沈忠武

(鐵法煤業(yè) (集團(tuán))有限責(zé)任公司,遼寧 112700)

1 引言

鐵煤集團(tuán)現(xiàn)有運(yùn)行的地面原始煤層壓裂井8口,平均日產(chǎn)氣2.5萬m3左右,單井平均日產(chǎn)量為3000m3,最高日產(chǎn)量達(dá)11106m3,抽采瓦斯?jié)舛冗_(dá)98%以上。為加大煤層氣開發(fā)規(guī)模,鐵煤集團(tuán)將在大興井田西部未開拓的區(qū)域逐年建造地面原始煤層壓裂井。本文結(jié)合鐵法煤田現(xiàn)有的8口原始煤層壓裂井采氣方面的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),參照國外煤層氣開采的成功經(jīng)驗(yàn),對原始煤層壓裂井采氣的技術(shù)管理提出了相應(yīng)觀點(diǎn),為今后鐵法煤田原始煤層壓裂井大力推廣應(yīng)用奠定了技術(shù)管理基礎(chǔ)。8口壓裂井位置見圖1。

2 原始煤層壓裂井的采氣機(jī)理

原始煤層壓裂井技術(shù)是上世紀(jì)70年代美國在圣胡安和黑勇士盆地試驗(yàn)地面開發(fā)煤層氣時(shí),通過對常規(guī)油氣井建造技術(shù)進(jìn)行改進(jìn),使地面開發(fā)煤層氣取得突破性進(jìn)展而開發(fā)出來的一項(xiàng)新技術(shù)。我國于上世紀(jì)90年代引進(jìn)了該項(xiàng)技術(shù),并在全國部分高瓦斯藏區(qū)塊進(jìn)行了試驗(yàn)。

原始煤層壓裂井采氣機(jī)理是在沒有受到采動影響的含高瓦斯原始煤層中進(jìn)行鉆進(jìn)完井,并通過固井、射孔、壓裂方式,對低透氣性瓦斯儲層進(jìn)行改造,使原始煤層產(chǎn)生人工裂隙,并用壓裂砂支撐人工裂隙形成瓦斯涌出通道,增加透氣性,利用排采設(shè)備進(jìn)行排水卸壓,將大量的吸附性瓦斯解吸出來,使之成為可利用的清潔能源。

圖1 鐵法煤田壓裂井位置圖

原始煤層壓裂井主要設(shè)備：地面有游梁式抽油機(jī)、電機(jī)、開關(guān)柜、井口裝置、集水器、放水器等;井下設(shè)備有絲堵、砂錨、抽油泵、φ73mm油管,以上各部件按從下至上的順序依次連接下井,最后連接油管掛并將管柱懸掛在井口大四通上,擰緊頂絲。依次下活塞、φ19m抽油桿組合、光桿等抽吸桿柱設(shè)備,安裝井口,按泵掛深度提防沖距,將光桿通過方卡子懸掛在抽油機(jī)懸繩器上。整套設(shè)備是在游梁式抽油機(jī)的往復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)下,通過抽油桿帶動井底活塞在泵筒內(nèi)來回抽吸,而其中的凡爾控制液體只能向井筒上方運(yùn)動,通過油管抽水,利用套管采氣。

3 原始煤層壓裂井采氣中的技術(shù)管理

3.1 采氣初期技術(shù)管理

原始煤層壓裂井的技術(shù)管理應(yīng)從壓裂后放噴排液開始,保持井下高導(dǎo)流能力的人工裂縫。若壓裂后井口壓力未擴(kuò)散完,可先裝針形閥控制放噴,開關(guān)大小根據(jù)產(chǎn)量和井口壓力、煤層情況而定,保證井口不出大量煤粉和壓裂砂前提下,排液量一般控制在2～4m3/h。待井口壓力降為零后,溢流量不大的情況下,安裝已選擇好的泵。

采氣初期,隨著井內(nèi)液面的降低,井筒附近的地層壓力會逐漸降低并使氣和水向井筒方向流動,使井筒附近的含氣飽和度增高。隨著套管壓力的逐漸升高,井筒附近氣體的濃度也增大,如果在此時(shí)以很高的日產(chǎn)氣量進(jìn)行投產(chǎn),氣和水就會高速流向井筒,同時(shí)攜帶大量的煤粉及砂,從而造成煤粉及砂迅速堵塞微細(xì)裂縫,嚴(yán)重降低煤層裂縫的導(dǎo)流能力,影響該層的產(chǎn)氣量及產(chǎn)液量;同時(shí),一部分煤粉及砂進(jìn)入泵筒,造成煤粉及砂粒磨損泵筒或卡泵,另一部分煤粉及砂隨著液體到達(dá)地面,在地面流程中堆積,堵塞管線或儀表,造成檢泵和生產(chǎn)停止。因此,必須嚴(yán)格執(zhí)行管理規(guī)程和作業(yè)程序。其作業(yè)程序?yàn)椋?/p>

(1)關(guān)閉井口套管閥門;

(2)開機(jī)泵排地層水,使環(huán)空液面降低;

(3)嚴(yán)密監(jiān)測泵的排量和環(huán)空液面,使液面每天下降10～20m,其目的是保持壓裂煤層形成一個(gè)穩(wěn)定的高導(dǎo)流能力的裂縫;

(4)如果套管內(nèi)出現(xiàn)高真空,應(yīng)暫時(shí)打開套管閥門,使壓力趨于平衡;

(5)當(dāng)液面降至泵的吸入口附近時(shí),打開井口閥門,讓氣的產(chǎn)出速度能夠維持井口壓力基本穩(wěn)定,從而有利于保持井底流壓,以防止氣和水產(chǎn)出時(shí)對地層的沖擊;若套管壓力下降過快,應(yīng)調(diào)節(jié)或關(guān)閉閥門;

(6)連續(xù)監(jiān)測套管壓力,通過逐漸調(diào)節(jié)井口閥門控制產(chǎn)氣量,保持套管壓力的基本穩(wěn)定;

(7)當(dāng)儲層壓力接近解吸壓力時(shí)要特別注意,這時(shí)易產(chǎn)生一個(gè)突變,表現(xiàn)為產(chǎn)氣量突然增大,套壓增大,環(huán)空液面突然下降。這一突變可能造成填砂裂縫的堵塞,影響煤層滲透性。所以,當(dāng)儲層壓力接近解吸壓力時(shí),適當(dāng)放慢降液速度,控制套壓,并使儲層壓力緩慢下降。

3.2 排采技術(shù)指標(biāo)的確定

由于煤層一般較淺,煤層的閉合壓力較低及煤體結(jié)構(gòu)不同,所以合理的排采工作制度應(yīng)在保證壓裂井內(nèi)不出大量煤粉和壓裂砂的前提下,追求產(chǎn)氣量最大化。即用調(diào)節(jié)煤層水的產(chǎn)出來控制煤層氣的產(chǎn)出,使生產(chǎn)制度合理。調(diào)節(jié)實(shí)際上是生產(chǎn)壓差的控制,即用泵掛深度、泵徑、沖程、沖次以及抽汲時(shí)間、套管壓力及閥門等來控制生產(chǎn)壓差。

在已選好抽油機(jī)的情況下,確定壓裂井排采技術(shù)的指標(biāo)是：泵掛深度、泵徑、沖程、沖次。確定指標(biāo)的原則是在滿足排液的前提下優(yōu)先考慮使用小泵徑、長沖程和小沖次 (4～10次/min),其優(yōu)點(diǎn)是：

(1)可充分利用泵筒的有效長度,按比例地增加泵的排量。在地層供液能力充足的情況下,可降低液面,提高排液量。

(2)可降低單位時(shí)間內(nèi)的沖程次數(shù),減少振動載荷;還可減輕抽油桿磨損,從而延長其使用壽命。

(3)由于沖次減少,使得柱塞自上死點(diǎn)到下死點(diǎn)的時(shí)間增加,使煤層產(chǎn)出的砂及煤粉等有充分時(shí)間沉降。

(4)長沖程時(shí)柱塞運(yùn)行速度變慢,有利于增強(qiáng)氣、砂錨的防氣和防砂效果,從而減輕泵的磨損,延長檢泵周期及泵的使用壽命。

3.3 泵掛深度選擇

對于壓裂井,要求液面接近煤層或降到煤層以下,這樣生產(chǎn)壓差就接近地層壓力。在排采初期,由于壓裂液未排完,水量較大,煤層中的游離砂也較多,因此泵的下入深度不易過深,以防卡泵。其排量要以不破壞煤層的原始狀態(tài),不使煤層的割理系統(tǒng)受到損害為原則。當(dāng)進(jìn)入正常生產(chǎn)后,泵的下入深度在上部目的層,使液面盡量降到煤層以下,這有利于氣水在井內(nèi)充分分離,防止氣鎖。但要保證“沉砂口袋”要有足夠的深度,防止埋泵。泵的排量初期以液面每天下降10～20m為宜,當(dāng)液面降至吸口附近或煤層底板以下時(shí)應(yīng)調(diào)整泵的工作制度,使泵的排量與地層來水相適宜。

3.4 生產(chǎn)壓差的選擇

(1)初選的生產(chǎn)壓差,要以不破壞煤層的原始狀態(tài),不使煤層的割理系統(tǒng)受到損害,避免造成煤層大量出砂和煤粉以及煤層的坍塌為原則。

(2)使泵的排液能力與煤層的供液能力相適應(yīng),充分利用地層能量,保證環(huán)空液面均勻緩慢下降或穩(wěn)定。

生產(chǎn)壓差的控制通過井口套壓的控制來實(shí)現(xiàn),緩慢打開閥門,套壓下降,生產(chǎn)壓差增加,氣量上升;反之,減小打開閥門量,套壓上升,生產(chǎn)壓差減小,氣量降低。

3.5 井口套壓的技術(shù)管理

井口套壓的控制首先應(yīng)考慮套管的抗壓強(qiáng)度。根據(jù)目前采用的φ139.7套管的屈服壓強(qiáng)是381～411MPa,井口套壓最高可憋至3.1MPa,大興井田12、13層煤的地層壓強(qiáng)約為1700psi,因此井內(nèi)完全排空或完全關(guān)井憋壓均不會使套管變形。為獲得最大產(chǎn)氣量,應(yīng)在條件允許的情況下盡量減小井口套壓。圖3為DT4井日產(chǎn)氣量與井口套壓力變化曲線圖,從圖上可以看出,產(chǎn)氣量與井口壓力井口套壓成反比。但當(dāng)套壓降為零時(shí),由于空氣密度大于甲烷的密度,空氣有可能進(jìn)入井中,與煤層接觸發(fā)生氧化作用,形成薄氧膜阻止氣體的解吸,不利于煤層氣的產(chǎn)出,而且容易吐砂。但當(dāng)生產(chǎn)壓差過大時(shí),不利于氣體的解吸,會引起煤粉和煤層中壓裂砂的運(yùn)移,從而堵塞孔隙,造成產(chǎn)氣量急劇下降。

綜合考慮,井底流壓應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi),排液時(shí)井口套壓不應(yīng)低于0.01MPa,井口套壓合理工作范圍為0.2～1MPa,產(chǎn)氣量最穩(wěn)定。

3.6 產(chǎn)氣的技術(shù)管理

在正常生產(chǎn)時(shí),隨著排采的進(jìn)行,水柱壓力的下降,在近井地帶形成一個(gè)很小的低含水飽和區(qū),有助于解吸氣體流入井筒,此時(shí),盡管產(chǎn)量低,但從長遠(yuǎn)的觀點(diǎn)來看,不宜頻繁反復(fù)調(diào)整產(chǎn)氣閥門,要堅(jiān)持連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn),避免過多地刺激地層,以防止吐砂和產(chǎn)氣通道閉合后無法再次開啟。需要關(guān)井,或修井后關(guān)井,產(chǎn)氣前均需將井口套壓憋至最高,穩(wěn)定后再逐漸開啟產(chǎn)氣閥門,使產(chǎn)氣量緩慢逐漸增大,避免井內(nèi)流壓變化過大損傷產(chǎn)氣層。

圖3 DT4井日產(chǎn)氣量與井口套壓變化曲線圖

3.7 防砂的技術(shù)管理

井內(nèi)嚴(yán)重出煤粉和壓裂砂后,一是對井內(nèi)外設(shè)備有損傷,造成檢泵周期大大縮短,增加排采成本;二是煤粉和壓裂砂運(yùn)移堵塞產(chǎn)氣通道,反而使產(chǎn)氣量下降,嚴(yán)重時(shí)會使生產(chǎn)井報(bào)廢。

產(chǎn)氣量的增加會伴隨砂的涌出,煤層所出的砂分為游離砂和煤層裂隙支撐骨架砂,其中煤層游離砂的產(chǎn)出會起到疏通煤層孔隙、喉道作用,對提高煤層氣產(chǎn)能有利。但煤層骨架砂的產(chǎn)出,則可能導(dǎo)致煤層坍塌,使煤層造成堵塞和滲透性降低,甚至使井中套管變形和報(bào)廢。從這個(gè)角度看,井中適量出砂是不可避免并且是有利的。為防游離砂,目前我們采用以抽油泵掛接防砂管柱,即以保護(hù)排采設(shè)備為主。骨架砂的控制,主要從控制井底流壓著手,即制定相應(yīng)的排采工作制度,使骨架砂的產(chǎn)出得到控制。水表誤差大說明在吐砂。要定期探砂面,進(jìn)行撈砂,杜絕用清水泵洗。

4 原始煤層壓裂井采氣中注意的幾個(gè)問題

4.1 選擇合理的排采方式

對于低產(chǎn)水量的井 (日產(chǎn)水量小于50m3),選用便于調(diào)整產(chǎn)水量的設(shè)備,如變頻調(diào)速抽油機(jī)。對于產(chǎn)水量大的井 (日產(chǎn)水量大于100m3),加強(qiáng)排水降壓,選用螺桿泵、大直徑管式泵等。鐵法煤田所建造的壓裂井屬于低產(chǎn)水量的井,采用φ57mm或φ70mm管式泵能夠達(dá)到預(yù)期的效果。

4.2 要有足夠長的排采時(shí)間

排采時(shí)間的確定要考慮到煤層的產(chǎn)水量、地層壓力與臨界解吸壓力、煤層甲烷解吸時(shí)間、排采設(shè)備能力等影響因素。對于產(chǎn)水量大的井,需長時(shí)間的排采才能使壓力逐步下降,不可能在很短時(shí)間內(nèi)將液面降低到要求的范圍。因此,有的供液能力強(qiáng)的井,需要一個(gè)很長的排采周期。生產(chǎn)實(shí)踐,DT5井排水一年后產(chǎn)量達(dá)3000m3/d。

4.3 縮短檢泵作業(yè)時(shí)間

一旦需要檢泵,在砂面不埋煤層的情況下最好不洗井,如必須洗井用壓裂井產(chǎn)出的水,防止煤層污染。盡量縮短檢泵作業(yè)時(shí)間,可縮短恢復(fù)產(chǎn)氣的時(shí)間。

4.4 新投產(chǎn)的壓裂井加密檢井周期

新井投產(chǎn)后,為了掌握吐砂量及根據(jù)排水產(chǎn)氣情況調(diào)整泵掛深度,加密檢井周期,經(jīng)常檢泵撈砂,一般控制在60天左右進(jìn)行一次檢井。

4.5 環(huán)空液面的監(jiān)測

排采流壓的控制依靠控制液面來實(shí)現(xiàn),要及時(shí)調(diào)整排采工作制度,使環(huán)空液面平穩(wěn)下降。液面降至氣體解吸深度之前,每天測液面4～6次;液面降至接近氣體解吸深度,每小時(shí)測1次液面;在液面降至煤層附近,進(jìn)入穩(wěn)定生產(chǎn)階段,可2～3天測1次液面。

[1] 吳佩芳等.煤層氣開發(fā)的理論與實(shí)踐 [M].北京：地質(zhì)出版社,2000.

[2] 趙慶波等.煤層氣地質(zhì)與勘探技術(shù) [M].北京：石油工業(yè)出版社,1999