沈北煤田空氣造穴工藝的技術探討

熊德華

(中聯煤層氣有限責任公司,北京 100011)

沈北煤田空氣造穴工藝的技術探討

熊德華

(中聯煤層氣有限責任公司,北京 100011)

在國內外煤層氣開采中,裸眼洞穴造穴技術主要分為三種:負壓造穴、水力射流造穴和機械工具造穴。本文所闡述的是負壓造穴技術,也就是空氣造穴技術,其方法是采用空氣鉆或經過特殊改造的鉆機,再配備幾臺大功率的空壓機和增壓機以及地面管路系統,將大量空氣注入井內,通過多次的快速憋壓和放噴作業,造成劇烈的井內壓力激動,使煤層崩落形成洞穴,實現井眼與地層之間有效連通而達到增產的目的。

煤層氣 空氣造穴 完井

Abstract:T o CBM production,openhole cavity completions include three methods:under-pressure cavity,jetting cavity and mechanical cavity.In this paper,the under pressure cavity technology is discussed which is also called air cavity as well.We use an air rig or a special rig with several compressors,boosters and surface line equipments.This system injects great volume of air into the well to be cavited.After a series of injections and blowdowns were performed,coal fails and sloughs into the wellbore,leading to created a cave.The conductivity between reservoir and wellbore was improved,which increase the production of CBM.

Keywords:CBM;air cavity;completion

1 前言

空氣造穴完井是煤層氣井所特有的完井方式,目前在國內一些地區已經得到有效應用,并取得一定效果。空氣造穴技術是一種行之有效的完井技術,但是這種技術也有其局限性,不是適合所有煤層,由于我國各地區具有不同的地質條件,不同地區不能完全照搬。空氣造穴完井的原理是利用空氣鉆機鉆穿煤層后,通過配備的幾臺大功率的空壓機、增壓機以及相應的地面-井筒管路系統,將大量空氣壓入井內,通過多次的快速蹩壓和放噴,造成劇烈的井內壓力激動,使井筒附近的煤層邊緣受到一定程度的破壞,產生坍塌和剝落,逐漸形成洞穴,從而加大了煤層的暴露面積,提高井眼周圍割理裂縫的滲透性,增大地層的導流能力,使井眼與地層之間實現有效連通而達到增產的目的。本文根據沈北地區實施的煤層氣井空氣造穴作業的實踐,對裸眼洞穴完井工藝進行技術性總結。

2 洞穴完井的基本要素

據文獻資料提供的數據,洞穴完井的三要素:一是厚煤,一般在6m以上;二是高滲,一般在10～20md;三是超壓,一般地層壓力系數>1。

由于洞穴工藝實質上是利用氣體的可壓縮性所具備的彈性能量,在能量聚集和釋放的過程中,轉化為高速的氣體流速。高速的流體必然對裂縫的壁面產生強大的拖動力,從而產生張性裂縫和剪切裂縫。

高滲成為洞穴工藝的主要條件如下:

(1)高滲代表空氣注入的通道寬而遠,空氣彈性能量的作用范圍、力度會充分的發揮。

(2)高滲會使在單位長度的距離內壓力梯度小,使煤層的剝離、垮塌的程度變小。

(3)煤層滲透性主要受控于煤層本身割理發育情況,通過造穴,提供一個煤層與人工井底的有效聯通,煤層中水、氣靠自身的滲透性,就能夠順利產出。

其次,由于超壓與游離氣的存在,可以完成在注氣、激動作業同期完成后,通過關井后,游離氣快速的恢復壓力,然后放壓釋放同樣可以起到注氣工藝的作用。另外,煤層本身壓力較高,能夠有足夠的能量使水、氣產出。

再者,足夠的煤厚減少了裂縫產生的邊界阻礙因素。煤層厚度大,能夠保證在不破壞煤層頂底板的前提下,通過外力形成一個滿足條件的洞穴井底,同時厚度大,也能夠形成更大的滲流面積。

當然,要發揮氣體的彈性能量,煤層的含氣量和含氣飽和度也是非常重要的因素。在同樣的注氣壓力下,高孔隙度可以保證有更大的氣體充滿度。

3 美國圣胡安高產走廊區是世界洞穴完井工藝的范例

煤層氣高產取決于影響煤層滲透性的諸多因素,美國的煤儲層滲透性普遍較好,一般為0.1～100md,如圣胡安、黑勇士盆地煤層滲透率3～20md。我國煤層氣儲層滲透率普遍偏低,大多數小于1md。然而滲透率小于0.5md,很難獲得較高的產能。

洞穴完井技術起源于美國西部圣胡安盆地。在該地區的煤層氣開采過程中,為了有效解決滲透率高、煤層易坍塌和高壓煤層氣層等難題,上世紀八十年代,通過對煤層氣增產措施的研究,提出了洞穴完井技術。經過多年來的實踐使用,洞穴完井技術在圣胡安地區得到很大發展,成為該地區的煤層氣開采中最為關鍵的技術之一。由于圣胡安盆地具有較好的煤層氣開采的煤儲層條件,在完井方面,針對物性較好的高滲煤層區開創出空氣動力洞穴裸眼完井技術,其產量是射孔壓裂井的5～10倍。

4 山西壽陽空氣造穴試驗取得較顯著成果

壽陽地區位于沁水盆地東北緣,主要含煤地層為山西組和太原組,3#、15#煤層為主要目標層。3#厚度為1.2～3.8m,15#厚度為3～4m;煤層一般埋深在500～600m。

造穴煤層15#煤階煤以無煙煤Ⅱ號為主,硬度大、塊狀,煤體結構以原生結構為主,15#煤層頂底板主要以泥巖、砂質泥巖為主,泥質膠結、致密,封閉性好。

根據該區以往的煤田地質勘探資料,施工區煤層氣含量(可燃基)很高,一般在10～20m3/t;實測15#煤層滲透率在1md以上。

遠東能源公司借鑒美國的洞穴完井技術在壽陽地區完成了4口井的造穴試驗,具體施工方法是造穴前先鉆穿煤層后,下套管完井,其中15#煤層井段下入玻璃鋼套管,完井后下磨鞋把玻璃纖維管磨掉,然后把煤層射穿再進行造穴。主要設備采用美國T685WS型空氣鉆機;同時安裝2臺空氣壓縮機,風量為25.5～30.3m3/min,壓力2.4MPa,其主要作用是用于往井筒中注入空氣進行造穴、試壓等作業;再安裝增壓機1臺,其流量為1.6m3/min,吸氣壓力2.4MPa,額定排氣壓力10MPa,其主要作用是在造穴中用于增加氣體的壓力。在造穴施工中通過鉆機的頂驅往井筒中注入空氣,然后進行憋壓和放噴作業,共進行了五次注氣、憋壓和放噴循環作業,最高注入壓力為6MPa。

從試驗情況看,經過洞穴完井工藝施工的4口煤層氣生產井在造穴前不產氣,造穴后經過后期排采,產能比先期套管射孔完井的鉆井高出1～2倍,取得了較為滿意的效果。

分析其成功的原因,主要是該區煤層厚度較大,含氣量較高,具有較好的滲透率。另外,由于完井深度較淺,設備具有的注氣壓力超過了煤層破裂壓力,使煤層發生張性和剪切破裂,形成了更大范圍的破碎帶,從而使煤層內一些處于封閉、半封閉狀態的原始微裂縫相互溝通,提高了煤層的滲透率。

5 沈北煤層特征對洞穴工藝的限制因素

沈北煤層為褐煤,煤層厚度大,一般為12m左右,灰分含量在40%左右,煤在空氣中放置1～2個月后風化成粉煤。另外,滲透率低,一般在0.01md左右。這種煤層條件會造成:

(1)空氣注入時,注入壓力高,注入范圍小。

(2)由于滲透率特低,在壓力釋放時煤層洞壁的壓力梯度特別大,非常容易造成洞壁大規模的垮塌。

(3)由于灰分較大,在加水的作用下,煤層結構強度大幅度降低,水的進入進一步擴大了洞壁的壓力梯度。因此,本區洞穴半徑可能要遠遠高于其它地區,過大的洞穴半徑對煤層的支撐能力就會大幅度降低。

另外,沈北煤層的頂板為油頁巖,厚度大,一般在70～140m,遇水極易水化垮塌。

沈北煤田周邊地區火山活動頻繁,因此,煤層頂底板和煤層內凝灰巖的成份很高,造成巖層抗水化能力極弱。

如果洞穴工藝中包括有加水的工序,非常容易造成頂板和煤層大規模垮塌,最終造成沖孔非常困難,以及工程進展困難。

6 沈北煤層氣井應用空氣造穴工藝的不足

由于沈北煤質、頂板具有特殊性,鉆進過程中大面積煤層頂板垮塌,造成沖孔困難,致使工程進度無法按期完成。除地質原因外,在工程上的不足包括:

(1)煤層裸露面積過大,這樣造成大面積垮塌,沖孔難度加大。另外,頂板失去支撐極易坍塌,進行裸眼造穴易造成套管變形,使鉆具斷落井內,導致工程風險加大。

(2)注氣作業中采用加水工藝,產生的直接后果如下:

①造成煤層和頂板油頁巖遇水變軟,結構程度降低,更進一步加劇了煤層的垮塌。

②造成氣舉返屑能力大大降低,直接造成排屑困難。

(3)注氣能力不夠,包括對洞穴注氣工藝的理解和設計不足。

按目前增壓機的供氣能力只有24個大氣壓,再乘以1.56m3的工程流量得到37.4m3/min的供氣能力,在加水的條件下,是很難達到“7寸套管內鉆具的空氣返屑能力。

當然若不加水,又存在兩大難題:

①在壓力釋放情況下,解析的煤層氣要發生爆炸和燃燒。據分析推測,井底在空氣動力高速放壓時,由于褐煤的甲烷氣解析速率很快很高,返出氣體很快就達到爆燃的濃度。當井下上返煤塊在高速撞擊鉆具時,使鉆具升溫或撞擊產生火花形成混合氣爆燃。因此對于褐煤這樣高解析速率的煤層,尤其是不含水的干煤層,放壓的速率一定要得到有效控制。

②在井筒不充分干燥的情況下,可能在排屑時產生巖屑濕團,堵塞環形空間的通道。

(4)注氣壓力不足。由于本次注氣壓力最高為12MPa,而煤層的破裂壓力為1516MPa,煤層深度923m,雖然進行了5個周期的注入、憋壓、放噴的循環作業,但由于注氣壓力達不到破裂壓力,氣體很難完全進入煤層。其主要原因是使用的增壓機、空壓機最高極限壓力為15MPa,但在實際應用中考慮到安全因素不可能超過15MPa。因此,也就不會達到理想的效果。

7 結論

(1)由于受到煤層頂板油頁巖的影響以及設備和認識上的原因,沈北煤田的洞穴完井還沒有真正實現井底壓力激動或煤層內部的應力波動,洞穴遠端的微裂紋還沒有完全受到周期性的張性和剪切力作用影響。

(2)洞穴完井工藝對地質、煤層儲層條件有很高的要求。沈北地區雖然煤層較厚,但由于滲透率低,不可完全照搬美國的洞穴完井技術,應對該項技術進行深入的研究。

(3)空氣造穴作業后的返出物體中一半為頂板的油頁巖,說明該井的頂板坍塌很嚴重,甚至掏空了技術套管尾管的下部,這對完井后的排采工作帶來極大的隱患和風險。因此,遇到這樣巖性的頂板,套管完成深度應該更接近于煤層,甚至直接完成于煤層頂部之上。

[1] 莫日和.煤層氣井造穴技術的實踐與研究[J].中國煤層氣,2007.4(3).

Analysis of Air-cavity Technology in Shenbei Coal Mine

Xiong Dehua
(China United Coalbed Methane Corp.,Ltd,Beijing 100011)

熊德華,男,高級工程師,從事煤層氣勘探開發工作。

(責任編輯 趙國泉)