利用氮氣泡沫解除煤層氣水平井堵塞的研究和應用

劉長雄，唐鋒，廖軍，任嚴，黃曉亮，彭睿

中國石油集團渤海鉆探工程有限公司井下作業分公司，河北 任丘 062552

煤層氣井在鉆井過程和排采過程都會產生大量煤粉[1～3]，一旦篩管完井和裸眼完井水平井在生產過程中發生堵塞，井筒的清理是非常困難的，這也是制約水平井發展的一大難題[4]。常規水基壓裂解堵只適用于普通套管完井的井筒，如將水力壓裂解堵用在篩管完井或裸眼完井的水平井，極大可能造成煤層坍塌，不僅起不到解堵的作用反而讓堵塞更嚴重[5]，但若將水基體系換成氮氣泡沫液體系，就能有效預防煤層坍塌，利用氣體可壓縮的特點，將堵塞物攜帶到地面[6～8]以達到解除堵塞的效果。

1 水平井發生堵塞的原因分析

1.1 鉆井污染

圖1 水平井井筒下井壁殘留煤粉

在煤層氣水平井鉆進時，無論是正壓差鉆井還是欠平衡鉆井以及起下鉆作業過程中造成的壓力激動，均會造成煤層割理開啟、碎裂，隨之產生大量煤粉。水平井井筒殘留煤粉煤屑一旦被破碎、脫離井底后，一部分被鉆井液帶走(小顆粒)，還有一部分滯留在水平段某處的下井壁(較大顆粒)。重力使鉆具躺在下井壁上，這種偏心環空造成下井壁處低速區，而這些低速區恰是巖屑在重力作用下的滯留區，提鉆后水平井筒下井壁將殘留部分煤粉(見圖1)。

1.2 排采過程產生煤粉堵塞

排采階段是一個排水降壓采氣的過程，也是煤粉從煤層運移到井筒的過程，該階段以下情況均會產生煤粉：①排水過程液流對煤粉進行搬運，同時對煤層也進行沖蝕形成煤粉；②由于生產壓差的存在，儲層壓力的改變導致應力條件的改變，會產生煤粉；③對于水平多分支井來說，井眼在煤層段裸露遭受沖蝕作用強且容易失穩坍塌，會產生大量煤粉；④若不連續排采，在重新啟動排采時，流體流速瞬間增大，快速的流體沖蝕并擾亂先前相對平衡的狀態，造成煤粉大量排出[9,10]。

以上工況煤粉的產出都要經過產氣通道，很容易堆積在產氣通道內，當煤粉堆積到一定的量必然造成產氣通道的堵塞。

2 氮氣泡沫液的性質

2.1 氮氣泡沫液配方

泡沫是以液體為連續相、氣體為分散相的，為增強泡沫穩定性，常添加聚合物和表面活性劑。為保護煤層，該研究中氮氣泡沫未添加聚合物，只添加表面活性劑，優選后的泡沫配方為：清水+1%KCl+1.5%起泡劑+0.1%助排劑+氮氣。

2.2 氮氣泡沫質量

在一定的溫度和壓力下，泡沫流體中的氣體體積與泡沫體積之比即為泡沫質量。泡沫質量是表征泡沫壓裂液性能的重要參數，它與泡沫的穩定性及流變性密切相關：①泡沫質量在0～54%時，氣體是以球形氣泡分散于液體中，此時氣泡之間不發生接觸，在此范圍內，泡沫呈現出一種牛頓液體的流動特征。②當泡沫質量在54%～74%的范圍內時，穩定的泡沫為球形并逐漸被聚結成為多邊形，氣泡開始發生干擾和沖突，黏度和屈服值都適度的增加。③泡沫質量在74%～96%時，穩定的泡沫由于泡沫互相接觸不再以球形狀態存在，而最終由十二面體變為平等六面體，此時的流動特征類似于賓漢假塑性流體，其塑性黏度和屈服值迅速增加。④當泡沫質量達到96%以上時，薄的液膜不足以包容較大的氣體體積，因此泡沫中的氣泡就破裂形成霧，此時液體以液滴出現(即霧狀)與氣體共存，像純氣體一樣有很低的密度和黏度以及較低的表面張力。

2.3 氮氣泡沫黏度

泡沫的黏度主要由泡沫的質量和液相性質所決定，泡沫質量越高氣泡越密集，它們之間發生干擾，沖突更為嚴重，因此泡沫的視黏度隨著泡沫質量的增加而增加，一般泡沫質量達到75%～80%時，黏度最大，此后隨著泡沫質量的增加而有所下降，圖2為氮氣泡沫質量與泡沫黏度的關系曲線圖。

2.4 泡沫穩定性

泡沫穩定性的表征是用半衰期來衡量的，即從泡沫液中分離出一半液體所需要的時間。在相同配方下泡沫半衰期主要取決于液相的黏度，而泡沫液的黏度主要由泡沫質量決定。圖3為水基泡沫、線性凝膠泡沫和凍膠泡沫壓裂液的穩定性與液相黏度和泡沫質量的關系。從圖3中可看出，水基泡沫質量為 50%～90%時，半衰期為 25～30min；當泡沫質量小于50%時，穩定性較差。

圖2 氮氣泡沫質量與泡沫黏度的關系 圖3 泡沫穩定性與泡沫質量的關系

2.5 泡沫的流變性

泡沫質量低于54%時，泡沫具有牛頓流體的性質，泡沫質量在96%時就變成霧。泡沫質量為54%～95%的泡沫在靜止時具有較小的屈服值，其屈服值在0～2Pa，不同泡沫質量下的泡沫屈服值見表1。

在實際施工中，泡沫的剪切速率一般在500～1000s-1，流動的泡沫流體沒有屈服值，可看作是假塑性流體，此時泡沫的有效黏度和塑性黏度相差甚少，可以相互代用，不同泡沫質量與不同剪切速率下的泡沫有效黏度見表2。

表1 泡沫的屈服值

注：1psi=6894.757Pa。

表2 泡沫的有效黏度

3 氮氣泡沫解堵可行性分析

3.1 煤層是否會坍塌

我國煤層氣氣田大多為中、高階構造煤，煤層中天然裂隙發育，同時煤粉也較多，在向地層注入氮氣泡沫液時，如壓力過高煤層產生新的裂縫，很容易造成煤層坍塌，對地層造成更大的危害，進而堵塞井筒；如控制壓力在煤層破裂壓力以下時，泡沫液將進入天然裂隙，不產生新的裂縫，可以極大降低煤層坍塌的可能，因此在施工中必須要控制井底壓力不高于地層的破裂壓力。

設計時可以根據附近井的壓裂情況對該區塊煤層的破裂壓力進行統計，通過地面監測的破裂壓力計算出地層的真實破裂壓力，作為水平井氮氣泡沫解堵施工中控制壓力的參考，盡量將地層壓力控制在真實破裂壓力以下，可有效防止煤層坍塌。同時泡沫液本身液柱壓力較低，對于控制地層壓力比較有利，也能減小煤層坍塌的可能。

以樊莊區塊某水平井09井為例，該井為多分支水平井，周邊兩口井采用的是套管活性水壓裂的施工方式，其破裂壓力分別為13.2MPa和15.4MPa，根據公式：地面壓力+靜液柱壓力=井底壓力+摩擦阻力，計算出井底壓力均在14MPa以上，那么在設計水平井09井的氮氣泡沫解堵的控制最高壓力時以14MPa為最高井底壓力，根據該井3#煤層埋深580m以及施工氮氣泡沫質量和摩阻可計算出地面壓力應控制在13.6MPa，在現場施工中，控壓范圍內曲線平穩，沒有明顯的壓力突降，說明煤層保持穩定，沒有出現破裂、坍塌的現象。在其他區塊也做了同樣的試驗，以潘莊某10井施工為例，結合周邊鄰井壓裂情況，將施工限壓設置在15MPa，施工過程中在限壓范圍內地層沒有出現大幅的波動，十分穩定。

3.2 放噴速度

當把地面的氮氣和泡沫液打入地層后，地層將有一定的壓力，此時立即進行放噴，氣體會沿管柱和放噴管線快速排出，同時將地層天然裂隙和井筒中的煤粉以及鉆井產生的其他堵塞物攜帶到地面。如把放噴泡沫液看成理想氣體狀態，則根據伯努利(Bernoulli)方程可推導出如下的氣體放噴公式：

(1)

式中，Q為氣體放噴的質量速率；kg/s；Cd為氣體放噴系數，當裂口形狀為圓形時取1.00,三角形時取0.95，長方形時取0.90；P為井底壓力，Pa；A為放噴口面積，m2；γ為絕熱指數，是等壓熱容與等容熱容的比值，氮氣為1.401；M為氣體的分子量，kg/mol；R為氣體常數，取8.314J/(mol·K)；T為容器內氣體溫度，K；P0為環境壓力，Pa。

但是，如果在直管中上游總壓力和總溫度保持一定，無論怎樣降低管道下游的壓力，通過管道的質量流量都不會增大，就會出現壅塞現象。當氮氣達到其臨界壓力時釋放就會出現壅塞現象。臨界壓力Pc可以用下式計算：

(2)

此時可用下式計算質量速率：

(3)

在實際施工后放噴閥全開進行放噴，放噴中管柱的質量流速用上述公式進行計算，而管柱中的最高氣體流動速度可瞬間達340m/s。

3.3 可行性判斷

通過對煤層產生煤粉原因的分析、氮氣泡沫性質的分析、該工藝是否會造成煤層坍塌產生二次傷害的分析以及放噴時氣體流動狀態的分析，可以看出使用氮氣泡沫工藝解除水平井煤層裂縫堵塞和井筒堵塞在理論上是可行的，滿足清理井筒同時保護煤層的條件。

4 實例分析

4.1 實例1

在沁水盆地南部樊莊區塊進行了選井試驗，以水平井04井為例，該井3#煤層埋深598.85m，煤層厚度6.75m，該煤層含氣量較高，埋深較淺，地質條件較好。該井在鉆井過程中為了防止垮塌，泥漿比重及黏度較大，對儲層造成了一定程度污染；且在排采過程中頻繁作業、排采不連續導致煤粉堵塞，產能無法得到有效釋放，該井最高產氣量為3700m3/d，目前穩定在800m3/d左右，嘗試采用氮氣泡沫解堵的方式恢復產能。

設計使用泡沫液量20m3，液氮30m3。配方為：活性水+1.5%起泡劑+0.1%助排劑+氮氣。氮氣泡沫質量為70%～90%。鄰井破裂壓力普遍在18MPa以上，為防止地層坍塌，初步將施工壓力控制在15MPa內進行施工。

圖4 樊莊區塊04井放噴現場圖

該井于2016年7月26日進行氮氣泡沫解堵施工，注入液氮量28.58m3，泡沫液22.66m3。開始施工后施工壓力隨注入氮氣量增加而升高。施工前期壓力由11.38MPa突然下降至9.46MPa，說明地層堵塞出現一定程度疏通。施工中后期，壓力較平穩，根據設計要求通過排量變化進行人為壓力波動兩次，第2次壓力波動期間壓力出現小幅度下降后回升。施工后立即放噴，壓力由8.8MPa降至0，共返排出黑色液體5.86m3，并放噴出少量砂子和大量煤粉，圖4為現場放噴圖。通過降壓解吸后，產能在1個月后恢復到8700m3/d，達到了預期效果。

4.2 實例2

在潘莊區塊也進行了多口井的氮氣泡沫解堵施工，以某水平井05井為例，該井從2014年5月投產以來平均日產氣約20000m3，今年5月日產氣量下降至2900m3，進行了撈煤粉作業，產能無明顯恢復，分析認為是煤粉長期沉積導致產氣通道堵塞，嘗試采用氮氣泡沫解堵，該井注入液氮88.7m3。

該井施工中壓力略有下降，有疏通跡象，施工后立即放噴排出大量煤粉，作業后15d產能恢復至16000m3/d，30d完全恢復產能。

5 結論

1)煤層在鉆井和排采中產生煤粉多，容易堵塞產氣通道，直接影響生產中后期產氣量，大多數都會出現產量下降甚至快速下降的情況；

2)氮氣泡沫質量的控制是該工藝成功的關鍵，盡量控制在80%～90%；

3)地層真實破裂壓力是在施工中煤層是否會出現坍塌的重要數據，因此鄰井的壓裂數據也是至關重要的參考依據；

4)氣體放噴時流速快，攜帶能力強，能夠將煤層天然縫隙和井筒中的堵塞物攜帶到地面；

5)該工藝適用性廣。適用于常規壓裂無法解決的任何煤層氣井，包括裸眼完井和篩管完井的單分支以及多分支水平井和直井；且該工藝以活性水為基液成本較低，適用于煤層氣的低成本開發。

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