湯繼丹 趙文秀 程 浩 周 帥 熊 平 秦 義 白建梅

(中國(guó)石油華北油田分公司采油工藝研究院, 河北 062552)

沁水盆地煤層氣田為高煤階煤層氣田, 通過(guò)近兩年的煤層氣開發(fā)實(shí)踐表明, 沁水煤層氣田具有低壓、低滲、低飽和、非均質(zhì)性強(qiáng)的“三低一強(qiáng)”特征, 煤層氣井平均單井產(chǎn)量偏低。而煤層氣井的產(chǎn)氣量不僅受控于煤儲(chǔ)層特征、煤層含氣性、頂?shù)装鍘r性、構(gòu)造特征和壓裂造縫效果等因素, 同時(shí)也受到鉆井、完井和排采等工藝技術(shù)的制約。目前沁水盆地高階煤煤層氣開發(fā)生產(chǎn)中暴露出一個(gè)突出的問(wèn)題： 由于生產(chǎn)規(guī)律把握不準(zhǔn), 排采制度調(diào)節(jié)頻繁,造成煤層壓力激動(dòng)、煤粉遷移和沉積, 裂縫和井筒被煤粉堵塞, 裂縫閉合, 導(dǎo)致煤層滲透性的永久性傷害, 使得氣/水產(chǎn)量難以達(dá)到理想狀態(tài)。

1 煤粉形成原因及其對(duì)煤層氣開發(fā)造成的危害

由于在煤層氣田排水降壓過(guò)程水對(duì)煤粉的懸浮性能較差, 煤粉不易隨水流動(dòng), 容易聚團(tuán)形成沉淀堵塞滲流通道, 影響煤層產(chǎn)氣; 煤粉對(duì)于煤粉堵塞, 根據(jù)堵塞部位的不同, 可分為下列三類：

1．1 支撐裂縫的煤粉堵塞

煤巖的力學(xué)性質(zhì) (楊氏模量大、泊松比大) 決定了煤層具有堅(jiān)硬、性脆、易破碎的特點(diǎn)。目前的主流壓裂工藝為活性水壓裂, 活性水?dāng)y砂性差, 必須采用大排量, 大排量的含砂壓裂液對(duì)裂縫的沖擊力度大, 產(chǎn)出的煤粉就比較多; 含砂活性水在裂縫中的流動(dòng)為紊流, 紊流不但加劇了支撐劑對(duì)裂縫壁表面的打磨沖擊能力, 產(chǎn)生大量煤粉, 而且會(huì)使煤粉顆粒與砂粒完全混合在一起, 沉降聚集, 阻塞先期形成的流體的運(yùn)移通道, 污染有效支撐裂縫。

1．2 煤層孔喉和割理的煤粉堵塞

應(yīng)力狀態(tài)改變導(dǎo)致煤基質(zhì)破裂是煤粉產(chǎn)生的可能原因。在漫長(zhǎng)的構(gòu)造演化過(guò)程中, 煤層逐漸達(dá)到現(xiàn)今應(yīng)力平衡狀態(tài)。在壓裂、排采過(guò)程中, 外部壓力條件改變, 導(dǎo)致煤基質(zhì)應(yīng)力條件變化, 煤巖逐漸失去原有的應(yīng)力平衡, 煤巖的彈性自調(diào)節(jié)效應(yīng)導(dǎo)致煤粉的產(chǎn)生。產(chǎn)生的煤粉堵塞在孔喉和割理, 大幅度降低滲透率, 影響排水降壓和煤層甲烷的解析。

表1 樊莊作業(yè)區(qū)XX區(qū)塊煤芯覆壓實(shí)驗(yàn)

1．3 煤粉堵塞泵吸入口

采用激光粒度分析儀分析了取自樊莊區(qū)塊煤層氣排采井水樣中的煤粉粒度。從分析數(shù)據(jù)可以看出煤粉粒徑范圍較大, 小到幾微米, 大到幾百微米,在水中呈懸浮態(tài), 長(zhǎng)時(shí)間靜置后可見(jiàn)深灰色糊狀沉淀。煤粉堵塞泵吸入口, 造成凡爾關(guān)閉不嚴(yán), 大幅度降低水泵功效。進(jìn)入井筒的細(xì)微煤粉逐漸堆積,形成黏稠膠狀物進(jìn)入泵內(nèi), 極易造成卡泵現(xiàn)象, 在生產(chǎn)過(guò)程中需要頻繁檢泵。

2 研究對(duì)策

根據(jù)煤巖的煤巖楊氏模量大、泊松比大的力學(xué)性質(zhì)特點(diǎn)及排水降壓煤層氣開發(fā)原理可知, 煤層氣井排水采氣過(guò)程及后續(xù)措施作業(yè)中儲(chǔ)層不可以避免的產(chǎn)生煤粉。減少排采過(guò)程中煤儲(chǔ)層應(yīng)力出邊避免煤粉的集中、大量生成; 有效的控制儲(chǔ)層中生成煤粉的運(yùn)移; 運(yùn)移到井筒的煤粉通過(guò)適宜的排采設(shè)備將其有效的由井筒舉升至地面, 將是煤層氣井排采過(guò)程中防治煤粉的工作主線。

2．1 定量排采制度

煤層氣開采是通過(guò)排水降壓、解吸、擴(kuò)散、滲流等階段完成的, 與常規(guī)天然氣產(chǎn)出機(jī)理不同。排采工作是煤層氣開發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一, 而合理的排采制度是煤層氣井獲得高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵。目前,國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)排采工作制度的研究都沒(méi)有給出一套切實(shí)可行的辦法用于指導(dǎo)煤層氣生產(chǎn)。目前煤層氣的排采執(zhí)行定性的制度“緩慢、連續(xù)、穩(wěn)定、長(zhǎng)期”,定性的排采制度很難保證排采的穩(wěn)定性, 迫切需要排采制度由定性向定量轉(zhuǎn)變, 建立定量化排采制度。

通過(guò)下面的研究可以解決這個(gè)問(wèn)題：

(1) 通過(guò)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)建立煤儲(chǔ)層滲流參數(shù)與排采強(qiáng)度的數(shù)學(xué)模型;

(2) 運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)已開發(fā)排采井進(jìn)行統(tǒng)計(jì),找出影響排采效果的因素;

(3) 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)完善排采強(qiáng)度與地層參數(shù)數(shù)學(xué)模型。

2．2 優(yōu)化壓裂工藝

壓裂的終極目標(biāo)是形成長(zhǎng)的低污染的高效滲流通道?；诮?jīng)濟(jì)效益的情況下, 為了降低煤儲(chǔ)層堵塞, 新的壓裂工藝必須在低成本下造出一條足夠長(zhǎng)的支撐裂縫, 增大泄流面積; 減小攜砂液階段煤粉的產(chǎn)出, 降低對(duì)支撐裂縫的污染。

為此設(shè)計(jì)防煤粉壓裂工藝：

(1) 前置段塞： 活性水+粉砂段塞, 打磨地層減少壓裂阻力; 基于煤巖的壓敏效應(yīng)在施工過(guò)程中采用中排量注入技術(shù);

(2) 前置液： 活性水+一定濃度降濾失劑, 以降低壓裂液在裂縫延伸過(guò)程濾失, 提高壓裂液利用率, 其中后2/5 前置液中加入延遲破膠劑; 施工過(guò)程中采用大排量、大液量工藝;

(3) 攜砂液： 在攜砂液階段應(yīng)用低傷害、高粘度的清潔壓裂液攜帶支撐劑, 以減少紊流狀態(tài)下對(duì)煤儲(chǔ)層的沖擊, 同時(shí)可以將產(chǎn)生的煤粉攜帶至遠(yuǎn)離井筒地帶, 并能提高支撐劑有效鋪置距離; 根據(jù)煤層氣壓裂現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)此階段注入排量以小排量注入工藝為主;(4) 頂替液： 活性水, 后尾追破膠劑;

2．3 解堵技術(shù)

2．3．1 振動(dòng)解堵技術(shù)

煤儲(chǔ)層具有機(jī)械強(qiáng)度弱、脆而軟, 易產(chǎn)生壓性破碎及張性損壞的特性, 在煤儲(chǔ)層壓裂過(guò)程、排采過(guò)程中容易發(fā)生應(yīng)力敏感, 造成煤儲(chǔ)層裂隙應(yīng)力閉合和基質(zhì)收縮產(chǎn)生煤粉。在煤粉運(yùn)移過(guò)程中, 遇到狹窄的裂隙通道受阻時(shí), 在流體速度差的作用下,導(dǎo)致煤粉堵塞液體運(yùn)移的通道裂隙。滲流通道的堵塞將影響煤儲(chǔ)層壓降形成, 最終降低煤層氣的采收率。

郭平生、任偉杰等發(fā)現(xiàn)煤巖超聲波場(chǎng)中, 煤巖吸附相分子將獲得比非吸附相分子大10 個(gè)數(shù)量級(jí)以上的能量, 且當(dāng)超聲波頻率達(dá)到吸附相分子的固有頻率時(shí)使解吸速率最大。超聲波使得煤巖小尺度裂隙數(shù)目增加, 使抗壓強(qiáng)度最大可降低20%～40%; 超聲振動(dòng)方向與煤層層理一致時(shí), 可使煤巖試樣測(cè)試的滲透率增大1 倍左右。

對(duì)于煤粉堵塞引起氣井產(chǎn)氣量下降的井, 可以對(duì)煤儲(chǔ)層外加振動(dòng)場(chǎng), 通過(guò)振動(dòng)場(chǎng)的能量實(shí)現(xiàn)解堵。振動(dòng)能量傳遞到煤體中增加了煤體內(nèi)能, 使煤顆粒間產(chǎn)生相對(duì)位移、顆粒間接觸更加緊密, 降低煤巖應(yīng)力。振動(dòng)后沉積在煤層裂隙內(nèi)的煤粉顆粒逐漸松動(dòng)剝落, 分散在液體中被采出液攜帶走, 達(dá)到疏通滲流通道的目的。振動(dòng)波場(chǎng)能夠破壞突出煤體內(nèi)部顆粒之間的粘結(jié)狀態(tài), 增加煤體裂隙寬度, 使裂隙延長(zhǎng)和貫通, 提高煤體的滲透能力。

2．3．2 化學(xué)解堵

通過(guò)向煤層中注入發(fā)泡劑等化學(xué)劑, 使其在地層裂縫中產(chǎn)生大量的泡沫, 形成高壓, 把裂縫重新?lián)伍_; 關(guān)井?dāng)?shù)小時(shí)后然后以小排量進(jìn)行返排, 利用泡沫的低密度、高攜帶性能、表面活性劑的清洗作用及泡沫回吐時(shí)的紊流攪動(dòng)混排作用, 將裂縫中的煤粉、細(xì)粉砂攜帶出井筒, 達(dá)到疏通滲流通道提高儲(chǔ)層滲流能力的目的。

3 結(jié)論

(1) 排采制度定量化可以有效的降低煤巖裂縫閉合和基質(zhì)收縮, 減小煤粉的產(chǎn)生;

(2) 在壓裂過(guò)程中, 在攜砂液階段壓高壓高速含砂壓裂液對(duì)裂縫的沖擊打磨形成煤粉, 處于紊流流態(tài)的含砂活性水煤粉顆粒與砂粒完全混合在一起, 污染支撐裂縫, 針對(duì)壓裂中煤粉的形成提出了防煤灰新的壓裂工藝;

(3) 對(duì)于已經(jīng)存在煤粉堵塞的井, 提出振動(dòng)場(chǎng)解堵、化學(xué)解堵等相關(guān)解堵工藝技術(shù)。

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