煤層氣井產能影響因素分析和解決對策探討

秦大鵬 杜世濤

(新疆維吾爾自治區煤田地質局一六一煤田地質勘探隊,新疆 830046)

以目前的國內外技術設備條件，煤層氣開采投入較大，怎樣縮減投入和增大產出，一直以來都是業內專家學者探索的焦點。張建軍研究了在應力作用下煤層滲透率動態變化趨勢，證實在引力增加時煤層滲透率明顯降低，對生產井產能影響較明顯；伊永祥研究沁水盆地柿莊南區塊煤層氣井排采控制要素，認為在排采的不同階段設置相應的排水量對于控制煤粉和保護儲層，提高產能具有顯著效果；王鵬飛通過煤層氣生產井數值模擬結果認為煤層氣生產井排采初期大幅降水會對儲層造成損傷，產氣量降低，而對擴大壓降漏斗和提高后期產氣量幫助較大；彭冠銘在總結鄂爾多斯柳林區塊煤層氣井壓裂數值模擬中認為壓裂液黏度是控制產氣量的主要因素之一。找準煤層氣井產能影響因素，階段性做出針對性的解決方案，以降低致因對產能的影響，對于降低鉆、壓、排環節的投入，提高生產效益有很大幫助。

1 煤層空隙特征

在探討中收集了國內煤層氣勘探開發較成熟的五個區塊的泊松比和彈性模量數據(表1)與巖石硬度劃分參考表(表2)進行對比可知，煤層的泊松比和彈性模量處于多孔、松散至微膠結的巖石硬度范圍，煤層都偏向于多孔、松散至弱膠結狀態。

表1 煤層氣勘探開發成熟區塊泊松比和彈性模量數據統計表

表2 巖石硬度劃分參考表

受煤層“多孔、松散、弱膠結”的力學特性影響，煤層氣井生產過程中在各種因素的共同作用下，往往表現為產量的降低，壓力的下降。依據煤層的自有特性和增產工藝特點,分析煤層氣井產量下降的原因，針對性的采取治理措施，是保持煤層氣井穩產高產的基礎。

2 影響煤層氣井高產穩產的因素

鉆井階段鉆井液的入侵，會堵塞井筒周圍煤層空隙及鉆井液與地層水混合后引起正負電荷失衡而產生凝膠；壓裂階段對煤層原地層壓力的擾動、煤層破裂產生的煤粉、壓裂致使一些裂縫的擴張的同時也伴隨這原始煤層裂縫的閉合以及壓敏效應等，都是對煤層直觀的傷害。

2.1 外來液體污染

外來液體污染主要包括鉆井液/壓裂液對煤層的污染，其形成的水鎖、煤體吸附聚合物造成煤體滲透率下降，聚合物濃縮形成的泥餅造成的表皮系數增大。鉆井液侵入井筒周圍(壓裂液隨裂縫的延伸，致使裂縫周圍煤層受污染)，會堵塞井筒周圍煤層空隙及鉆井液與地層水混合后引起正負電荷失衡而產生凝膠；

2.2 壓敏效應

在壓裂過程中，由于煤層泊松比值高的特征，可塑形大，壓敏性強。當壓裂液在巨大壓力的作用下進入地層，作用力的效果首先改造煤層，致使煤層原有壓力環境破壞，新裂縫的延展因煤層理化參數的差異，一定范圍內其方向和高度基本不受控，新造裂縫產生的同時，壓力作用使其附近巖層收到強烈擠壓，煤層空隙內原地層水被擠出、宏-微觀裂隙被壓縮導致滲透率的降低、產生大量煤粉(圖1)。此外，壓敏實驗表明：這些區塊煤比較易于壓縮，且壓后滲透率不能完全恢復，壓敏性較強，是對煤層的永久性傷害。

圖1 煤層煤樣應力敏感實驗曲線圖

2.3 煤粉堵塞

壓裂過程中高速流對煤層的沖刷以及攜砂液的磨蝕會產生大量的煤粉(目前煤層條件下，9m3/min排量，孔眼處流速1184.4m/min, 而5m3/min排量，孔眼處流速降為658.2m/min)，排采中煤層壓力降低，受上覆巖層的壓力產生煤粉。這些煤粉理論上可以滯留在煤層空間允許的任何部位。在后期排采中很容易堵塞氣-水通道，隨水流至井筒的一部分煤粉沉淀于井筒，長時間的積累堆積可直接導致堵塞套管壓裂孔和生產油管進水孔；另一部分煤粉隨水進入泵通導致抽水泵的效率降低甚至卡死停機。

2.4 頻繁關井和游梁式抽油機

頻繁關井和游梁式抽油機，加劇煤粉的產生和運移并使支撐劑導流能力下降。初始時的裂縫導流能力可以滿足生產需要，當生產井運行到一定階段，氣液兩相流使支撐劑導流能力下降,煤粉運移、支撐劑嵌入、壓敏效應和裂縫導流能力的下降，進一步加劇了煤粉堵塞的傷害 。煤層也會因地層壓力的釋放，煤層間支撐力逐漸減弱而，因壓裂而產生的裂縫空間變小，滲流能力下降。大量的微地震監測也證明，活性水壓裂會造成更加復雜的裂縫 (與儲藏有更多的接觸)。但由于煤層塑性特征，大量缺乏有效支撐縫會隨著時間推移而閉合(圖2)。

圖2 煤層內壓力變化效果對比模擬圖

2.5 套管填砂壓裂

套管填砂壓裂因施工周期長,大段沖砂造成污染。填砂壓裂可滿足大排量要求，工藝簡單，但投產下泵時，需沖出大段的填砂，這一過程易造成沖砂液漏失，污染煤層。最終導致的都是裂縫導流能力的降低，其表現就是產量的下降。

3 解決方案

針對影響煤層氣產出的主要因素，制定合理的解決方案，探尋提高生產井產能的方案，以達到效益最大化的目的，是每個開發區塊著力探索的方向。

3.1 針對外來液體污染的解決方案

針對煤層氣井鉆井液和壓裂液造成的煤層近井地帶污染(宏-微觀裂隙堵塞)，其高效解堵技術目前國內成功案例有以下幾種。

(1)氮氣泡沫解堵，即：解堵劑+導水劑+起泡劑+氮氣，以上述配方，配制洗井 液,以期解除近井地帶水鎖傷害和壓裂液、鉆井液形成的濾餅(泥餅)。開展的研究有解堵劑篩選與評價、導水劑研究與評價和施工工藝研究。

(2)自生熱煤層解堵技術： 通過向煤層注入可以生成大量的熱和氣體的配方體系，與具有降解作用的解堵劑相配合，利用熱能提高解堵劑的解堵效果。達到清除近井地帶污染的目的。開展的研究有自生熱體系篩選與評價、解堵劑研究與評價、高溫穩泡劑研究與評價、施工工藝研究。

3.2 針對壓敏效應的解決方案

壓敏效應主要是由于煤層松散、多孔、弱膠結的特性決定的。而在壓裂過程中，地層的破裂壓力必定大于儲層壓力，常常出現壓裂過程中的壓敏效應，使煤層還未排采就受到壓敏的傷害。借鑒常規油氣田超前注水的做法，壓裂時緩慢提高施工排量，在煤層破裂前向煤層孔隙注入一定的氣體和活性水，減緩多孔結構受外力的擠壓變形，減少壓敏的產生。

煤層自身的特性，決定了其產生壓敏的可能性，一般通過對煤層相關參數的預處理、壓裂液性能及壓裂工藝的優化，較大限度的減少壓敏的產生。其主要的技術要點有：(1)通過壓裂規模優化,確定裂縫波及范圍,從而確定注入氮氣的量以及活性水的量；(2)向地層注入預定量的氮氣后小排量注入優化量的活性水。依此方法使煤層得到有效的支撐，減緩壓敏的產生。(3)小階梯提排量至壓裂施工排量的50%，向地層注入處理液，配方如下：KCL+導水劑+破膠劑，以利于后續壓裂液的破膠和煤層排采時水的排出，減少水鎖發生；(4)緩慢提排量至設計排量，注入高粘壓裂液體系，由于高粘壓裂液的使用，施工排量可較活性水壓裂液大大降低(50%)，流速降低，減少對煤層的沖刷，減少煤粉產生。通過以上綜合治理，減少壓裂造成的壓敏和煤粉產生。

3.3 針對煤粉堵塞的解決方案

解決煤粉堵塞就是要減少煤粉產生，適當控制施工排量是減少煤粉產生的重要條件。其次，避免長時間的停井導致懸浮于井筒及地層裂隙中的煤粉沉降。在外來液體方面，要求鉆井液/壓裂液具有低傷害,與地層水及巖層的配伍性在合理區間。壓裂液攜砂能力強，使得在井筒周圍堆積的壓裂砂盡可能的少，并盡可能的利用壓裂液將壓裂砂攜帶至人造裂縫的遠端。

3.4 針對頻繁關井和游梁式抽油機的解決方案

采用攜砂能力強的低傷害壓裂液，增加支撐裂縫寬度，將支撐劑攜帶的更遠，減緩裂縫閉合。既增加了近井支撐裂縫的寬度，又使常規活性水壓裂只破裂未支撐的人工裂縫得到有效支撐，使支撐裂縫的距離增長，大幅減緩了人工裂縫的閉合，提高產量，增加有效期。

3.5 針對套管填砂壓裂問題

利用具有低傷害性能的較高粘度壓裂液體系,可以引進一趟管柱分壓多層的壓裂工藝施工。管柱組合為：由下至上為直噴節流器+水力錨+K344封隔器+滑套噴砂(分酸)器+間管+中間級K344封隔器+滑套噴砂器+間管+頂部K344封隔器+水力錨+安全丟手+校深短節+油管+懸掛器。通過增減中間級封隔器及噴砂器的級數即可組構2-5級分層壓裂(酸壓)管柱；其技術指標：耐溫100℃、耐壓差80MPa、施工排量2-5m3/min，適用套管完井的直、斜、水平井,多級封隔器分層(分段)水力加砂壓裂。此工藝包括滿足較大排量的封隔器、水力錨、安全接頭和噴砂滑套的設計和優化。在壓裂液選用方面，采用攜砂能力強的低傷害壓裂液，增加支撐裂縫寬度，將支撐劑(壓裂砂)攜帶至人造裂縫的的遠端。水力噴射也是減少套管填砂傷害煤層的重要措施之一，分層壓裂集中射孔、壓裂、封隔一體化的增產措施，專用噴射工具產生高速流體穿透套管、巖石，形成孔眼，高速射流孔口產生抽吸作用，強化封隔效果?？籽鄣撞苛黧w壓力增高，超破裂壓力起裂，產生裂縫(圖3)。

圖3 封隔器+滑套分層壓裂工藝結構圖

4 結論

(1)煤層彈性模量3500～10400MPa，平均值7000，泊松比0.2～0.3，偏向于多孔、松散至弱膠結狀態；

(2)影響煤層氣產能的因素主要有外來液體污染、壓敏效應、煤粉堵塞、頻繁關井和游梁式抽油機、套管填砂壓裂工藝的使用；

(3)對煤層的傷害伴隨鉆孔至一口井產能枯竭的全過程，人工干預的只是在每個階段采用合理的方案減少傷害程度，以達到投入和產出相匹配的目的。