和测量信息处理单元，

所述煤粉浓度测量单元包括带排气口的气液分离罐，所述气液分离罐输入口连接有带阀门的进液管，所述气液分离罐输出口通过出液管连接有密度传感器、流量传感器，所述出液管设置有温度传感器，所述密度传感器出液口还连接有带阀门的排污管；

所述测量信息处理单元包括数据采集模块、数据处理模块和无线数传模块。

所述数据采集模块采用24bit高精度AD采集产出液密度、温度和流量数据。

所述数据处理模块根据温度校正表和流量校正表对采集的流动条件下产出液密度进行修正计算出静止条件下产出液密度，再根据所述静止条件下产出液密度和地层煤粉密度，计算出煤层气井产出液煤粉浓度。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明中，确定煤层气井地层煤粉密度两个方法中，方法一简单容易，方法二实操性很强，在没有地层煤粉密度测定值时，可现场任意取两个样品计算出地层煤粉密度；

(2)本发明中，先基于静止地层水密度温度修订值、流动地层水密度流量修订值和流动条件下产出液密度，计算校正出静止条件下产出液密度，再根据所述静止条件下产出液密度和地层煤粉密度，计算出煤层气井产出液煤粉浓度，通过将流动状态下测得产出液密度通过流量和温度校正到静止状态下，再计算出静止状态下产出液煤粉浓度值，可确保煤层气井产出液煤粉浓度测量值的准确性；

(3)本发明中，气液分离罐用于分离煤层气产出液中的游离气，避免因气体的存在影响流动条件下产出液密度测量精度；密度传感器用于测量煤层气井流动条件下产出液密度；温度传感器用于测量煤层气产出液温度，基于煤层气产出液温度确定煤层气井产出水密度的温度修正；流量传感器用于测量煤层气产出液流量，基于煤层气产出液量确定煤层气井产出水密度的流量修正；

(4)本发明中，密度传感器出液口还连接有带阀门的排污管，便于处理长时间煤粉浓度测定引发的煤粉浓度测量单元内煤粉堆积，方便后期煤粉清理，并使本发明具备自清洗功能；

(5)本发明中，煤粉浓度测量单元能够连续测出流动条件下产出液密度、温度和流量，同时将这些数据通过无线方式传到测量信息处理单元中的数据采集模块，进而在数据处理模块进行数据处理，将处理后所需数据通过无线数传模块传给电脑进行显示，能够实现对煤层气井产出液煤粉浓度的在线连续监测，且能够降低人工成本。

附图说明

图1是本发明在线监测煤层气井产出液煤粉浓度的监测装置的结构示意图。

图2是图1中测量信息处理单元的工作流程图。

附图标记:1气液分离罐；2排气口；3进液管；4阀门；5密度传感器；

6出液管；7流量传感器；8温度传感器；9排污管；10测量信息处理单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明的在线监测煤层气井产出液煤粉浓度的方法，具体包括以下步骤：

步骤一，确定静止地层水密度温度修订值：通过室内评价实验得到所述煤层气井产出水在不同温度下的密度值，绘制出温度校正表。

步骤二，确定流动地层水密度流量修订值：通过室内评价实验得到所述煤层气井产出水在不同温度、流量下的密度值，绘制出流量校正表。

步骤三，在煤层气井的井口处测取所述煤层气井井口流动条件下产出液密度。

步骤四，根据上述步骤一的静止地层水密度温度修订值、步骤二的流动地层水密度流量修订值和步骤三的流动条件下产出液密度，计算校正出静止条件下产出液密度，所述静止条件下产出液密度通过以下公式一计算获得：

${\mathrm{\ρ}}_{m\left(S\right)}={\mathrm{\ρ}}_{m\left(M\right)}\×\frac{{\mathrm{\ρ}}_{w\left(T\right)}}{{\mathrm{\ρ}}_{w\left(Q\right)}}$

其中，ρ_m(S)为静止条件下产出液密度；ρ_m(M)为流动条件下产出液密度；ρ_w(T)为静止地层水密度温度修订值；ρ_w(Q)为流动地层水密度流量修订值。

步骤五，确定所述煤层气井地层煤粉密度；

步骤六，基于上述步骤一的静止地层水密度温度修订值、步骤三的静止条件下产出液密度和步骤四的地层煤粉密度，确定煤层气井产出液煤粉浓度，所述煤层气井产出液煤粉浓度通过以下公式二计算获得：

$c_{\left(S\right)}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{m\left(S\right)}-{\mathrm{\ρ}}_{w\left(T\right)}}{{\mathrm{\ρ}}_c-{\mathrm{\ρ}}_{w\left(T\right)}}$

其中，ρ_c为地层煤粉密度；c_(S)为静止条件下煤粉浓度；ρ_m(S)为静止条件下产出液密度；ρ_w(T)为静止地层水密度温度修订值。

所述步骤五中煤层气井地层煤粉密度，通过以下两种方法确定：

方法一：直接对所述煤层取样，按照体积法求取煤层气井地层煤粉密度；

方法二：由公式一和公式二可得地层煤粉密度表达式为：

${\mathrm{\ρ}}_c=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{m\left(M\right)}\×\frac{{\mathrm{\ρ}}_{w\left(T\right)}}{{\mathrm{\ρ}}_{w\left(Q\right)}}-{\mathrm{\ρ}}_{w\left(T\right)}+c_{\left(S\right)}{\mathrm{\ρ}}_{w\left(T\right)}}{c_{\left(S\right)}}$

在煤层气井井口取产出液浓度相差较大两个样品，按上述地层煤粉密度表达式分别计算出两个静止条件下煤粉浓度所对应的地层煤粉密度，然后对求得的两个地层煤粉密度取平均值即可：

${\mathrm{\ρ}}_{c1}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{m\left(M\right)}\×\frac{{\mathrm{\ρ}}_{w\left(T\right)}}{{\mathrm{\ρ}}_{w\left(Q\right)}}-{\mathrm{\ρ}}_{w\left(T\right)}+c_{1\left(S\right)}{\mathrm{\ρ}}_{w\left(T\right)}}{c_{1\left(S\right)}}$

${\mathrm{\ρ}}_{c2}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{m\left(M\right)}\×\frac{{\mathrm{\ρ}}_{w\left(T\right)}}{{\mathrm{\ρ}}_{w\left(Q\right)}}-{\mathrm{\ρ}}_{w\left(T\right)}+c_{2\left(S\right)}{\mathrm{\ρ}}_{w\left(T\right)}}{c_{1\left(S\right)}}$

${\mathrm{\ρ}}_c=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{c1}+{\mathrm{\ρ}}_{c2}}{2}$

其中，ρ_c为地层煤粉密度；c_(S)为静止条件下煤粉浓度；ρ_w(T)为静止地层水密度温度修订值；ρ_m(M)为流动条件下产出液密度；ρ_w(Q)为流动地层水密度流量修订值。c_1(S)为静止条件下煤粉第一浓度值；c_2(S)为静止条件下煤粉第二浓度值；ρ_c1为地层煤粉第一密度值；ρ_c2为地层煤粉第二密度值。

本发明的工作原理：产出液煤粉浓度值是根据煤层气井产出液煤粉密度和水的密度浓度加权平均得到的，且产出液密度是在生产流动状态下测得，而产出液煤粉浓度为静止状态下浓度值，所以需将流动状态下测得产出液密度校正到静止状态下可确保其准确性。产出水的密度在不同流量和温度下存在一定差异，需进行产出水密度的温度和流量修订分析。

如图1所示，本发明的在线监测煤层气井产出液煤粉浓度的监测装置，包括无线连接的煤粉浓度测量单元和测量信息处理单元10。

所述煤粉浓度测量单元包括带排气口2的气液分离罐1，所述排气口2用于气液分离后游离气的排放，所述气液分离罐1用于分离煤层气产出液中的游离气。所述气液分离罐1输入口连接有带阀门4的进液管3，用于与气井口连接，引入产出液。所述气液分离罐1输出口通过出液管6连接有密度传感器5、流量传感器7，所述密度传感器5用于测量煤层气井流动条件下产出液密度，所述密度传感器5可采用压差式密度传感器，其精度为0.07％，用于保证产出液煤粉浓度测量精度为0.1％，通径为DN50，用于减小摩阻和流态对测试结果的影响。所述流量传感器7用于测量煤层气产出液流量。所述出液管6设置有温度传感器8，用于测量煤层气产出液温度。所述密度传感器5出液口还可通过三通连接有带阀门4的排污管9，便于处理长时间煤粉浓度测定引发的测量装置内煤粉堆积，方便以后定期清洗煤粉，使本发明具备自清洗功能。

所述测量信息处理单元10包括相串联的数据采集模块、数据处理模块和无线数传模块。如图2所示，所述测量信息处理单元10的工作流程：所述数据采集模块可采用24bit高精度AD采集产出液密度、温度和流量数据，所述数据处理模块根据温度校正表和流量校正表对采集的流动条件下产出液密度进行修正计算出静止条件下产出液密度，再根据所述静止条件下产出液密度和地层煤粉密度，计算出煤层气井产出液煤粉浓度，最后通过无线数传模块将温度、煤粉浓度等数据远传至电脑，电脑上显示温度、煤粉浓度等数据。所述无线数传模块可选用MOXANW2150A型号，为工业串口转无线模块，可以将采集模块的串口信号转换为无线信号发射出去，接收装置为普通的无线网卡或无线路由器，运行于PC机上的软件负责对接收到的数据解码、显示、并保存。

以上参照附图和实施例对本发明的技术方案进行了示意性描述，该描述没有限制性。本领域的技术人员应能理解，在实际应用中，本发明中的各技术特征均可能发生某些结构或形状的变化，而其他人员在其启示下也可能做出相似设计。特别需要指出的是：只要不脱离本发明的宗旨，所有显而易见的细节变化或相似设计，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种在线监测煤层气井产出液煤粉浓度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，确定静止地层水密度温度修订值；

步骤二，确定流动地层水密度流量修订值；

步骤三，在煤层气井的井口处测取所述煤层气井井口流动条件下产出液密度；

步骤四，根据上述步骤一的静止地层水密度温度修订值、步骤二的流动地层水密度流量修订值和步骤三的流动条件下产出液密度，计算校正出静止条件下产出液密度；

步骤五，确定所述煤层气井地层煤粉密度；

步骤六，基于上述步骤一的静止地层水密度温度修订值、步骤三的静止条件下产出液密度和步骤四的地层煤粉密度，确定煤层气井产出液煤粉浓度。

2.根据权利要求1所述的一种在线监测煤层气井产出液煤粉浓度的方法，其特征在于，所述步骤四中静止条件下产出液密度通过以下公式一计算获得：

${\mathrm{\ρ}}_{m\left(S\right)}={\mathrm{\ρ}}_{m\left(M\right)}\×\frac{{\mathrm{\ρ}}_{w\left(T\right)}}{{\mathrm{\ρ}}_{w\left(Q\right)}}$

其中，ρ_m(S)为静止条件下产出液密度；ρ_m(M)为流动条件下产出液密度；ρ_w(T)为静止地层水密度温度修订值；ρ_w(Q)为流动地层水密度流量修订值。

3.根据权利要求1所述的一种在线监测煤层气井产出液煤粉浓度的方法，其特征在于，所述步骤六中煤层气井产出液煤粉浓度通过以下公式二计算获得：

$c_{\left(S\right)}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{m\left(S\right)}-{\mathrm{\ρ}}_{w\left(T\right)}}{{\mathrm{\ρ}}_c-{\mathrm{\ρ}}_{w\left(T\right)}}$

其中，ρ_c为地层煤粉密度；c_(S)为静止条件下煤粉浓度；ρ_m(S)为静止条件下产出液密度；ρ_w(T)为静止地层水密度温度修订值。

4.根据权利要求1所述的一种在线监测煤层气井产出液煤粉浓度的方法，其特征在于，所述步骤五中煤层气井地层煤粉密度，通过以下两种方法确定：

方法一：直接对所述煤层取样，按照体积法求取煤层气井地层煤粉密度；

方法二：在煤层气井井口取产出液浓度相差较大两个样品，按以下公式三分别计算出两个静止条件下煤粉浓度所对应的地层煤粉密度，然后对求得的两个地层煤粉密度取平均值即可：

${\mathrm{\ρ}}_c=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{m\left(M\right)}\×\frac{{\mathrm{\ρ}}_{w\left(T\right)}}{{\mathrm{\ρ}}_{w\left(Q\right)}}-{\mathrm{\ρ}}_{w\left(T\right)}+c_{\left(S\right)}{\mathrm{\ρ}}_{w\left(T\right)}}{c_{\left(S\right)}}$

其中，ρ_c为地层煤粉密度；c_(S)为静止条件下煤粉浓度；ρ_w(T)为静止地层水密度温度修订值；ρ_m(M)为流动条件下产出液密度；ρ_w(Q)为流动地层水密度流量修订值。

5.一种在线监测煤层气井产出液煤粉浓度的监测装置，由装置本体构成，其特征在于，所述装置本体包括无线连接的煤粉浓度测量单元和测量信息处理单元，

所述煤粉浓度测量单元包括带排气口的气液分离罐，所述气液分离罐输入口连接有带阀门的进液管，所述气液分离罐输出口通过出液管连接有密度传感器、流量传感器，所述出液管设置有温度传感器，所述密度传感器出液口还连接有带阀门的排污管；

所述测量信息处理单元包括数据采集模块、数据处理模块和无线数传模块。

6.根据权利要求5所述的一种在线监测煤层气井产出液煤粉浓度的监测装置，其特征在于，所述数据采集模块采用24bit高精度AD采集产出液密度、温度和流量数据。

7.根据权利要求5所述的一种在线监测煤层气井产出液煤粉浓度的监测装置，其特征在于，所述数据处理模块根据温度校正表和流量校正表对采集的流动条件下产出液密度进行修正计算出静止条件下产出液密度，再根据所述静止条件下产出液密度和地层煤粉密度，计算出煤层气井产出液煤粉浓度。