高煤階煤層氣井煤粉產出對滲透率影響研究

2011-12-16 07:40:22白建梅孫玉英崔金榜

中國煤層氣 2011年6期

白建梅孫玉英李薇崔金榜周燦

(華北油田公司采油工藝研究院, 河北 062552)

煤巖是一種抗壓和抗拉強度較低的脆弱介質,在鉆井、開采過程中煤巖由于受到較大的壓力波動、水力沖擊震動, 液柱的機械碰撞等外力作用容易使煤巖結構破壞, 可能導致井壁坍塌, 堵塞煤巖裂縫等不利煤層氣開采的后果。

根據沁水盆地南部樊莊區塊煤層氣排采實踐經驗, 煤粉產出呈現出一些基本規律：

①動液面初次降至煤層附近時, 可能出現一個煤粉相對高發期, 統計結果顯示, 該階段煤粉爆發的幾率較排采的其他時間段高出50%以上;

②煤粉產出與降液速率密切相關．排液工作制度過強, 動液面下降速率過快, 煤粉產出幾率大幅度增加;

③壓裂后未立即投入排采井, 煤粉沉積事故顯著增加, 統計結果顯示, 壓裂后三天未排采井, 幾乎都發生煤粉沉積現象。

本文采用從樊莊區塊煤層氣排采井采得的煤粉樣以及該區塊的煤樣, 進行模擬實驗, 研究降壓排水過程中煤粉的控制方法。

多分支水平井集鉆井、完井和增產措施于一體, 是開發煤層氣的主要手段之一, 該技術可以提高單井產量, 減少占用土地; 加快采氣速度; 不下套管, 便于今后的采煤, 是先采氣后采煤的最佳配套技術, 在國外煤層氣的開發實踐中取得了很好的應用效果。國內沁水盆地華北油田自2007 年12 月第一口羽狀多分支水平井投產以來, 一直受煤粉卡泵的困擾, 水平井檢泵作業中99%以上為煤粉卡泵, 高頻率的檢泵, 不僅影響了產氣井的正常運行和平穩產氣, 同時也帶來巨額的檢泵作業費用。為此, 相關技術人員專門對多分支水平井煤粉的成因開展了相關的技術研究, 初步查明了煤粉形成的主控因素。

1 煤粉遷移對滲透率的影響

選擇裂縫割理發育的煤巖, 鉆成25mm 直徑的巖心, 將鉆切后的小巖心稱重后飽和煤層水 (室內配置的模擬煤層水, 水的PH 值為8．5) , 稱取飽和水后的重量。將飽和水后的煤巖心裝入巖心夾持器, 接好實驗流程 (流程圖見圖1) ; 加圍壓, 保持環壓值大于巖心夾持器進口壓力2．0MPa。將煤層水在一定的流速下注入煤巖心, 待壓力穩定后測定在此速度下的壓差值, 計算該流速時的滲透率。在測定壓力的同時收集煤巖心出口端流出液, 流出液經透明軟管流入放有濾膜的玻璃漏斗, 并觀察出口端是否有煤粉產出。實驗速度由小到大分別為0．1mL/min、 0．25mL/min、 0．5mL/min、 0．75mL/min、1．0mL/min、1．5mL/min、2．0mL/min、3．0mL/min、4．0mL/min、5．0mL/min、6．0mL/min。實驗結束后繪制速度和滲透率關系曲線。

流速與煤巖心滲透率的關系見圖1、2。從實驗數據可以看出, 五塊煤巖心中只有F60 號煤巖心在流動的初始階段有煤粉顆粒產出, 其余四塊煤巖心未見產出煤粉。對比流速與煤巖心滲透率的關系曲線可以看出, F60 號煤巖心在流動的初始階段滲透率隨流速增加而升高, 這可能與煤粉產出和有效應力下降有關。在沒有煤粉產出的F280、F57 和S6號煤巖心中, 滲透率隨流動速度的增大表現出下降的趨勢, 這種現象與煤粉的遷移有關, 當速度增大時, 割理中的微粒更容易移動, 當微粒堆積在窄口時, 滲透率下降。在滲透率很低的S7 號煤巖心中,隨流動速度增大, 滲透率升高。為了研究該煤巖心中是否有微粒移動, 又進行了反向試驗, 沒有出現先增大后減小的現象, 說明在該煤巖心中沒有微粒移動, 結合煤巖應力敏感性特征, 認為滲透率升高是由于流速增大后, 孔隙壓力增大, 煤巖所受有效應力下降的原因。

圖1 1#煤心流速與滲透率關系曲線

圖2 2#煤心流速與滲透率關系曲線

從所有曲線的趨勢中可以看出, 無論縫寬、粒度如何改變, 在煤粉運移時煤巖的滲透率都隨流速的增大而下降, 滲透率損害率升高。以F1 和F2 號煤巖心為例, 同樣縫寬為38μm, 分別以0．5mL/min和1．5mL/min 的流動速度將含有相同粒徑、相同固相含量的煤層水注入煤巖心 (顆粒直徑為5．45μm,固相含量為300mg/L) , 同樣注入75 倍孔隙體積的液體時, F1 號煤巖心滲透率損害率為19．38%, 而F2 號煤巖心滲透率損害率為29．55%, 相差10．17%。當注入75 倍孔隙體積的液體時, F1 號煤巖心滲透率損害率為19．38%, 而F2 號煤巖心滲透率損害率為29．55%, 相差10．17%。注入150 倍孔隙體積的液體時, F1 號煤巖心滲透率損害率為19．38%, 而F2 號煤巖心滲透率損害率為34．96%,相差15．58%。由此可見, 在煤粉遷移的過程中,煤粉在裂縫割理中逐漸沉積, 使得裂縫寬度變窄,滲透率下降。流速增大使得煤粉易發生遷移, 更多的煤粉進入裂縫系統, 堵塞流動通道, 造成滲透率傷害。

裂縫寬度、顆粒尺寸對煤粉運移過程中的滲透率傷害也有一定的影響。從圖3、4 中可以看出,當縫寬為38μm 時, 顆粒越細, 滲透率傷害越嚴重, 出口端煤粉含量越大。這是由于, 裂縫越寬,顆粒越細, 越容易進入裂縫并發生堵塞。

圖3 相同裂縫寬度、不同顆粒直徑滲透率傷害率與流速的關系

圖4 相同顆粒直徑、不同裂縫寬度滲透率傷害率與流速的關系

2 不同排水階段煤粉遷移與滲透率的關系

圖5、圖6 反映了不同排水階段煤粉遷移時滲透率的傷害率。在相同裂縫寬度、相同顆粒直徑下, 隨著注入體積的增加, 滲透率傷害更加嚴重。在排水的初始階段, 隨著注入體積的增加, 滲透率傷害率非常大, 但是排出一定體積之后, 再注入流體滲透率下降速度減慢, 表明煤巖滲透率傷害主要發生在煤粉運移的初始階段, 因此在降壓排采過程初期, 就應當嚴格控制煤粉。

圖5 相同裂縫寬度、相同顆粒直徑時不同時滲透率傷害率與流速的關系

圖6 相同裂縫寬度、相注入體積滲透率傷害率與流速的關系

以上實驗結果表明, 較低的排采速度可以降低煤粉對煤層滲透率的傷害, 有利于煤層氣長久開采。當裂縫寬度較大時, 滲透率傷害相對較小且出粉量在低流速下較少, 因此應在盡量滿足生產要求的條件下, 努力擴大裂縫寬度, 控制排采速度。

3 優化排液工作制度防止應力突變產生煤粉研究

現場生產資料顯示, 排液工作制度過強, 動液面下降速率過快, 煤粉產出幾率大幅度增加。為了了解煤粉產出與速度改變的關系, 設計了室內巖心流動實驗, 分別研究速度逐漸升高和突然升高兩種條件下煤粉的產出情況。流動速度分別為第一組0．05mL/min、 0．1mL/min、 0．25mL/min、 0．5mL/min, 第二組0．5mL/min。實驗方法是, 將長度為1．5cm, 中間有裂縫的煤巖心用膠帶纏好圓柱面,并延長至圓柱面外2cm, 將煤粉填至延長的部分,并壓實。制作好的巖心一端是有裂縫的煤巖, 在裂縫的后端是壓實的煤粉。將制作好的煤巖心裝入巖心夾持器, 加圍壓, 采用第一組速度, 將煤層水在0．05mL/min 的速度下注入巖心, 在出口端收集流出液, 并觀察出粉情況; 注入20mL 后改變速度為0．1mL/min, 繼續注入20mL 液體, 一直將速度增加到0．5mL/min, 測定總的出粉量; 另一塊巖心采用第二組速度, 將煤層水在0．5mL/min 的速度下注入巖心, 注入總體積與第一組速度注入的總體積相同。實驗結果見表1。