關(guān)鍵詞/主題詞：沁水盆地；煤層氣；氮?dú)馀菽?；L型水平井；洗井；解堵；工藝；裝置

0引言

中國(guó)煤層氣儲(chǔ)層具有低含氣飽和度、低滲透率、低儲(chǔ)層壓力以及多構(gòu)造煤的“三低一多”特性，氣井產(chǎn)量低和穩(wěn)產(chǎn)能力差一直是煤層氣開(kāi)發(fā)面臨的常見(jiàn)問(wèn)題［1］。早期煤層氣開(kāi)發(fā)以直井為主，僅沁水盆地南部樊莊、潘莊等高滲區(qū)塊實(shí)現(xiàn)了效益開(kāi)發(fā)［2］。該類(lèi)水平井在煤層中鉆進(jìn)，能夠增加井眼與煤層的接觸長(zhǎng)度，增加井控資源量，并通過(guò)套管壓裂實(shí)現(xiàn)體積改造，在煤層中形成人工縫網(wǎng)，增加煤層氣的流動(dòng)通道，降低氣體流動(dòng)運(yùn)移阻力，單井產(chǎn)量大幅提升，在沁水盆地中深層煤層氣儲(chǔ)層如鄭莊區(qū)塊中北部、安澤區(qū)塊，鄂爾多斯盆地東緣深部煤儲(chǔ)層大寧-吉縣、臨興區(qū)塊實(shí)現(xiàn)效益開(kāi)發(fā)，單井日產(chǎn)氣0.8×104～10×104m3［3］。然而，與砂巖、頁(yè)巖相比，煤儲(chǔ)層低彈性模量、高泊松比、強(qiáng)非均質(zhì)性的特征導(dǎo)致井筒周?chē)膽?yīng)力狀態(tài)具有較大的不確定性［4］。使得在水力壓裂改造過(guò)程中，煤儲(chǔ)層易在強(qiáng)應(yīng)力條件作用下被粉碎成塊狀［5］、顆粒狀［6］，導(dǎo)致水平井排采過(guò)程中，增加了儲(chǔ)層出砂、煤顆粒和煤粉的程度。井筒被堵塞后產(chǎn)量快速下降，影響氣井產(chǎn)能釋放［7］。因此，如何高效清理井筒堵塞、提升水平井排采穩(wěn)定性，已成為目前煤層氣田開(kāi)發(fā)的研究難點(diǎn)。

目前常規(guī)的清理井筒堵塞的方法有四種。循環(huán)洗井工藝通過(guò)泵送清水、鹽水等工作液來(lái)清除井筒內(nèi)的雜質(zhì)、泥漿殘留物、煤粉顆粒等堵塞物，達(dá)到恢復(fù)或增強(qiáng)井滲透性和導(dǎo)氣能力的效果，多用于新井完井作業(yè)［8］。常規(guī)機(jī)械撈砂是采用專(zhuān)門(mén)的撈砂工具，利用油管或鋼絲繩將撈砂工具下入井筒內(nèi)，通過(guò)物理方式收集并帶出井筒內(nèi)的砂粒，主要針對(duì)大顆粒煤塊、砂石等［9］。水力沖砂洗井工藝通過(guò)向井筒內(nèi)泵送高壓液體，利用水流的強(qiáng)大沖擊力將聚集在井筒和井底的煤粒、砂粒等沖刷出來(lái)，但高壓水流可能對(duì)井壁較軟或已受損的區(qū)域造成進(jìn)一步侵蝕，對(duì)于低壓地層存在漏失率高、洗井液無(wú)法返排的問(wèn)題［10］。常規(guī)洗井作業(yè)在一定程度上，可達(dá)到清理井筒、解除堵塞的目的，但隨著地層壓力的下降，常規(guī)洗井技術(shù)濾失性增高、托壓現(xiàn)象加重［11］，導(dǎo)致洗井效果下降，明確影響洗井效果的因素、尋求新型解堵增產(chǎn)技術(shù)成為煤層氣井穩(wěn)定高效生產(chǎn)的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。

通過(guò)深入調(diào)研，行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為影響洗井效果的主要因素有洗井液的漏失率、洗井液攜砂能力、洗井進(jìn)尺。洗井工藝通過(guò)泵車(chē)將洗井液打入井筒建立循環(huán)，利用洗井液的攜砂性，將堵塞井筒的污染物帶出井筒，達(dá)到洗井目的。洗井液漏失性大，會(huì)導(dǎo)致無(wú)法建立洗井循環(huán)，井底堵塞物無(wú)法被帶出地面，洗井效果變差。洗井液攜砂性能越好，越容易將井筒堵塞物帶出井筒。L型套管壓裂水平井水平段長(zhǎng)1000m左右，煤粉、石英砂等堵塞物容易在水平段的任意位置堆積堵塞井筒，洗井未洗至人工井底，容易造成未洗井段達(dá)不到被清除堵塞物的目的，此外先前洗井洗出的堵塞物可能會(huì)在未洗井井段發(fā)生二次堆積，降低洗井效果，因此洗井進(jìn)尺也是影響洗井效果的重要因素。

基于氮?dú)馀菽瓕?duì)儲(chǔ)層傷害小、流體攜砂能力強(qiáng)、攜帶固體顆粒粒徑范圍廣的特點(diǎn)，氮?dú)馀菽淳に嚦蔀橐环N適用性強(qiáng)、應(yīng)用廣泛的優(yōu)質(zhì)洗井工藝。該工藝通過(guò)向水平井井眼內(nèi)注入氮?dú)馀菽黾泳材芰?，從而沖開(kāi)堵塞的井眼，恢復(fù)氣液通道；在返排過(guò)程中，利用氮?dú)馀菽叻蹬判阅芗皬?qiáng)攜砂能力，快速將井筒內(nèi)的堵塞物由井筒攜帶至地面，從而達(dá)到清洗井筒，釋放氣井產(chǎn)能的效果。程宏杰等針對(duì)油井常規(guī)氮?dú)馀菽诘貙酉莺箅y以再次起泡的問(wèn)題，通過(guò)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)研制了一種氮?dú)馀菽?qū)油配方體系，可提高油井產(chǎn)量及采收率［12］。季曉紅等通過(guò)優(yōu)化氮?dú)馀菽盒阅?，增?qiáng)了該洗井技術(shù)在常規(guī)油氣高溫儲(chǔ)層的適應(yīng)性，在塔里木氣田取得良好應(yīng)用效果［13］。張虎平等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)洗井液的用液量、氮?dú)饣旱呐浔仁怯绊懙獨(dú)馀菽逑从途闹匾蛩兀?4］。章志軒等通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，提高了氮?dú)馀菽瓫_砂工藝在澀北氣田疏松砂巖氣田的適用性［15］。孫鵬霄等研制了一套特高含水開(kāi)發(fā)油藏的氮?dú)馀菽x擇性控水技術(shù)［16］。王鵬等研究發(fā)現(xiàn)裂縫的存在會(huì)降低氮?dú)馀菽掏略鲇托Ч?，通過(guò)提高注入壓力，發(fā)揮氮?dú)馀菽a(bǔ)充地層能量的作用，同時(shí)采用封堵材料對(duì)裂縫進(jìn)行封堵，可提高增油效果［17］。這些研究?jī)?nèi)容主要針對(duì)氮?dú)馀菽淳夹g(shù)在常規(guī)油氣井中的適用性。

近些年，部分學(xué)者探討了氮?dú)馀菽淳诜浅Ｒ?guī)油氣煤層氣井的適用性并進(jìn)行了小規(guī)模試驗(yàn)。曹運(yùn)興等對(duì)高壓氮?dú)鈵灳に囋诿簩託獾彤a(chǎn)井增產(chǎn)作用機(jī)理及應(yīng)用進(jìn)行了研究，監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)在氮?dú)獗米㈦A段，高壓氮?dú)庠诿簝?chǔ)層中具有區(qū)域性面狀穿透擴(kuò)展和造縫現(xiàn)象，可達(dá)到解除儲(chǔ)層堵塞的目的［18］。張康衛(wèi)等對(duì)氮?dú)馀菽黧w在井筒內(nèi)流動(dòng)的溫度、壓力分布數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研究，但實(shí)際操作中存在不借助專(zhuān)業(yè)計(jì)算軟件計(jì)算難度大、現(xiàn)場(chǎng)可實(shí)操性弱的問(wèn)題［19］。劉長(zhǎng)雄等對(duì)氮?dú)馀菽|(zhì)量、黏度、穩(wěn)定性、流變性進(jìn)行了室內(nèi)研究，同時(shí)對(duì)氮?dú)馀菽舛驴尚行赃M(jìn)行了分析［20］。梅永貴等提出了針對(duì)多分支水平井進(jìn)行氮?dú)庀淳倪x井原則，指出解堵液基液采用活性水對(duì)儲(chǔ)層的傷害最小，增加液氮用液量可提升下傾井或井筒遠(yuǎn)端的洗井效果［21］。胡秋嘉等對(duì)氮?dú)馀菽舛录夹g(shù)在樊莊區(qū)塊多分支水平井上的應(yīng)用效果進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)側(cè)鉆點(diǎn)集中的井段，井夾壁變薄，易造成長(zhǎng)垮塌段，導(dǎo)致洗井難度加大，洗井效果變差［22］。趙武鵬等研究發(fā)現(xiàn)隨儲(chǔ)層滲透率下降，氮?dú)馀菽淳に噷?duì)裸眼多分支水平井的洗井效果變差［23］。李宗源等研發(fā)了一種氮?dú)庳?fù)壓洗井疏通工藝，針對(duì)篩管水平井通過(guò)多次提高施工排量至施工壓力，接近地層破裂壓力后穩(wěn)壓一段時(shí)間，快速放壓，反復(fù)激動(dòng)3～5次后，進(jìn)行氮?dú)饣蚯逅淳上貛с@井泥漿污染，提高井筒生產(chǎn)時(shí)的導(dǎo)流能力［24］。目前關(guān)于氮?dú)馀菽淳に囋诿簩託庵械膽?yīng)用主要集中在多分支水平井及篩管水平井，關(guān)于在L型套管壓裂水平井中的應(yīng)用鮮有報(bào)道。

華北油田2019年以來(lái)采用氮?dú)馀菽淳夹g(shù)對(duì)L型套管壓裂水平井進(jìn)行了解堵作業(yè)，洗井漏失率較常規(guī)機(jī)械撈砂、水力沖砂洗井工藝有所降低，平均降低30.2%。但受煤儲(chǔ)層特殊性影響，部分井施工過(guò)程中仍存在工藝管柱遇阻、泡沫失返、水平段砂堵等問(wèn)題，提升氮?dú)馀菽淳に囆阅艹蔀楫?dāng)前開(kāi)發(fā)亟需解決的難題之一。

1方法過(guò)程

通過(guò)理論計(jì)算、工具加工、設(shè)備升級(jí)、施工流程優(yōu)化，對(duì)常規(guī)氮?dú)馀菽淳に囘M(jìn)行了優(yōu)化，并在現(xiàn)場(chǎng)得到了成功應(yīng)用，為煤層氣資源的高效合理開(kāi)發(fā)提供一定的技術(shù)支持和借鑒。

1.1室內(nèi)研究

1.1.1氮?dú)饨舛履芰ρ芯?/p>

流體流速、井筒傾斜角均會(huì)影響流體的攜砂能力，0.3m/s流速下氮?dú)馀菽?、水?duì)不同傾角井筒內(nèi)不同粒徑石英砂的攜帶能力室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖1所示。

從圖1中可以看出，氮?dú)馀菽黧w具有高視黏度特性，在0°～90°傾角范圍內(nèi)的井筒內(nèi)對(duì)不同粒徑的石英砂均具有較好攜砂能力。0.3m/s流速下氮?dú)馀菽瓕?duì)0.2mm石英砂的攜砂率分布在91%～95%，對(duì)0.5mm石英砂的攜砂率分布在86%～91%。水的攜砂能力受井筒傾角、石英砂粒徑影響大。在75°～90°的傾角范圍內(nèi)，水對(duì)實(shí)驗(yàn)采用兩種粒徑的石英砂具有較好的攜帶能力，對(duì)0.2mm石英砂的攜砂率分布在80%～98%，對(duì)0.5mm石英砂的攜砂率分布在65%～95%。隨著井筒傾角降低，攜砂性顯著下降。以0.2mm石英砂為例，當(dāng)傾角降低至0°時(shí)，水的攜砂率下降至50%。隨石英砂粒徑增大，水的攜砂能力顯著降低，傾角為0°～60°時(shí)，水對(duì)0.2mm石英砂的攜砂能力是0.5mm石英砂的6倍。井筒傾角小于75°情況下，泡沫流體的攜砂性能遠(yuǎn)大于水的攜砂性能。綜上研究，泡沫流體更易將水平段井筒內(nèi)的雜質(zhì)攜帶至地面，對(duì)水平井井筒清理適用性更強(qiáng)。研究結(jié)果與李賓飛等［25］基于數(shù)值模擬研究得到的氮?dú)馀菽黧w在同心環(huán)空管道和偏心環(huán)空管道中的攜砂能力規(guī)律一致。

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將起泡劑加入清水基液中，再加入氮?dú)猓ㄟ^(guò)簡(jiǎn)單攪拌即可產(chǎn)生氮?dú)馀菽黧w，也可稱(chēng)為自由發(fā)泡。室內(nèi)攪拌產(chǎn)生的泡沫流體顯微鏡下特征，如圖2所示。

從圖2可以看出，顯微鏡下觀察到這些氣泡呈現(xiàn)大小不一的非均勻分布，并且部分基液未與氣體接觸而形成泡沫?？傮w看無(wú)法形成大小均勻、排列整齊的穩(wěn)定泡沫流。這種不穩(wěn)定的泡沫流體在進(jìn)入水平井水平段之后會(huì)快速濾失到地層中，從而會(huì)加劇儲(chǔ)層傷害的程度，同時(shí)增加洗井基液的使用量。因此，需要采用適合技術(shù)形成均勻氮?dú)馀菽?/p>

氮?dú)馀菽|(zhì)量可由氮?dú)馀菽卣髦当碚鳌５獨(dú)馀菽卣髦抵概菽袣怏w體積對(duì)泡沫總體積的比值，計(jì)算方法，見(jiàn)式（1）。

前人對(duì)不同粒徑石英砂在氮?dú)馀菽褐械某两邓俣扰c氮?dú)馀菽卣髦档年P(guān)系進(jìn)行了研究。不同粒徑石英砂沉降速度隨氮?dú)馀菽|(zhì)量（氮?dú)馀菽卣髦担┑淖兓哂邢嗨菩?。氮?dú)馀菽卣髦翟谛∮?.845時(shí)，隨特征值的增大，石英砂在氮?dú)馀菽褐械某两邓俣冉档?；氮?dú)馀菽卣髦翟诖笥?.845時(shí)，隨特征值的增大，石英砂在氮?dú)馀菽褐械某两邓俣冉翟龃蟆５獨(dú)馀菽卣髦禐?.77～0.87時(shí)，石英砂沉降速度分布在較低的范圍內(nèi)，以直徑為0.5mm的石英砂為例，氮?dú)馀菽卣鳛?.77～0.87時(shí)沉降速率普遍小于0.00036m/s，氮?dú)馀菽簲y砂性能最好。然而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工過(guò)程中，氮?dú)馀菽|(zhì)量控制難度大，泡沫質(zhì)量的不穩(wěn)定影響清砂效果。

一定溫度、壓力條件下氮?dú)馀菽旱捏w積表達(dá)式，見(jiàn)式（2）。

1.1.2施工工具改進(jìn)

為了解決洗井管柱易被堵塞問(wèn)題，對(duì)破煤筆進(jìn)行了優(yōu)化，形成旋轉(zhuǎn)破煤筆尖，如圖3所示。

從圖3中可以看出，改進(jìn)前的破煤筆尖裝置外壁形成供煤粉、石英砂通過(guò)的空間，如圖3a，洗井過(guò)程中筆尖通過(guò)上接頭與洗井管柱連接，與洗井管柱一同下放至井底進(jìn)行洗井，洗井過(guò)程中，煤粉、煤塊、石英砂等堵塞物先通過(guò)筆尖頭進(jìn)入筆尖裝置內(nèi)壁形成的空間，在洗井液的攜帶下，通過(guò)上接頭連接的洗井油管被清洗到地面。隨著煤塊粒徑增大，攜帶難度和管柱堵塞風(fēng)險(xiǎn)增大。為解決該問(wèn)題，在改進(jìn)前的筆尖內(nèi)部增加了可轉(zhuǎn)動(dòng)的螺旋狀鋼制刀片，如圖3b。洗井過(guò)程中，螺旋狀鋼制刀片可以將大粒徑煤塊粉碎。

為解決管柱托壓?jiǎn)栴}，設(shè)計(jì)了可以解決因管柱摩阻較大造成的下深不夠問(wèn)題的管柱加壓裝置，如圖4所示。

從圖4可以看出，管柱加壓裝置由上接頭、彈簧、膠筒、下接頭組成，如圖4a。使用過(guò)程中，上下接頭分別連接洗井油管，安裝在直井段。洗井過(guò)程中，當(dāng)管柱遇阻不動(dòng)時(shí)，管柱受到的阻力增加，位于加壓裝置中部的可壓縮性膠筒，外徑向外擴(kuò)張，如圖4b，氮?dú)馀菽c膠筒的接觸面積增加，此時(shí)高泵壓可向擴(kuò)張后的膠筒提供一種向下的推力，使管柱繼續(xù)向下運(yùn)行。

為解決泡沫質(zhì)量控制不佳和泡沫不均勻的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種高壓氮?dú)馀菽{(diào)節(jié)器，如圖5所示。

從圖5可以看出，高壓氮?dú)馀菽{(diào)節(jié)器由進(jìn)氣管、第一旋塞閥、單向閥、螺旋槳、螺旋攪拌塊、耐高壓母管、泡沫流體排出管、第二旋塞閥、進(jìn)液管、第三旋塞閥、備用出液口、密度傳感器組成。氮?dú)馀c水基液混合后通過(guò)螺旋槳、螺旋攪拌塊充分?jǐn)嚢?，可以?shí)現(xiàn)泡沫大小均勻輸出，提升攜砂效果。設(shè)備后端安裝了密度傳感器，施工過(guò)程中通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氮?dú)馀菽芏?，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整氮?dú)馀帕?、水的排量，確保了泡沫發(fā)生器排出的氮?dú)馀菽芏忍幱谧顑?yōu)狀態(tài)。本裝置實(shí)現(xiàn)了泡沫密度監(jiān)控和泡沫均勻輸出，提高了氮?dú)馀菽|(zhì)量。

1.1.3施工流程優(yōu)化

優(yōu)化后的氮?dú)馀菽淳に囅淳鞒讨饕?個(gè)步驟。

1）確定洗井參數(shù)。將儲(chǔ)層溫度及施工壓力帶入式（5）計(jì)算最優(yōu)氮?dú)馀菽淳┕っ芏取?/p>

2）下洗井管柱。洗井管柱結(jié)構(gòu)如圖6所示。

從圖6可以看出，洗井管柱結(jié)構(gòu)一般包括高壓軟管、彎頭、放噴管線、污水收集罐、加壓裝置、油管旋塞閥、油管、旋轉(zhuǎn)破煤筆尖。為保證充分清洗井筒，通常將洗井管柱下放至井筒遇阻位置，套管壓裂水平井一般不超過(guò)第一個(gè)壓裂點(diǎn)。

3）清洗井筒。通過(guò)控制氮?dú)馀帕亢突号帕浚瑢⒌獨(dú)馀菽┕っ芏瓤刂圃谥昂侠淼挠?jì)算結(jié)果范圍內(nèi)。將氮?dú)饧盎涸谂菽l(fā)生器充分混合達(dá)到質(zhì)量要求后進(jìn)行井筒反循環(huán)沖洗。建立循環(huán)后，接單根油管緩慢下入沖砂，邊沖邊下（每根油管加旋塞閥一個(gè)），對(duì)于套管壓裂水平井，每沖至一個(gè)壓裂點(diǎn)要充分洗井2～3周以上至出口返液干凈無(wú)砂，在井眼低洼處考慮適當(dāng)延長(zhǎng)洗井時(shí)間，增加氮?dú)馀菽靡毫浚瑳_至人工井底結(jié)束施工，施工全程要記錄進(jìn)出口返液情況及施工壓力和排量變化，及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)，保證洗井效果。

4）取出洗井管柱，重新下排采設(shè)備進(jìn)行排采生產(chǎn)。洗井至人工井底后，立即從油管敞開(kāi)放噴，待無(wú)噴、無(wú)溢流等異常情況后起出施工管柱，重新下泵進(jìn)行排采。

1.2現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

改進(jìn)后的氮?dú)馀菽淳に囋谇咚璧啬喜糠f、鄭莊區(qū)塊共進(jìn)行了25井次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，措施見(jiàn)效率較常規(guī)氮?dú)馀菽淳に囂嵘?1%。煤層氣L型水平井實(shí)施優(yōu)化后的氮?dú)馀菽淳?，洗井完成程度分布?4%～100%，平均值為84%，洗出物體積分布0.27～1.65m3，平均值為0.88m3，日增氣量分布在180～1200m3/d，平均值為5144m3/d。

鄭莊區(qū)塊位于沁水盆地南部寺河斷層下降盤(pán)，15號(hào)煤埋深400～1400m，厚度為2～5.5m，以發(fā)育原生—碎裂結(jié)構(gòu)煤為主，壓力系數(shù)分布在0.6～0.9，滲透率普遍低于1mD，含氣飽和度為60%～90%，含氣量為15～31.4m3/t，屬于“低壓、低滲、低飽和、高含氣”高煤階煤層氣藏。煤儲(chǔ)層通過(guò)壓裂改造才能獲得高產(chǎn)。

井10是鄭莊區(qū)塊一口15號(hào)煤套管壓裂L型水平井，完鉆井深1712m，著陸點(diǎn)煤層垂深757.21m，水平段進(jìn)尺800m，純煤進(jìn)尺740m，煤層鉆遇率92.5%，壓裂段數(shù)9段，平均單段使用壓裂液640m3，石英砂35m3，平均施工排量7～8m3/min。

井10，2022年2月投產(chǎn)，解吸壓力為3.2MPa，穩(wěn)產(chǎn)氣量13000m3/d。受儲(chǔ)層出砂嚴(yán)重影響，2022年6月氣量開(kāi)始下降。2022年9月至2023年5月先后實(shí)施水力機(jī)械撈砂、沖砂洗井措施作業(yè)，洗井液漏失率為65%，洗出石英砂、煤粒0.015～0.13m3，施工過(guò)程中未撈砂、沖砂至人工井底，作業(yè)后氣量未恢復(fù)至作業(yè)前水平，效果不及預(yù)期。分析認(rèn)為此時(shí)氣井儲(chǔ)層壓力低，井底可能存在大粒徑煤塊堆積堵塞產(chǎn)氣通道，常規(guī)洗井、撈砂工藝漏失大、托壓嚴(yán)重，無(wú)法有效清理井筒。2023年6月實(shí)施氮?dú)馀菽淳鳂I(yè)，洗井流程如下。

1）確定洗井參數(shù)。井10儲(chǔ)層溫度為31℃，即Tbh=304.15K。氮?dú)馀菽淳┕毫?～5MPa，帶入式（5），得到氮?dú)馀菽淳芏葹?78～255kg/m3。

2）下洗井管柱。起出原管柱結(jié)構(gòu)后，將由高壓軟管、彎頭、放噴管線、污水收集罐、加壓裝置、油管旋塞閥、油管、旋轉(zhuǎn)破煤筆尖組成的洗井管柱下放至遇阻位置1387m處，進(jìn)行試壓，地面進(jìn)口管線試壓至15MPa，穩(wěn)壓5min，壓力不降。試壓合格后，進(jìn)行氮?dú)馀菽淳?/p>

3）清洗井筒。采用清水泵車(chē)組、液氮泵車(chē)組將清水、液氮、起泡劑在氮?dú)馀菽l(fā)生器中進(jìn)行充分?jǐn)嚢杌旌?。其中，清水泵?chē)組泵壓6.0～7.0MPa，排量317～386L/min，泵送清水；液氮泵車(chē)組采用排量2050～3860Nm3/h，泵送氮?dú)?。?dāng)?shù)獨(dú)馀菽l(fā)生器安裝的密度監(jiān)測(cè)儀器測(cè)量到的氮?dú)馀菽芏冗_(dá)到178～255kg/m3后，進(jìn)行反循環(huán)洗井。建立循環(huán)后，接單根油管緩慢下入沖砂，邊沖邊下，沖洗至壓裂點(diǎn)964m、1030m、1108m、1201m、1300m、1378m、1490m、1580m和1668m等處時(shí)，適當(dāng)增加洗井時(shí)間。洗井至人工井底2223.78m，反循環(huán)洗井2周以后，出口返液變干凈，停止洗井，油管放噴。

（4）取出洗井管柱，重新下排采設(shè)備進(jìn)行排采生產(chǎn)。

井10氮?dú)馀菽淳^(guò)程中洗井至人工井底，洗井完成程度為100%；洗井液漏失率僅34%，與早期的沖砂洗井、撈砂作業(yè)相比降低了31%；洗出石英砂、煤粒1.65m3，重新投產(chǎn)后氣量恢復(fù)至10000m3/d，穩(wěn)產(chǎn)能力提高。本井前兩次水力機(jī)械撈砂、沖砂洗井作業(yè)洗出石英砂、煤粉0.14m3，改進(jìn)后的氮?dú)馀菽淳鳂I(yè)洗出物是前兩次水力機(jī)械撈砂、沖砂洗井作業(yè)洗出物的11.8倍。

2結(jié)果現(xiàn)象討論

洗井液漏失率、洗井液攜砂能力、洗井完成程度（洗井進(jìn)尺/水平段進(jìn)尺）是影響洗井效果的主要因素。

2.1洗井液漏失率討論

沁水盆地南部樊莊-鄭莊區(qū)塊100口L型套管壓裂水平井常規(guī)水力洗井沖砂作業(yè)的漏失率分布在32%～81.3%，平均值為75.2%。常規(guī)氮?dú)馀菽淳鳂I(yè)的漏失率分布在37.9%～74.9%，平均值為59.4%。優(yōu)化后的氮?dú)馀菽淳に嚨穆┦史植荚?2.5%～69.3%，平均值為50.2%?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用成果表明，施工過(guò)程中優(yōu)化后的氮?dú)馀菽淳に囅淳旱穆┦瘦^清水降低25%，較常規(guī)氮?dú)馀菽淳に嚱档?.2%。

煤層氣井經(jīng)過(guò)排水降壓后，井筒附近的地層壓力普遍小于0.5MPa，常規(guī)清水洗井、撈砂作業(yè)過(guò)程中井筒內(nèi)清水靜液柱壓力普遍比地層壓力高，導(dǎo)致常規(guī)清水洗井、撈砂作業(yè)過(guò)程中洗井液漏失現(xiàn)象頻發(fā)，無(wú)法建立有效循環(huán)。清水洗井液漏失，一方面造成施工難度加大、周期變長(zhǎng)、費(fèi)用增高、洗井效果變差；另一方面洗井液進(jìn)入地層后，會(huì)造成水鎖現(xiàn)象，堵塞氣水產(chǎn)出通道，無(wú)法起到清洗井筒，疏通產(chǎn)氣通道的目的。氮?dú)馀菽拿芏冗h(yuǎn)低于清水的密度，常規(guī)氮?dú)馀菽淳梢赃_(dá)到降低洗井液濾失率的效果，然而常規(guī)氮?dú)馀菽淳嬖诘獨(dú)馀菽|(zhì)量不穩(wěn)定，泡沫不均勻的情況，入井后發(fā)生氣液分離現(xiàn)象，降低濾失效果減弱。

改進(jìn)后的氮?dú)馀菽淳に嚕腔诟鶕?jù)不同井的地層溫度、壓力特征，通過(guò)理論計(jì)算，得到不同施工壓力下，氮?dú)馀菽顑?yōu)密度，然后通過(guò)氮?dú)馀菽{(diào)節(jié)器對(duì)氮?dú)馀菽M(jìn)行密度監(jiān)測(cè)和充分?jǐn)嚢瑁瑢⒌獨(dú)馀菽瓑毫εc井筒附近的地層壓力差值控制在較小的范圍內(nèi)，使得入井的氮?dú)馀菽^常規(guī)氮?dú)馀菽鶆蚍€(wěn)定，從而達(dá)到降低洗井液漏失的目的。

2.2洗井液攜砂能力討論

常規(guī)氮?dú)馀菽淳に嚸看蜗淳闯龅亩氯锪糠植荚?～1.5m3之間，平均值為0.3m3。優(yōu)化后的氮?dú)馀菽淳に嚸看巫鳂I(yè)洗出的堵塞物量分布在0.003～2.1m3之間，平均值為0.6m3，平均洗出物量為常規(guī)氮?dú)馀菽淳に嚨?倍。

氮?dú)馀菽|(zhì)量決定氮?dú)馀菽淳旱臄y砂能力。研究表明氮?dú)馀菽卣髦捣植荚?.77～0.87之間時(shí)，氮?dú)馀菽|(zhì)量最高，攜砂能力最強(qiáng)。現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)得氮?dú)馀菽卣髦惦y度大?，F(xiàn)場(chǎng)更容易通過(guò)密度傳感器對(duì)氮?dú)馀菽芏冗M(jìn)行監(jiān)測(cè)。式（5）揭示了氮?dú)馀菽芏扰c氮?dú)馀菽卣髦?、施工溫度、壓力的關(guān)系。通過(guò)控制氮?dú)馀菽芏仍谧顑?yōu)范圍內(nèi)，可控制氮?dú)馀菽卣髦?。氮?dú)馀菽卣髦狄欢〞r(shí)，氮?dú)馀菽芏仁菧囟群蛪毫Φ暮瘮?shù)，氮?dú)馀菽芏入S溫度的升高而降低，隨壓力的升高而增大。

氮?dú)馀菽芏入S溫度的變化速表達(dá)式，見(jiàn)式（6）。

在溫度20～60℃范圍內(nèi)，氮?dú)馀菽芏入S壓力升高增大的速率為8.6～9.8kg（m3·MPa）。實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)施工中，氮?dú)馀菽芏鹊淖兓饕軌毫Φ挠绊?。改進(jìn)后的氮?dú)馀菽淳に嚕ㄟ^(guò)理論計(jì)算可得到不同施工壓力下的理論最優(yōu)氮?dú)馀菽芏?，通過(guò)高壓氮?dú)馀菽{(diào)節(jié)器可精確控制入井氮?dú)馀菽芏?，從而提高氮?dú)馀菽|(zhì)量，高泡沫質(zhì)量的洗井液可攜帶顆粒物的粒徑范圍增大。粒徑0.1～1mm的煤粉、直徑大于20mm的煤塊均可被氮?dú)馀菽瓟y帶出井筒。其中石英砂、煤塊、煤顆粒主要以分散的顆粒狀被清洗出井筒，煤粉清洗過(guò)程中與洗井液充分混合，以糊狀被清洗出井筒。

2.3洗井完成程度討論

洗井完成程度（洗井進(jìn)尺/水平進(jìn)尺）主要受洗井進(jìn)尺的影響。在沁水盆地南部樊莊-鄭莊區(qū)塊共對(duì)46口煤層氣水平井實(shí)施了氮?dú)馀菽淳渲袃?yōu)化后的氮?dú)馀菽淳に?5井次，改進(jìn)后的氮?dú)馀菽淳に囅淳瓿沙潭扔稍缙诘?8.5%提升至94.1%。

水平段長(zhǎng)、井軌跡復(fù)雜，井筒內(nèi)石英砂、煤塊多，管柱摩擦力增加會(huì)導(dǎo)致托壓現(xiàn)象，致使洗井管柱無(wú)法清洗至人工井底。管柱加壓裝置和旋轉(zhuǎn)破煤筆尖可有效降低托壓現(xiàn)象對(duì)洗井的影響。在氮?dú)馀菽淳苤本伟惭b管柱加壓裝置。洗井管柱下放過(guò)程中管柱加壓裝置開(kāi)始受到拉應(yīng)力，膠筒呈拉張狀態(tài)，當(dāng)?shù)獨(dú)庀淳苤袎鹤柰：?，加壓裝置會(huì)由拉伸狀態(tài)變?yōu)槭軌嚎s狀態(tài)，膠筒被壓縮后外徑擴(kuò)張開(kāi)，膨脹至外徑115mm左右，加壓裝置與套管環(huán)空間空隙變小，井口注入氮?dú)馀菽谋脡簳?huì)升高，高泵壓會(huì)對(duì)擴(kuò)張后膠筒提供一種向下的推力，使管柱繼續(xù)向下運(yùn)行，一定程度上解決管柱托壓?jiǎn)栴}，使洗井管柱更容易下放至人工井底，實(shí)現(xiàn)全井段徹底清洗。水力噴砂射孔是煤層氣水平井壓裂改造常用射孔方式，在套管上噴射形成的孔眼較大，直徑5～10cm不等，造成排采過(guò)程中大粒徑煤塊易返出煤儲(chǔ)層進(jìn)入井筒堆積。大煤塊在井筒內(nèi)堆積，增加了下放洗井管柱過(guò)程中管柱受到的摩擦力。目前煤層氣井常用的洗井管柱結(jié)構(gòu)，自下而上為：筆尖+若干油管+旋塞閥+油管+旋塞閥+若干油管+油管掛。該管柱結(jié)構(gòu)內(nèi)部最小通徑處為38mm，大煤塊進(jìn)入洗井管柱后，易造成管柱堵塞。管柱堵塞后需將所有管柱取出至地面，徹底疏通管柱后，再次下放管柱進(jìn)行洗井作業(yè)，增大管柱托壓風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，延長(zhǎng)施工周期，洗井液侵入地層污染儲(chǔ)層的概率增大。旋轉(zhuǎn)破煤筆尖在筆尖內(nèi)部增加了可轉(zhuǎn)動(dòng)的螺旋狀的鋼制刀片，洗井過(guò)程中，高速流體可帶動(dòng)鋼制刀片快速轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)大煤塊通過(guò)筆尖頭進(jìn)入筆尖內(nèi)部時(shí)，會(huì)撞擊到螺旋狀的鋼制刀片上，被粉碎成小粒徑煤粒后，被洗井液攜帶至洗井管柱內(nèi)，被清洗到地面，起到防止堵塞管柱的作用。旋轉(zhuǎn)破煤筆尖可有效解決大煤塊造成的下管柱摩擦力增大、堵塞洗井管柱的問(wèn)題。

3結(jié)論

（1）通過(guò)理論計(jì)算設(shè)計(jì)了一種泡沫調(diào)節(jié)器，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氮?dú)馀菽芏?，調(diào)節(jié)液氮排量及基液排量，可將氮?dú)馀菽|(zhì)量控制在最優(yōu)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)氮?dú)馀菽浞謹(jǐn)嚢?，提升洗井效果?/p>

（2）旋轉(zhuǎn)破煤筆尖解決了L型套管壓裂水平井排采過(guò)程中大粒徑煤塊難清洗的難題；管柱加壓裝置解決了煤層氣水平井洗井過(guò)程中管柱托壓?jiǎn)栴}。

（3）氮?dú)馀菽淳谇咚璧啬喜糠f-鄭莊區(qū)塊取得較好增產(chǎn)效果，在實(shí)際生產(chǎn)中，施工壓力、地層含水性、地層濾失性等也會(huì)影響氮?dú)馀菽|(zhì)量；氮?dú)馀菽芏入S溫度、壓力的變化過(guò)程中，未考慮氮?dú)獾膲嚎s性，可能導(dǎo)致研究結(jié)果存在誤差，下步仍需加強(qiáng)不同施工條件下地層含水性、氣體壓縮性對(duì)氮?dú)馀菽|(zhì)量的影響相關(guān)研究。