沁水盆地煤層氣井排采過程中煤粉防治工藝技術探討

湯繼丹 趙文秀 程 浩 周 帥 熊 平 秦 義 白建梅

(中國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, 通過近兩年的煤層氣開發實踐表明, 沁水煤層氣田具有低壓、低滲、低飽和、非均質性強的“三低一強”特征, 煤層氣井平均單井產量偏低。而煤層氣井的產氣量不僅受控于煤儲層特征、煤層含氣性、頂底板巖性、構造特征和壓裂造縫效果等因素, 同時也受到鉆井、完井和排采等工藝技術的制約。目前沁水盆地高階煤煤層氣開發生產中暴露出一個突出的問題： 由于生產規律把握不準, 排采制度調節頻繁,造成煤層壓力激動、煤粉遷移和沉積, 裂縫和井筒被煤粉堵塞, 裂縫閉合, 導致煤層滲透性的永久性傷害, 使得氣/水產量難以達到理想狀態。

1 煤粉形成原因及其對煤層氣開發造成的危害

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

1．1 支撐裂縫的煤粉堵塞

煤巖的力學性質 (楊氏模量大、泊松比大) 決定了煤層具有堅硬、性脆、易破碎的特點。目前的主流壓裂工藝為活性水壓裂, 活性水攜砂性差, 必須采用大排量, 大排量的含砂壓裂液對裂縫的沖擊力度大, 產出的煤粉就比較多; 含砂活性水在裂縫中的流動為紊流, 紊流不但加劇了支撐劑對裂縫壁表面的打磨沖擊能力, 產生大量煤粉, 而且會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

應力狀態改變導致煤基質破裂是煤粉產生的可能原因。在漫長的構造演化過程中, 煤層逐漸達到現今應力平衡狀態。在壓裂、排采過程中, 外部壓力條件改變, 導致煤基質應力條件變化, 煤巖逐漸失去原有的應力平衡, 煤巖的彈性自調節效應導致煤粉的產生。產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 樊莊作業區XX區塊煤芯覆壓實驗

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塊煤層氣排采井水樣中的煤粉粒度。從分析數據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, 長時間靜置后可見深灰色糊狀沉淀。煤粉堵塞泵吸入口, 造成凡爾關閉不嚴, 大幅度降低水泵功效。進入井筒的細微煤粉逐漸堆積,形成黏稠膠狀物進入泵內, 極易造成卡泵現象, 在生產過程中需要頻繁檢泵。

2 研究對策

根據煤巖的煤巖楊氏模量大、泊松比大的力學性質特點及排水降壓煤層氣開發原理可知, 煤層氣井排水采氣過程及后續措施作業中儲層不可以避免的產生煤粉。減少排采過程中煤儲層應力出邊避免煤粉的集中、大量生成; 有效的控制儲層中生成煤粉的運移; 運移到井筒的煤粉通過適宜的排采設備將其有效的由井筒舉升至地面, 將是煤層氣井排采過程中防治煤粉的工作主線。

2．1 定量排采制度

煤層氣開采是通過排水降壓、解吸、擴散、滲流等階段完成的, 與常規天然氣產出機理不同。排采工作是煤層氣開發的關鍵環節之一, 而合理的排采制度是煤層氣井獲得高產、穩產的關鍵。目前,國內學者對排采工作制度的研究都沒有給出一套切實可行的辦法用于指導煤層氣生產。目前煤層氣的排采執行定性的制度“緩慢、連續、穩定、長期”,定性的排采制度很難保證排采的穩定性, 迫切需要排采制度由定性向定量轉變, 建立定量化排采制度。

通過下面的研究可以解決這個問題：

(1) 通過室內模擬實驗建立煤儲層滲流參數與排采強度的數學模型;

(2) 運用統計方法對已開發排采井進行統計,找出影響排采效果的因素;

(3) 通過現場實驗完善排采強度與地層參數數學模型。

2．2 優化壓裂工藝

壓裂的終極目標是形成長的低污染的高效滲流通道。基于經濟效益的情況下, 為了降低煤儲層堵塞, 新的壓裂工藝必須在低成本下造出一條足夠長的支撐裂縫, 增大泄流面積; 減小攜砂液階段煤粉的產出, 降低對支撐裂縫的污染。

為此設計防煤粉壓裂工藝：

(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在施工過程中采用中排量注入技術;

(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; 施工過程中采用大排量、大液量工藝;

(3) 攜砂液： 在攜砂液階段應用低傷害、高粘度的清潔壓裂液攜帶支撐劑, 以減少紊流狀態下對煤儲層的沖擊, 同時可以將產生的煤粉攜帶至遠離井筒地帶, 并能提高支撐劑有效鋪置距離; 根據煤層氣壓裂現場經驗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

2．3．1 振動解堵技術

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

郭平生、任偉杰等發現煤巖超聲波場中, 煤巖吸附相分子將獲得比非吸附相分子大10 個數量級以上的能量, 且當超聲波頻率達到吸附相分子的固有頻率時使解吸速率最大。超聲波使得煤巖小尺度裂隙數目增加, 使抗壓強度最大可降低20%～40%; 超聲振動方向與煤層層理一致時, 可使煤巖試樣測試的滲透率增大1 倍左右。

對于煤粉堵塞引起氣井產氣量下降的井, 可以對煤儲層外加振動場, 通過振動場的能量實現解堵。振動能量傳遞到煤體中增加了煤體內能, 使煤顆粒間產生相對位移、顆粒間接觸更加緊密, 降低煤巖應力。振動后沉積在煤層裂隙內的煤粉顆粒逐漸松動剝落, 分散在液體中被采出液攜帶走, 達到疏通滲流通道的目的。振動波場能夠破壞突出煤體內部顆粒之間的粘結狀態, 增加煤體裂隙寬度, 使裂隙延長和貫通, 提高煤體的滲透能力。

2．3．2 化學解堵

通過向煤層中注入發泡劑等化學劑, 使其在地層裂縫中產生大量的泡沫, 形成高壓, 把裂縫重新撐開; 關井數小時后然后以小排量進行返排, 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的紊流攪動混排作用, 將裂縫中的煤粉、細粉砂攜帶出井筒, 達到疏通滲流通道提高儲層滲流能力的目的。

3 結論

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

(2) 在壓裂過程中, 在攜砂液階段壓高壓高速含砂壓裂液對裂縫的沖擊打磨形成煤粉, 處于紊流流態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, 針對壓裂中煤粉的形成提出了防煤灰新的壓裂工藝;

(3) 對于已經存在煤粉堵塞的井, 提出振動場解堵、化學解堵等相關解堵工藝技術。

[1] 陳振宏, 王一兵, 孫平, 煤粉產出對高煤階煤層氣井產能的影響及其控制 [J] , 煤炭學報, 2009, 34(2) ： 229- 232．

[2] 康永尚, 趙群, 王紅巖, 等．煤層氣井開發效率及排采制度的研究 [J] ．天然氣工業, 2007, 27 (7) ：79- 82．

[3] 倪小明, 王延斌, 接銘訓, 等．煤層氣井排采初期合理排采強度的確定方法 [J] ．西南石油大學學報,2007, 29 (6) ： 101- 104．

[4] 楊秀春, 李明宅．煤層氣排采動態參數及其相互關系 [J] ．煤田地質與勘探, 2008, 36 (2) ： 19- 27．

[5] 曹立剛, 郭海林, 顧謙隆．煤層氣井排采過程中各排采參數間關系的探討 [J] ．中國煤田地質, 2000,12 (1) ： 31- 35．

[6] 鄧英爾, 黃潤秋, 郭大浩．煤層氣產量的影響因素及不穩定滲流產量預測 [J] ．天然氣工業報, 2005,25 (1) ： 117- 119．

[7] 萬玉金, 曹雯林． 煤層氣單井產量影響因素分析[J] ．天然氣工業報, 2005, 25 (1) ： 124- 126．

[8] 何偉鋼, 葉建平．煤層氣井排采歷史地質分析[J] ．高校地質學報, 2003, 9 (3) ： 387- 3891．

[9] 康永尚, 鄧澤, 劉洪林．我國煤層氣井排采工作制度探討 [J] ．天然氣地球科學, 2008, 19 (3) ： 423- 426．

[10] 李仰民, 王立龍、劉國偉, 等．煤層氣井排采過程中的儲層傷害機理研究 [J] ．中國煤層氣, 2010,7 (6) ： 39- 43．