煤层气井产出液煤粉浓度监测与产出水回注装置及方法

本发明属于煤层气井产出测试，具体涉及一种能对煤层气井产出液中煤粉浓度进行实时监测并能将产出水进行处理后进行回注的装置及操作方法。

背景技术：

1、煤层气是在成煤过程中形成并赋存于煤层中的一种非常规的天然气。为获取煤层气资源，需进行煤层气井排采工作，排采系排水采气，即利用排采设备下到指定煤层进行排水采气，所用设备一般为螺杆泵、管式泵和电潜泵等。通过将井筒内的水举升到地面，逐步降低井底流压。随着井底流压降低，逐渐形成压降漏斗并逐步向外扩展，进而逐步降低煤层的储层压力，迫使吸附在煤基质空隙内表面的煤层气被解吸，然后通过基质孔隙的渗流扩散到天然裂隙，煤层气再从裂隙中渗流到井筒，最终被采出。

2、现有的排采方式能够承受最大煤粉浓度在3-8％之间，当煤粉浓度过高，微细颗粒煤粉以悬浮液的形式携带至地面，大颗粒煤粉过量堆积堵塞泵吸入口，会导致生产井卡泵、抽油杆断脱及井底煤桥胶结等故障发生，提升作业过程危险性，需频繁检泵作业。但是，频繁的检泵不仅造价高，还会引起井底流压的不稳定，进而破坏气、水、煤粉流态连续性而影响单井产能。同时，当排采速度过快时，也会造成煤粉产出量增加，在地面直观表现为产出液煤粉浓度的增加。因此，监测产出液中的煤粉浓度对于煤层气井的安全生产至关重要。

3、目前主要通过人工监测和设备监测这两种形式对煤层气排采过程中产出液中的煤粉浓度进行监测，人工监测存在人力成本高，耗时长，且不能实现连续监测的弊端，且人工测试结果的准确度不可控，煤粉浓度数据存在较大的误差。设备监测应用较少，刘升贵等人设计的测量煤层气井产出液煤粉质量百分比浓度的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的获取，但只能定期取样倒进装置中对其煤粉质量百分比进行测定，仍为单点测量手段，不能实现产出液煤粉质量百分比在线测量，且计算公式无法直接适用于不同流速的排采水，因此如何提高煤粉浓度在线监测的可行性及测量的准确性成为目前亟需解决的技术问题。

4、另外，由于煤层气井产水比较少，排采时需要从地面注入水流，从而将井内的煤粉带出地面，将煤层气井采出水作为压裂等过程所需水进行回注，不仅可以避免水污染，还可以对其进行循环利用，节约水资源。传统的回注水系统是在油管外面挂上铝塑管，通过该铝塑管形成外挂回注水管作为回注水通道，抽油杆和油管之间的环空作为产出水的通道，这样设计的不足在于，在施工作业的过程中，外挂的铝塑管特别容易被磨损或压扁，一些接头部分也非常容易断开，影响回注水作业的正常运行。

5、中国专利cn 212249985 u公开一种用于煤层气井开采的回注水系统，包括设置于井下的油管、及设置于油管内部的抽油杆，抽油杆的中部为中空的产出水通道，油管与抽油杆之间形成的环空为回注水通道，该设计解决了外挂式回注水管在修井作业施工中经常被磨损、压扁而无法进行回注水作业的问题，且产出水通道的截面积明显缩小，从而可缩小产出水被排出螺杆泵后的过流面积，使产出水的流速明显增加，加大产出水携带煤粉的能力。

6、但是现有的回注系统无法在煤层气产出水回注前对其进行预处理，由于煤层气产出水的水质、水量变化大，且成分复杂，直接排放或另作他用不利于生态环境的修复。然而，现有的煤层气采出水回注方案都未与水质检测、采出水量测量以及煤粉浓度测量联系起来，没有形成一套系统的煤层气产出水回注处理方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一套煤层气井产出液煤粉浓度监测与产出水回注装置及其使用方法，利用该装置可以实时监测采出水中的煤粉浓度，而且可直接适用于不同流速采出水中煤粉浓度的监测，当采出水中煤粉浓度超过某一数值时，系统装置可以设置提醒。

2、本发明的技术方案为：一种煤层气井产出液煤粉浓度监测与产出水回注装置，其特征在于，包括排采及回注系统、煤粉浓度测量系统、采出水处理系统以及主控制系统；排采及回注系统包括依次设置的油管、泵接短节、回注水短节和螺杆泵，油管内设有抽油杆、抽油杆中部为产出水通道，油管与抽油杆之间的环空为回注水通道；油管通过采出水管道与煤粉浓度测量系统中的固液分离器相连，采出水管道上设有第一流量计和第一密度传感器，固液分离器与气液分离器连接且在两者的连接管路上设有第二流量计和第二密度传感器，气液分离器连接采出水处理系统的流体管道上设有第三密度传感器和第三流量计；采出水处理系统中，水箱和多级沉淀箱的连接管路上设有第四流量计，多级沉淀箱和多级过滤箱的连接管路上设有第五流量计和第四密度传感器，多级过滤箱和回注水储箱的连接管路上设有第六流量计和第五密度传感器，回注水储箱通过回流管路与回注水通道连通，回流管路上设有第七流量计。

3、进一步地，泵接短节设在油管的下端，泵接短节的中部管道与产出水通道连通，泵接短节的中部管道与外管之间形成的环空与回注水通道连通。

4、进一步地，回注水短节设在泵接短节下方，回注水短节的中部管道与产出水通道连通，回注水短节的中部管道与外管之间形成的环空与回注水通道连通，在回注水短节的环空下端设有阻水器用以隔绝环空，回注水短节内部的环空与回注水管连通。

5、进一步地，螺杆泵设在回注水短节下方，尾部结构安装在螺杆泵下方。

6、进一步地，水箱、多级沉淀箱、多级过滤箱和回注水储箱顺次设置，在不同箱体上分别连接一个水质检测仪用于对相应箱体内的采出水进行水质检测。

7、进一步地，回注水储箱上设有回注管道与多级沉淀箱和多级过滤箱连通以便对采出水进行回流再处理。

8、进一步地，回注水储箱上设有增压泵，增压泵用以对箱体内部增压以保证回注水水量，在回流管路上设有压力表。

9、进一步地，回注水管延伸至螺杆泵下方。

10、作为优选，在泵接短节的中部管道内设有粉碎滚筒。

11、利用上述装置进行煤层气井产出液煤粉浓度监测与产出水回注的方法如下：

12、1)在尾部结构作用下，油管下沉至指定位置，采出水经由螺杆泵被采出，并顺着产出水通道被采出至地面；

13、2)采出水经由采出水管道流入煤粉浓度测量系统，首先经过第一流量计和第一密度传感器通入固液分离器中将煤粉分离出来，继而经由第二流量计和第二密度传感器后进入气液分离器将采出水中携带的气体分离出去，之后采出水经过第三密度传感器和第三流量计流入水箱中；

14、单位时间内，含煤粉的采出水的质量m1＝v1*ρ1，其中，v1、ρ1分别为第一流量计和第一密度传感器的示数；

15、不含煤粉的采出水的质量m2＝v2*ρ2，其中，v2、ρ2分别为第二流量计和第二密度传感器的示数；

16、煤粉的质量m3＝m1-m2＝v1*ρ1-v2*ρ2；

17、采出水中煤粉的浓度c1＝m3/m1＝1-v2*ρ2/v1*ρ1；

18、采出水的实际质量m4＝v3*ρ3，其中，v3、ρ3分别为第三流量计和第三密度传感器的示数；

19、3)进入水箱的采出水顺次经过多级沉淀箱和多级过滤箱沉淀、过滤后流至回注水储箱，经水质检测仪检测水质，回注水储箱中水质不达标时需将其内采出水再次排至多级沉淀箱或多级过滤箱中进行再处理；

20、采出水中可沉淀物质的质量m沉淀＝v4*ρ3-v5*ρ4，其中，v4、ρ3分别为第四流量计和第三密度传感器的示数；v5、ρ4分别为第五流量计和第四密度传感器的最终示数。

21、采出水中可吸附物质的质量m吸附＝v5*ρ4-v6*ρ5，其中，v6、ρ5分别为第六流量计和第五密度传感器的最终示数；

22、采出水中可回注的水的质量m回注＝v6*ρ5；

23、采出水可回注率p＝m回注/m采出水＝v6*ρ5/(v3*ρ3)*100％。

24、相比于现有技术，本发明具有如下优点：

25、1、本技术公开的装置包括排采及回注系统、煤粉浓度测量系统、采出水处理系统和主控制系统，该装置有效将煤层气采出回注方案与水质检测、采出水量测量以及煤粉浓度测量体系结合起来，构成一套系统完整的煤层气产出水回注处理方案；

26、2、本技术公开的煤粉浓度测量系统可实现煤粉浓度的在线监测，测量准确性高，且能对不同流速下的采出水中的煤粉浓度进行实时监测，当采出水中煤粉浓度超过设定阈值，系统可及时报警，操作安全性得到提升；

27、3、煤层气产出水水质水量变化大，且成分复杂，利用本技术公开的采出水处理系统不仅可对采出水进行沉淀、过滤处理，而且能够根据水质检测仪反馈的结果优化沉淀、处理方案，充分提高水处理效率，便于在不影响生态、甚至改善生态的前提下对采出水进行循环利用，有效节约水资源；

28、4、利用本技术公开的采出水处理系统不仅可对采出水进行预处理，还可根据系统线路上设置的流量计以及密度传感器计算得出排采水回注率，为排采水的回注提供可靠数据。