CN110520596A - 脱水和运行煤层气井的方法 - Google Patents

Abstract

一种从煤层气井除水的方法，该煤层气井包括外套管，煤层气和水在煤层气井的下部区域附近流入该外套管中，该方法包括将加压的甲烷运送入煤层气井的下部区域中，加压的甲烷用于将水从煤层气井的下部区域提升并使其向上朝地面流动。本发明还提供一种从煤层气井除水的系统。该方法可以改装现有的CSG井。

Description

脱水和运行煤层气井的方法

技术领域

本发明涉及一种脱水和运行煤层气井的方法。

背景技术

天然气历史上由传统油井或传统气井来生产。在传统油井中，将井钻入地里，并且衬有外套管。将内生产管插入穿过外套管。油进入生产管并且穿过该生产管上升到地面。如果天然气携带在油中，则在地面处使天然气与油分离，并且或是捕获用于销售或是处理。气举或鼓泡泵通过如下方式来提升流体如油：引入压缩气体如空气、水蒸气或其他气体的气泡，由此降低气/液混合物相对于仅液体的密度并将液体油带出井孔。油生产中气举的目的是当储层压力不足以这样做时，将油液体移动到地面以生产。

在更近的时间，煤层气已经变成天然气的主要生产源。煤层气(CSG)主要是甲烷。CSG通过结合到煤粒子表面来在地下煤层中收集。许多煤储层中的煤层是水饱和的，并且水压将吸附的气体保持在煤表面上。

为了生产煤层气，将井钻入煤层中，并且外套管用于井的内衬。设置外套管以便流体可以从储层进入其中，例如通过在煤层附近的外套管中具有穿孔来实现。将内管插入穿过套管。煤层气流入外套管中并且向上流动穿过外套管和内管之间的环状空间。

为了使水饱和的井开始生产，经常需要初始时除去大部分的水。这种“脱水”导致将储层压力降低到在此处以明显的速率发生甲烷从煤表面解吸的点。在气体生产达到最大速率之前可以需要长时间的脱水。

人工提升系统如泵被用于脱水。螺杆泵(PCP)通常用于气井脱水，这归因于其泵送这样的水的能力，该水可以含有颗粒内容物如来自水力压裂的悬浮沙、煤或土壤粒子以及溶解的固体。PCP装置典型地包括安装在井口上的泵电机，其借助于延伸穿过生产管的驱动棒来连接到井底泵上。然而，关于PCP系统存在显著的缺点，包括重要地与泵的维护或更换相关的高成本，因为必须将这些泵从井中抽出。性能问题和维护源于：

·由疲劳、磨损和流体不相容性问题等导致的定子损坏；

·由磨损、热开裂、疲劳问题等导致的转子损坏；

·由疲劳、过度扭矩问题等导致的抽油杆柱损坏，和

·由磨损和腐蚀问题等导致的管柱损坏。

影响PC泵系统性能的另外的运行因素是：

·由气体进入泵导致的过热，这引起弹性体溶胀和过热；

·固体，其引起堵塞；

·泵在推荐的参数(其取决于井特性)之外的不正确运行；

·长期的不工作或“干井”条件；

·昂贵的修井，这归因于损坏的、出故障的或寿命末期的PC泵；和

·PCP在转速方面不能被容易地控制，由此对于可变的流量具有直接影响。

通常认为气举不适合用于煤层气井，因为所述井的目的是生产出气体，而非如油回收的情况那样回收液体。将另外的气体从地面引入井中不利于将气体沿井向上输出，或从储层中生产另外的气体，并且具有引入不想要的稀释剂如氮气或蒸气到产出气中的显著缺点，这降低了其价值。出于这些原因，没有地方应用气举来回收煤层气。

如上所述，为了从煤层气地层中产出气，必需降低井中的压力以便引发甲烷从煤上解吸并且使其流入井中。降压需要从煤层除水，并且这样的水也流入井的外套管中。这些水中的大部分在重力作用下与气体脱离并且在井底部处收集，并且典型地使用潜水机械泵来将所述水向上泵送穿过内管，以便其可以从井中除去。将理解，如果过量的水在井底部中积聚，则静水压力将倾向于抑制煤层气从煤层流入井中。

大量的固体细粒和颗粒材料也在煤层气井中产生，并且它们倾向于伴随流入井中的水流入井中。这导致细粒/颗粒/固体在井中积聚，这可阻挡水从井中流出并且还引起关于机械泵的显著的摩擦和维护问题。

可以看出，产出煤层气需要对井进行初始和持续的脱水，这导致显著的成本。目前位于煤层气井底部的机械提升泵易于因气体干扰和产生的细粒而损坏，导致高的停机时间和维护成本。

显然将理解，如果本文中提及现有技术公开文献，则这种引用不构成承认所述公开文献构成澳大利亚或任何其他国家中所述领域中的公知常识的一部分。

发明概述

本发明的一个目的是提供一种将气举应用于煤层气井的方法，该方法增加了价值并且部分或完全地避免或克服或改善了上述障碍和缺点或为消费者提供了有用的或商业的选择。在一些实施方案中，本发明提供一种将气泡辅助的气举应用于煤层井的方法。

根据前述内容，本发明在一种形式中宽泛地在于一种从煤层气井除水的方法，该煤层气井包括外套管，煤层气和水在煤层气井的下部区域附近流入该外套管中，该方法包括将加压的甲烷运送入该煤层气井的下部区域中，该加压的甲烷用于将水从该煤层气井的下部区域提升并使其向上朝地面流动。

本发明中使用甲烷作为蒸气组分避免了用不想要的成分污染或稀释煤层气的问题。

贯穿本说明书中，术语“甲烷”将用于表示纯甲烷和天然气二者，天然气主要是甲烷，但是也可以含有一些其他气态组分。

在一种实施方案中，在地面处使水与甲烷分离。在一种实施方案中，与水分离的甲烷包含已经运送入该煤层气井中的甲烷和在该煤层气井中产出的甲烷。

在一种实施方案中，将与水分离的甲烷的至少部分作为加压的甲烷返回到煤层气井的下部区域。

在一种实施方案中，该煤层气井包括内管，并且甲烷和水通过气举或在一些实施方案中通过气泡辅助的气举穿过该外套管和该内管之间的环状空间来除去。在这种实施方案中，机械提升泵可以仍然运行以通过该内管提供另外的除水。

在另一实施方案中，该煤层气井包含外套管且不具有内管。

在一种实施方案中，加压的甲烷经由延伸到该煤层气井的下部区域中的一个或多个气体注入位置的管或管子运送入煤层气井中。在一些实施方案中，将加压的甲烷经由延伸穿过由外套管所限定的体积的管或管子或经由沿外套管的外部部分延伸的管或管子送入煤层气井中。

在一种实施方案中，加压的甲烷通过将甲烷送到压缩机和在该压缩机中增加甲烷的压力，且随后将加压的甲烷运送到该煤层气井的下部区域来提供。

在一种实施方案中，将加压的甲烷运送到位于在该煤层气井的下部区域中的积水平面之下的区域。

在本发明的实施方案中，将加压的甲烷运送到该煤层气井的下部区域用于提供气泡辅助的气举。在气体沿井柱或井孔上升时随着其膨胀形成气泡，并且在气-液混合物接近地面时，起泡的或气泡状流动引起合并的流体密度降低。为了简要且便于说明，贯穿本说明书中的气-液混合物将是指气泡。

在本发明的一些实施方案中，可以加入一种或多种添加剂以有利于形成稳定的气泡。该一种或多种添加剂是合适的环境可接受的且对于下游操作、特别是对于处理从煤层气井除去的水的下游操作来说是无害的。将理解，从煤层气井除去的大部分水是相当盐化的，并且处理方法包括将产出水泵送到盐池或盘以用于蒸发或通过如下方式处理产出水：将产出水送过反渗透设备以产生净化的水流和浓盐水流。如果使用添加剂来辅助在井柱中产生稳定的气泡，则那些添加剂不应当不利地影响例如反渗透设备的运行。适合于此目的的多种添加剂已经在文献中得到确认。本领域技术人员将能够容易地确定合适的添加剂以用于这方面。

在一种实施方案中，添加剂包含盐或盐溶液。在一种实施方案中，添加剂包含从煤层气井产出水的处理中回收的浓盐水溶液，例如从煤层气井产出水的反渗透处理中回收的浓盐水溶液。

在其他的实施方案中，该添加剂可以包含一种或多种表面活性剂。该一种或多种表面活性剂可以是生物可降解的和无毒的。该一种或多种表面活性剂可以包含一种或多种磺酸盐表面活性剂。

有利地，在本发明方法中发生的气举如气泡辅助的气举还用于将固体细粒或固体颗粒从井的下部区域上升。有利地，固体细粒或固体颗粒充当气泡的稳定化组分且因此还有助于在煤层气井柱中保持稳定的气泡。一旦固体细粒和固体颗粒已经上升到地面，则可以使用传统固体分离技术使其与气体和液体部分分离。由于该分离步骤在地面上进行，因此其可以比任何类似的可以在井的下部区域中进行的方法更好地运行和控制。

同样，在其中不使用PCP或杆式泵的本发明的实施方案中，气泡辅助的气举消除了甲烷在井口处泄漏的机会，因为其消除了PCP或杆式泵所必需的动态密封旋转或移动轴的需要。

在一些实施方案中，井的井底压力通过主动且动态地管理气泡密度来控制。井底压力(BHP)，其是影响气体产出的一个重要的控制因素，主要取决于井柱中的液柱头，其在本发明中主要通过气泡密度来设定。气泡密度可以通过控制井中的液气比来控制，例如通过调节运送到井下部区域的加压的甲烷的量或通过使用添加剂来控制。

在煤层气井中，井底压力越低，从来自井的气体产出速率的角度来说越好。然而，从储层的角度，设定来自井的整体产出，以便气体产出速率与需要的相匹配(并且其可以根据需要、合同问题如预先登记的管线接口(access)等而波动)。典型地，来自储层中的一些井的生产速率是节流的，这有效地表示井底压力升高以及进入那些井的气体释放速率下降。在实际中，气体流量可以从零到井能够运送的最大值之间变化。在后者的情况下，井底压力通过地面上的集气管压力加上井中的压力损失(其主要由流体头引起)来设定。因此，对于机械泵送来说，存在尽可能低的降低水平面的动机，这增加了将气体引入泵中的风险，对于泵是有害的。在本发明中，期望的是可以实现最大的L:G比并且仍然具有气泡。

在无气泡辅助的气举的情形下运行的煤层气井中的液气比(L/G)在井寿命期间变化很大。在运行开始时，煤层气井将典型地仅产出水，这意味着L/G比非常高(几乎无穷大)，并且L/G比随气体开始产出而降低。

在本发明的实施方案中，在甲烷注入井中之后L/G比可以落入0.005-0.3、或0.025-0.25的范围内。据信约0.25的L/G比将在井中产生致密的气泡。在一些实施方案中，本发明还包括将井中的L/G比控制到期望的水平。

在一些实施方案中，本发明的方法进一步包括测量井下部区域中的井底压力并将井底压力控制到期望范围内的值。

本发明实施方案的方法还包括使水与气体分离的步骤。这种气-液分离可以在地面处发生。可以使用传统气-液分离技术，其实例包括文献中所述的机械、声学和化学方法。例如，超声分离器可以用于破坏气泡和因此使气体与液体分离。在其他的实施方案中，可以将气-液混合物进料到储罐，在此期间气泡将自然破碎。作为另外的可替代方案，可以将气-液混合物进料到低压(如旋风分离器中或改进泵的吸入)区域，这将引起气体从气泡中爆裂，由此破坏气泡。在其他实施方案中，气泡通过化学手段来破坏。例如可以将引起气泡破坏的化学品加入气泡中。

一旦气体已经与液体分离，则可以将其移动到气体储罐、气体处理过程或气体运送管线。在其中进料到井的下部区域的加压的甲烷包含从井回收的气体的实施方案中，将与液体分离的气体的至少部分进料到压缩机，以便其可以被加压并运送到井的下部区域。

在一些实施方案中，多个煤层气井将气-液混合物或气-液-固混合物提供到相关的分离装置，在该装置中使固体和液体与气体分离。可以将气体中的一些提供到压缩机并且该压缩机可以将加压的甲烷运送到多个煤层气井中的至少一些或全部。以此方式，所需压缩机的数目将最小化。控制运送到每个煤层气井的甲烷的流量可以通过在每一个将每个煤层气井连接到压缩机的管线中提供控制阀来实现。

在一些实施方案中，分离装置在地面处提供，并且该分离装置接收来自多个煤层气井的气-液混合物或气-液-固混合物。同样，这减少了破坏气泡和/或将固体和液体与气体分离所需的分离单元的数目。

本发明的方法可以用于其中使用机械泵人工提升系统的现有煤层气井。在这样的实施方案中，本发明的气泡辅助气举系统可以用于减少机械泵所需的泵送量或在机械泵已经被移除以用于维护或维修的同时保持井的生产。在其中机械泵提升系统仍然就位的同时使用本发明的方法的实施方案中，气体和水经由泵管/泵柱和井的外套管之间的环状空间从煤层气井除去。

本发明的方法还可以用于新的煤层气井。在这些实施方案中，将无需将泵管/泵柱插入井中。结果，如果井必须还足够大以接纳泵管/泵柱，则可以形成比否则所需直径相比更小的直径井。因此，可以降低与钻井相关的成本，因为可以形成更小直径的井，其将具有较低的钻井成本和较低的套管成本。

本发明还涉及一种从煤层气井除水的系统。因此在第二方面，本发明提供一种从煤层气井除水的系统，该煤层气井包括外套管，煤层气和水在煤层气井的下部区域附近流入该外套管中，该系统包含运送装置以用于将加压的甲烷运送入煤层气井的下部区域中，该加压的甲烷用于形成气泡，该气泡上升穿过煤层气井，由此将水从煤层气井的下部区域提升。

在一种实施方案中，该系统进一步包含分离装置，其用于接收气泡并使水与甲烷分离。

在一种实施方案中，气体压缩机是针对根据以上第一或第二方面的系统所述的气体压缩机，其具有反转的入口和出口、或改线的连接管道。

本发明第二方面的系统优选特征可以参考本发明第一方面的方法来描述。

根据第三方面，提供一种用于煤层气(CSG)井的脱水系统，所述井具有井口、被生产套管包围的生产管，并且该管和套管二者都与煤层储层流体连通，在煤层储层中底部处收集的水干扰气体提取，该系统包含：气体压缩机，其具有与生产套管流体连通的出口，并且是可运行的以将压缩的产出气注入生产套管中，以使得注入的压缩产出气沿生产套管向下行进驱使产出气进入生产管中，由此降低生产管内的静流体柱压和反过来引起产出水和产出气的共混溶液或混合物沿生产管向上行进以分离和转移。

在一种实施方案中，将产出水和产出气的共混溶液/混合物运送到分离器设备以使产出水与产出气分离，并且其中气体压缩机流体连接到气体分离器以接收所分离的气体中的一部分用于压缩和随后再注入到套管中。气体压缩机可以例如是往复式压缩机。

在一种实施方案中，在脱水的初始阶段期间，在此期间存在提取产出气的最小可行性或不能提取产出气，气体压缩机是可运行的以注入独立于CSG井供给的气体。该独立于CSG井供给的气体可以是适合于与CSG井脱水过程一起使用的惰性气体如氮气。在另一实施方案中，该独立于CSG井供给的气体可以是甲烷。

在一种实施方案中，气体压缩机配置成流体连接到一个或多个便携式惰性气体四边形物(quads)、锥形物(bullets)或类似物上以接收惰性气体。

根据第四方面，提供一种用于CSG井的脱水系统，该井具有井口、生产管和生产套管，并且其中该管和套管二者都与煤层储层流体连通，其中水饱和干扰气体提取，该系统包含：位于该生产管内的气体注入管，并且其基本上上沿该生产管的长度延伸；气体压缩机，其具有与该气体注入管流体连通的出口，并且是可运行的以将压缩的产出气注入该气体注入管中，以使得注入的压缩产出气一旦离开该气体注入管的端部进入该生产管，则产生该生产管内的静流体柱压的压降，这反过来引起产出水和产出气的共混溶液或混合物沿生产管向上行进以进一步分离和转移。该过程反过来引起产出水和产出气朝该生产套管和该生产管移动，以作为与CSG井脱水相关的自然迁移过程的一部分来提取。该产出水和产出气的共混溶液或混合物可以呈气泡形式。

在一种实施方案中，将该产出水和产出气的共混溶液/混合物运送到分离器设备以使产出水与产出气分离，并且其中气体压缩机流体连接到该分离器以接收所分离的产出气中的一部分用于压缩和随后再注入到生产套管中。该气体压缩机可以例如是往复式压缩机。

在一种实施方案中，在脱水的初始阶段期间，在此期间存在提取产出气的最小可行性或不能提取产出气，气体压缩机可以注入独立于CSG井供给的气体。该独立于CSG井供给的气体可以是适合于与CSG井脱水过程一起使用的惰性气体如氮气。在另一实施方案中，该独立于CSG井供给的气体可以是甲烷。

在一种实施方案中，气体压缩机配置成流体连接到一个或多个便携式惰性气体四边形物、锥形物或类似物上，以用于接收惰性气体。

根据第五方面。提供一种用脱水系统改装具有预先存在的气体提取用泵驱动设备的CSG井的方法，该方法包括：从井口移除预先存在的泵驱动设备的泵驱动单元；安装气体压缩机，以使得压缩气体出口与CSG井的生产套管流体连通，该气体压缩机是可运行的以将压缩气体注入生产套管中，以使得产出气沿生产套管向下行进驱使产出气进入生产管中，由此降低生产管内的静流体柱压，这反过来引起产出水和产出气的共混溶液或混合物沿生产管向上行进以进一步分离和转移。该产出水和产出气的共混溶液或混合物可以呈气泡形式。

在一种实施方案中，该方法进一步包括将气体压缩机的压缩气体出口连接到井口上的连接件上，该连接件之前用于从生产套管提取产出气。

在一种实施方案中，该方法进一步包括将之前用于从生产管提取产出水的井上的连接件连接到分离器上。

根据本发明的第六方面，提供一种用脱水系统改装具有预先存在的气体提取用泵驱动设备的CSG井的方法，该方法包括：从井口移除预先存在的泵驱动设备的泵驱动单元；如果装配有，则移除预先存在的泵驱动设备的驱动棒；在连接到井口的生产管内部安装气体注入管，该气体注入管基本上沿生产管的长度延伸；安装气体压缩机，以使得压缩气体出口与气体注入管流体连通，气体压缩机是可运行的以将压缩产出气注入气体注入管中，以使得注入的压缩产出气一旦离开气体注入管的端部进入生产管，则产生生产管内的静流体柱压的压降，这反过来引起产出水和产出气的共混溶液或混合物沿该生产管向上行进，以进一步分离和转移。该产出水和产出气的共混溶液或混合物可以呈气泡形式。

根据第七方面，提供一种优化表现不佳的CSG气体井的方法，该井具有最小的产出水含量，但是具有低产出气压力或低产出气流动特性，该井具有被生产套管包围的生产管，并且该管和套管二者都与煤层储层流体连通，该方法包括：实施气体压缩机，以使得气体入口与生产套管流体连通，并且是可运行的以从生产套管提取产出气和/或产出水以改进产出气压力和流量。该产出水和产出气的共混溶液或混合物可以呈气泡形式。

在一种实施方案中，该方法进一步包括引导产出气和/或水在进入气体压缩机之前流过集水器/分离罐。

在本发明的所有方面，该产出水和产出气的共混溶液或混合物可以呈气泡形式。

在本发明范围内，本文中所述的任何特征可以以任意组合的方式与本文中所述的任何一个或多个其他特征组合。

本说明书中提及的任何现有技术不是且不应当被认为是现有技术构成公知常识的一部分的承认或任何形式的建议。

附图说明

参考以下附图将描述本发明的各种实施方案，附图中：

图1显示了使用机械泵作为人工提升系统的一种传统煤层气井的示意图；

图2显示了一种煤层气井的示意图，其中使用本发明的一种实施方案将气体和水运送到地面；

图3是具有传统的脱水用PCP装置的CSG井的示意图；

图4是图3的井口特写；

图5是图3的CSG井的示意图，其引入了根据本发明一种实施方案的脱水系统；

图6是图3的CSG井的示意图，其引入了根据本发明一种可替代的实施方案的脱水系统；

图7是图3的CSG井的示意图，其引入了根据本发明一种实施方案的脱水系统，该脱水系统类似于图4且具有可替代的分离装置；和

图8是图3的CSG井的示意图，其引入了根据本发明又另一可替代的实施方案的气体流动优化系统。

实施方案的描述

本领域技术人员将理解，出于说明本发明优选实施方案的目的提供附图。因此，将理解，本发明不应当被认为仅限于附图中所示的特征。

图1显示了传统煤层气井的示意图。在图1中，外套管110作为井孔的内衬。将内泵柱112插入穿过外套管110。潜水机械提升泵114位于泵柱112底部处或附近。外套管110包括在煤层120、122附近的穿孔116、118。在图1所示的井的运行中，气体和水从煤层120、122流过穿孔116、118并进入井的外套管中。气体在外套管110和泵柱112之间的环状空间113中上升。一些水与向上升的气体脱离并且在重力作用下落到井底部。机械提升泵114的运行引起水穿过泵柱112的内部被向上泵送到地面。

CSG井产生大量随井的寿命而变化的水。通常在CSG井中，气体向上流动且液体在环状空间中向下(待在井底部处通过泵来提取)。流态严重影响井压力特性以及因此的气体产出。逆流流动在高的气:液流量比下可不存在，这归因于其中液体流通过高气体流速而被(部分地)向上携带的逆流(液泛)。这种条件可以代表井运行寿命的主要部分。气泡通过降低将液体向上带到地面所需的气体速度而促进液泛(自由流动)。

图2显示了一种根据本发明运行的煤层气井的示意图。在图2中，外套管130作为井孔的内衬。井的底部延伸进入或穿过煤层132。外套管130对煤开口或具有穿孔，以便来自煤层132的气体和水可以流入井中。在运行中，细粒或颗粒形式的固体也将流入井中。管子34从压缩机136延伸到井基部附近的一个或多个注入点。管子134将压缩且加压的甲烷从压缩机136运送到井130基部附近的一个或多个注入点。注入甲烷以便降低井底部处的体积L/G比，例如降低到约0.1。井底部处的压力将取决于井的深度。

将加压的甲烷注入井基部导致形成气泡。为了增加气泡的稳定性，可以向井中加入一种或多种添加剂。分开的注入管可以用于供给一种或多种添加剂。可替代地，一种或多种添加剂可以通过管子134伴随甲烷注入。在一种实施方案中，浓盐水可以作为添加剂注入以增强气泡的稳定性。浓盐水可以从用于处理从CSG井除去的水的处理过程中回收。气泡的生成将通常需要将气体强力引入不纯的液体中。气泡的形成和稳定通过由以下组成的三级过程来控制：由重力引起气泡排水，由毛细管压差引发的气泡间气体的转移导致增大，以及由气泡之间液膜的稀薄化和破裂引起的气泡聚结。无机盐促进起泡并且抑制高于临界浓度的气泡消散。临界浓度取决于所存在的一种或多种盐的类型。例如对于NaCl来说，临界浓度是约100mM，并且该NaCl浓度可以有利地自然存在于来自煤层的井中产出的生成水中。然而，还令人期望的是，在一些实施方案中可以将另外的一种或多种盐加入井中。在一些实施方案中，本发明还包括以下步骤：确定用于保持稳定气泡的临界盐浓度和加入一种或多种添加剂。这也可需要分析由煤层所产出的水以确定其盐浓度，并且然后确定将多少添加剂加入井中以获得处于或高于临界盐浓度的浓度。气泡内的气体和压力也可以在气泡质量方面起作用。在一些实施方案中，可能的是煤层气井中所产出的水将具有足够的盐含量以有利于形成稳定的气泡，或可以需要加入典型地呈盐溶液形式的另外的盐。

随着细粒/颗粒材料也移入CSG井中，细粒/颗粒材料被捕集在气泡中。有利地，CSG水中的细粒倾向于充当气泡稳定剂，可能通过如下方式来实现：通过吸附在气-水界面处并降低系统的自由能，防止气泡聚结以及通过吸附在气-水界面处来阻碍增大过程。在昆士兰州的煤层气井中，细粒主要是夹层(interburden)的粘土粒子，并且具有应当稳定气泡的粒子形态、尺寸和疏水性。

在井底部处形成的气泡然后向上移动穿过井柱，这归因于井底部和井顶部之间的压力差。随着气泡上升穿过井柱，井中的压力下降，并且这引起气泡膨胀和气泡中L/G比减小。将理解，气泡由经压缩机注入井底部的甲烷、井中的产出气、井中的产出水以及气泡中所捕集的任何细粒组成。

一旦气泡已经到达地面，则将其送入分离器138中。分离器138破坏气泡并且形成水流140和气流142。水流140还包括随气泡上升到地面的细粒和颗粒。水流140可以被送去进一步处理，例如除去其中的细粒和颗粒并且然后进一步处理以除去其中的盐。可替代地，可以将液体泵送到尾矿坝或蒸发池。还可以使用针对水流的其他处理。

将气体流142的一部分经由管线144再循环到压缩机136。将气体流142的其他部分经由管线146送到气体存储装置或气体处理装置、或气体管线。流过管线146的气体代表来自CSG井的产出气。

将理解，压缩机136可以用于将加压的甲烷提供到多个CSG井。例如，可以将来自压缩机136的加压的甲烷供给到歧管，然后用多个供给管将加压的甲烷进料到多个CSG井中的各自之一。类似地，分离器138可以接收从多个不同的CSG井产出的气泡，并且随后破坏气泡并使气体与水和细粒分离。该分离器可以使用任何合适的已知分离技术，其可以破坏气泡并使液体与气体分离。

图3中所示的本发明的实施方案特别适合用于水饱和的CSG井。所述井的深度可以是200-2000m，尽管本领域技术人员将理解井的深度可以变化。如所示的，将CSG井引入与生产套管14流体连接的井口12。该井下装置典型地由生产管16组成，该生产管16轴向延伸穿过生产套管14到至少这样的深度，在此处开口与储层地层17流体连通，且在此处产出水和产出气的共混溶液或混合物在被称作“脱水”的过程中通过井下泵组件的作用“提升”到地面。地上装置典型地由井口组成，其连接到排出管线以将产出水运送到合适的水处理设备并将产出气运送到气体收集装置或将混合溶液或混合物运送到紧邻井口装置的合适的分离器。

另外参考图4，CSG井10引入了传统的螺杆泵(PCP)形式的脱水系统。PCP脱水系统包含电动机20，将其引入位于井口12顶部上的泵驱动头21中。电动机20是可运行的以驱动通过泵驱动棒24连接的位于生产管16底部处或附近的PCP22。更具体地，电动机20配置成借助于位于生产管16内部的泵驱动棒24驱动PCP22。向上泵送穿过生产管16的水通过产出水出口23离开，而产出气(即从煤层释放的)通过产出气出口25离开。

如现在将描述的那样，本发明的实施方案可以改装图4的井口12，以用气泡辅助的气举脱水系统替换PCP脱水系统。气泡辅助的气举脱水系统可以以很少的改变安装到现有的CSG井10配置中，并且有利地采用来自分离装置30(图5)的再循环产出气来开启所述脱水过程。可替代的，气泡辅助的气举脱水系统可以与没有装配任何形式的脱水系统的新CSG井或现有CSG井一起使用。

参见图5，显示了图3和4的CSG井，其安装有根据本发明一种实施方案的气泡辅助的气举脱水系统。气泡辅助的气举脱水系统包含分离装置30和气体压缩机32。

分离装置30设计成接收来自井口12的产出水和产出气的共混溶液或混合物或气泡，并且然后将该溶液/混合物分离成液体和气体以进一步分配。例如分离装置30可以包含用于使产出水脱气、使产出气脱水或使共混溶液或混合物分离的基本分离设备/容器。如图5所示，分离装置30与井口12的产出水出口23流体连通。分离装置30可以借助于任何合适的管子或柔性管连接到水出口23上。

气体压缩机32位于分离装置30的下游，并且是可运行的以通过控制阀(气动执行机构、旋转控制、降压或类似)接收一定百分比的分离的产出气，并且主要目的是具有运送足够的在气体压缩机所要求的压力和流量下的供气以保持最佳运行性能的能力。将产出气中的剩余部分引导到气体收集装置(未示出)以用于随后的分配。气体压缩机32可以是适合于压缩产出气的任何压缩机。例如气体压缩机可以是由IDEX Energy Group的分支机构Corken Inc.所制造的D691、T891、T791、THG602往复式工业气体压缩机型号(参见URLhttp：//www.corken.com)或是由PSG Dover Company的分支机构Blackmer所制造的NG161、NG162、NG163、NG172、NG173、NG361、NG362、NG363、NG372、NG373、NG602、NG603、NG612、NG613、NG642和NG942往复式气体压缩机型号(参见URL http：//www.psgdover.com)，或由Gardner Denver Group of Companies的分支机构Leroi所制造的LRG往复式气体压缩机型号系列(参见URL http：//leroigas.com/)或由Quincy Compressor所制造的QRNG往复式气体压缩机型号系列(参见URL https：//www.quincy compressor.com/)。如本领域技术人员将理解的，可以使用任何合适的压缩机。

作为方法构造的实例，气体压缩机32是可运行的以将产出气的部分从0-650kPag(0-94.3psig)的初始吸入压力和排出压力压缩直到10342kPag(1500psig)和8-891千标准立方英尺/天(MSCFD)的流量(对特定安装而言)。对于改装运行来说，用于驱动气体压缩机32的发动机33可以有利的是之前用于驱动泵驱动头21(图4中所示)的相同发动机20，并且将依据针对该解决方案所选择的气体压缩机来尺寸化。可替代地和在其中不存在可利用的电源供应的区域中，包括为气体压缩机32供能的其他驱动器的选项包括使用由脱水过程所产生的产出气的天然气发动机。气体压缩机32可以包括控制器，其允许以单机配置监控或通过客户远程遥测单元(RTU)系统远程控制气体压缩机。这种控制可以包括监控保持气体压缩机的最佳运行参数所必需的产出水流量、压缩机出口温度和压力波动以及监控来自井的产出水和产出气的运送。取决于系统设计的系统上的监控和控制仪器可以包括压差、正排量、速度和真实质量流量计，以及用于测量粘度、密度、浊度和电导率的仪器。可以将信息经由传感器传输回为终端用户提供实时更新的RTU系统。RTU系统可以或是现有的(未示出)或是可以根据需要来独立提供的。

气体压缩机32的出口流体连接到井口12，以用于将气体注入生产套管14中。对于改装应用来说，这可以通过将气体压缩机32出口连接到井口12的产出气出口25(即其之前与PCP脱水系统一起用于排出产出气)来实现。将理解，可以采用任何形式的连接或阀配置，条件是其允许将压缩气体通过井口12注入套管中。使用另外合适的柔性软管连接来连接气体压缩机32的吸入和排出连接件，以降低在任何硬管安装上的运行期间由气体压缩机32产生的振动。气体压缩机32配置可以是单机或多个结合到中心歧管上的气体压缩机排列，这取决于生产需求。柔性软管之间的连接件和井口12连接件具有相同尺寸(内径)和压力等级，以防止沿气体压缩机32吸入和排出口以及在气体压缩机32和井口12之间过大的压差。

现在将描述图5中所示的脱水系统的运行。在第一步骤中，开启气体压缩机32。在启动过程中，CSG井可以没有产出。这是水饱和的结果，该水饱和影响气体产出流量并导致短缺或没有产出气以开始所述脱水过程。在这种情况下，将引入独立的惰性气体源(四边形物、锥形物等)，并且暂时结合到气体压缩机32的入口歧管以为气体再循环回路做准备。根据井中所需的期望的液:气比，随着气体从煤层中产出，其逐渐释放到气体收集系统中。

气体压缩机32将气体压缩并通过产出气出口25重新注入CSG井10中。将该重新注入的气体沿生产套管14(或在其他实施方案中穿过专用的注入管)向下驱使到一个或多个气体注入点，在图5中所示的实例中至达到生产管16的端部的点。气体和液体作为共混的产出水和产出气在生产管中上升到地面，在这里其从产出水出口23排出并转移到分离设备30，在该分离设备处将溶液分离成产出水和产出气。来自分离器30的一定百分比的产出气现在可以重新导回气体压缩机32以用于气体再注入、再循环和随后的脱水过程。一旦井10已经开始生产足够的产出气用于脱水操作，则调节气体压缩机32的入口歧管以运行部分混合的气体组合物(惰性且产出的气体)或如果气体再循环需要能够通过产出气来满足，则完全与惰性气体供应分离。在脱水/再循环期间引入的任何惰性气体与产出气合并，和通过气体收集装置处理。RTU(远程终端单元)可以基于系统的周期需求动态控制送到气体压缩机32的气体量，如通过气体压缩机机载传感器和生产流量及压力变化来确定。

图6显示了本发明的一种可替代的配置，其仍然使用如图3中所示的CSG井10。在该可替代的配置中，将气体注入管40插入生产管16内。对于改装应用来说，移除PCP脱水系统，然后安装气体注入管40，其延伸到生产管16开放端附近的一个或多个注入点。对于新安装来说，气体注入管40沿生产管16的长度延伸。气体注入管40的顶部可以牢固地固定到井口12的顶部连接件上。

如图6中所示，气体压缩机32的出口与气体注入管40流体连通，以将压缩的产出气通过气体注入管40重新注入位于生产管16内的气体注入管40的井下出口。将产出水出口23连接到分离装置30以用于如前所述的溶液分离。从产出水分离的产出气作为分离过程的一部分通过气体压缩机32再循环和再注入，期望的是，作为这种再循环/再注入过程的结果，产出气的损失最小化。所有产出气通过产出气出口接收，并且送到气体收集装置。

现在将描述图6中所示的脱水系统的运行。在第一步骤中，开启气体压缩机32。同样，在启动期间，气体压缩机的入口可以连接到独立于CSG井10的气体源上(其由于水的饱和可以产出很少或不产生气体)。一旦井10已经开始产出，则可以调节气体压缩机32入口以接收来自分离设备30的产出气。气体压缩机32通过位于生产管16内的气体注入管40将产出气重新注入回到CSG井10中。该过程降低了静流体柱压，引起共混溶液/混合物沿生产管向上移动到井口12，在此处其从产出水出口23排出并被导向分离设备30。该过程反过来引起产出水和产出气朝生产套管和生产管移动以用于作为与CSG井脱水相关的自然迁移过程的一部分来提取。分离的产出水从分离设备30经由流动管线输出到水收集装置以进一步加工(未示出)。将来自分离器的一定百分比的产出气进料回气体压缩机32，足以保持最佳的运行条件。作为该过程结果的产出的CSG沿井套管14向上带出，在这里其通过产出气出口25排出。通过流动管线(未示出)将该产出气和过量的气体以及过量的分离的气体一起运送到气体收集装置以进一步分配。同样，RTU和控制单元可以基于系统的周期需要来动态控制运送到气体压缩机32的气体量。

在如下情形下存在选项，其中可以没有分离设备30以管理作为独立的脱水过程的结果所产生的共混溶液或混合物的分离。图7包括图6中所确定的部件的基本设计，即气体压缩机32和CSG井10排列，并且增加了集液器/分离罐42，其在线安装有气体压缩机32(即在气体压缩机32执行分离要求之前安装)。在这种可替代的配置中，集液器/分离罐42作为所述方案的一部分被包括，以确保在被引导回类似于以上图4中所述的气体压缩机32和气体收集装置之前，从该脱水/再注入过程中除去全部产出水。在集液器/分离罐中收集的全部产出水将如前所述被引导回水收集装置。

对于图5、6和7中所示的全部实施方案，一旦CSG井10已经充分脱水，则气体压缩机32可以重新配置，以便从CSG井10中提取产出气以改进气体流动优化。这样的重新配置显示在图8中，在图8中将气体压缩机32连接到井口12上，并且将连接软管翻转到气体压缩机32入口(吸入)和出口(排出)阀。可以存在单级(即用于高压井)和两级(即用于低压井)压缩二者，这取决于井特性和井寿命周期阶段。如图7中，水分离罐/集液器42安装在井口12和气体压缩机32之间，以防止任何产出水进入气体压缩机32。

本发明的实施方案具有最小的硬件要求且容易实施和操作。不需要存在地下移动零件，并且运行所述系统的能量需要可以是低的。来自CSG井的固体将典型地不存在问题，并且确实甚至可以有益于稳定气泡。使用甲烷作为气体来形成气泡也是有利的，这在于再循环的产出气可以作为用于产生气泡的加压的甲烷使用。此外，将另外的甲烷注入井中不可能增加如将空气注入井中将发生的安全风险。注入的甲烷还将对用于加工或处理回收气的下游加工装置不产生影响。

煤层气支持澳大利亚的能源未来，在该国内作为在未来几十年将代替煤的更清洁的传统能源，同时作为LNG出口，这开始变成澳大利亚的第二大外汇来源。目前CSG井中最广泛使用的螺杆泵的典型泵寿命是约18个月，并且损坏要求关闭所述井，投入维修人员以回收和替换泵，具有人力经济、安全和环境成本。此外，即使用井底泵运行，井中的流态可以将水向上而非向下带出，这导致井口处的性能问题。本发明的实施方案(其中在井底部处不需要机械提升泵和相关的泵柱)已经潜在地降低了建立CSG井所涉及的资金成本。本发明还可以与目前的CSG井中的机械提升泵结合使用以降低机械提升泵的泵送要求并且减少由于细粒干扰引起的泵劣化并由此延长那些泵的工作寿命。另外，井本身可以通过消除对于双管线的需求、没有驱动柱或地下移动零件且增加可用于生产流的横截面而得到相当大的简化，具有相关的资金成本节约。由于泵柱在根据本发明运行的新CSG泵中不是必需的，因此可以钻更小直径的井，这导致降低钻井成本和降低套管成本。

在本说明书和权利要求(如果有的话)中，措词“包含(comprising)”及其派生词，包括“包含(comprises)”和“包含(comprise)”包括每个所述的整数，但是不排除包括一个或多个另外的整数。

贯穿本说明书提及“一种实施方案”或“一个实施方案”表示与该实施方案相关所述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一种实施方案中。因此，在贯穿本说明书各种地方中出现的措词“在一种实施方案中”或“在一个实施方案中”不必然全部指同一实施方案。此外，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式在一种或多种组合中进行组合。

遵循法规，本发明已经以或多或少专门的结构或方法特征以语言方式进行了描述。应当理解，本发明不限于所示或所述的具体特征，因为本文中所述的含义包含实施本发明的优选形式。因此，本发明要求保护在由本领域技术人员恰当解释的所附权利要求(如果有的话)的合理范围内的任何其形式或改进。

Claims (36)

1.一种从煤层气井除水的方法，该煤层气井包括外套管，煤层气和水在该煤层气井的下部区域附近流入该外套管中，该方法包括将加压的甲烷运送到该煤层气井的下部区域中，加压的甲烷用于将水从该煤层气井的下部区域提升并使其向上朝地面流动。

2.权利要求1所述的方法，其中在地面处使水与甲烷分离，并且与水分离的甲烷包含已经被运送到该煤层气井中的甲烷和在该煤层气井中产生的甲烷。

3.权利要求1或权利要求2所述的方法，其中将与水分离的甲烷的至少部分作为加压的甲烷返回到该煤层气井的下部区域。

4.前述权利要求中任一项所述的方法，其中该煤层气井包括内管，并且甲烷和水通过气泡辅助的气举穿过该外套管和该内管之间的环状空间来除去。

5.权利要求4所述的方法，其中该内管与机械提升泵结合使用以提供另外的除水。

6.权利要求1-3中任一项所述的方法，其中该煤层气井包含外套管且不具有内管。

7.前述权利要求中任一项所述的方法，其中将该加压的甲烷经由管或管子运送到该煤层气井中，该管或管子延伸到该煤层气井的下部区域中的一个或多个气体注入位置。

8.前述权利要求中任一项所述的方法，其中该加压的甲烷通过将甲烷送到压缩机并且在该压缩机中增加甲烷的压力，且随后将加压的甲烷运送到该煤层气井的下部区域来提供。

9.前述权利要求中任一项所述的方法，其中将该加压的甲烷运送到位于该煤层气井的下部区域中的积水平面以下的区域。

10.前述权利要求中任一项所述的方法，其中将该加压的甲烷送到该煤层气井的下部区域用于提供气泡辅助的气举，并且在气体沿井柱或井孔上升时随着其膨胀形成气泡，并且当气-液混合物接近地面时，起泡的或气泡状流动引起合并的流体密度被降低。

11.权利要求10所述的方法，其中加入一种或多种添加剂以有助于形成稳定的气泡。

12.权利要求11所述的方法，其中该一种或多种添加剂包含盐或盐溶液。

13.权利要求12所述的方法，其中该一种或多种添加剂包含从煤层气井产出水的处理中回收的浓盐水溶液，或从煤层气井产出水的反渗透处理中回收的浓盐水溶液。

14.权利要求10所述的方法，其中该一种或多种添加剂包含一种或多种表面活性剂。

15.权利要求10-14中任一项所述的方法，其中将固体细粒或固体颗粒从井的下部区域提升，并且该固体细粒或固体颗粒充当气泡的稳定化组分，并且还有助于在煤层气井柱中保持稳定的气泡。

16.权利要求15所述的方法，其中将固体细粒和固体颗粒提升到地面，并且在地面处使用固体分离技术使其与气体和液体部分分离。

17.权利要求10-16中任一项所述的方法，其中井的井底压力通过主动且动态地管理气泡密度来控制。

18.权利要求17所述的方法，其中气泡密度通过如下方式来控制：通过调节运送到井下部区域的加压的甲烷的量或通过使用添加剂来控制井中的液气比。

19.前述权利要求中任一项所述的方法，其中在甲烷注入井中之后，液气比L/G比落入0.005-0.3、或0.025-0.25的范围内。

20.前述权利要求中任一项所述的方法，其进一步包括测量井下部区域中的井底压力和将井底压力控制到期望范围内的值。

21.前述权利要求中任一项所述的方法，其中该方法进一步包括在地面处使水与气体分离的步骤。

22.权利要求21所述的方法，其中一旦气体已经与液体分离，则将其送到气体储罐、气体处理过程或气体运送管线，并且将与液体分离的气体的至少部分进料到压缩机，以便其可以被加压并运送到井的下部区域。

23.权利要求21或权利要求22所述的方法，其中多个煤层气井将气-液混合物或气-液-固混合物提供到其中固体和液体与气体分离的分离装置，和将气体中的一些提供到压缩机并且该压缩机将加压的甲烷运送到该多个煤层气井的至少一些或全部中，其中运送到每个煤层气井的甲烷的流量控制通过在每一个将每个煤层气井连接到压缩机的管线中提供控制阀来实现。

24.权利要求22或当从属于权利要求22时的权利要求23所述的方法，其中在地面处提供分离装置，并且该分离装置接收来自多个煤层气井的气-液混合物或气-液-固混合物。

25.一种用于从煤层气井除水的系统，该煤层气井包括外套管，煤层气和水在该煤层气井的下部区域附近流入该外套管中，该系统包含运送装置，其用于将加压的甲烷运送入煤层气井的下部区域中，该加压的甲烷用于形成气泡，该气泡上升穿过煤层气井，由此将水从该煤层气井的下部区域提升。

26.权利要求25所述的系统，其中该系统进一步包含分离装置，其用于接收气泡并使水与甲烷分离。

27.一种用于煤层气(CSG)井的脱水系统，该井具有井口、被生产套管包围的生产管，并且该管和套管二者都与煤层储层流体连通，在该煤层储层中在底部处收集的水干扰气体提取，该系统包含：气体压缩机，其具有与该生产套管流体连通的出口，并且是可运行的以将压缩产出气注入该生产套管中，以使得注入的压缩产出气沿该生产套管向下行进驱使产出气进入生产管，由此降低该生产管内的静流体柱压并且反过来引起产出水和产出气的共混溶液或混合物沿生产管向上行进以分离和转移。

28.一种用于CSG井的脱水系统，该井具有井口、生产管和生产套管，并且其中该管和套管二者都与煤层储层流体连通，其中水饱和干扰气体提取，该系统包含：气体注入管，其位于该生产管内部并且其基本上沿生产管的长度延伸；气体压缩机，其具有与气体注入管流体连通的出口，并且是可运行的以将压缩产出气注入该气体注入管中，以使得一旦注入的压缩产出气离开该气体注入管的端部进入该生产管，则产生该生产管内的静流体柱压的压降，这反过来引起产出水和产出气的共混溶液或混合物沿生产管向上行进，以进一步分离和转移。

29.权利要求27或权利要求28所述的脱水系统，其中将该产出水和产出气的共混溶液或混合物运送到分离器设备以使产出水与产出气分离，并且其中该气体压缩机流体连接到气体分离器以接收所分离的气体的一部分用于压缩和随后再注入到套管中。

30.权利要求27或权利要求28或权利要求29所述的脱水系统，其中该气体压缩机配置成流体连接到一个或多个便携式惰性气体四边形物、锥形物等，以用于接收惰性气体。

31.一种用脱水系统改装具有预先存在的气体提取用泵驱动设备的CSG井的方法，该方法包括：从井口移除预先存在的泵驱动设备的泵驱动单元；安装气体压缩机，以使得压缩气体出口与CSG井的生产套管流体连通，该气体压缩机是可运行的以将压缩气体注入生产套管中，以使得产出气沿生产套管向下行进驱使产出气进入生产管中，由此降低生产管内的静流体柱压，这反过来引起产出水和产出气的共混溶液或混合物沿生产管向上行进以进一步分离和转移。

32.一种用脱水系统改装具有预先存在的气体提取用泵驱动设备的CSG井的方法，该方法包括：从井口移除预先存在的泵驱动设备的泵驱动单元；如果装配有，则移除预先存在的泵驱动设备的驱动棒；在连接到井口的生产管内部安装气体注入管，该气体注入管基本上沿生产管的长度延伸；安装气体压缩机，以使得压缩气体出口与气体注入管流体连通，气体压缩机是可运行的以将压缩产出气注入气体注入管中，以使得注入的压缩产出气一旦离开气体注入管的端部进入生产管，则产生该生产管内的静流体柱压的压降，这反过来引起产出水和产出气的共混溶液或混合物沿生产管向上行进，以进一步分离和转移。

33.一种优化表现不佳的CSG气体井的方法，该井具有最小的产出水含量，但是具有低产出气压力或低产出气流动特性，该井具有被生产套管包围的生产管，并且该管和套管二者都与煤层储层流体连通，该方法包括：实施气体压缩机，以使得气体入口与生产套管流体连通，并且是可运行的以从生产套管提取产出气和/或产出水以改进产出气压力和流量。

34.权利要求31-33中任一项所述的方法，其进一步包括将气体压缩机的压缩气体出口连接到井口上的连接件上，该连接件之前用于从生产套管提取产出气。

35.权利要求31-34中任一项所述的方法，其进一步包括将之前用于从生产管提取产出水的井上的连接件连接到分离器。

36.权利要求31-35中任一项所述的方法，其进一步包括引导产出气和/或产出水在进入气体压缩机之前流过集水器/分离罐。