沈北煤田空气造穴工艺的技术探讨

熊德华

(中联煤层气有限责任公司,北京 100011)

沈北煤田空气造穴工艺的技术探讨

熊德华

(中联煤层气有限责任公司,北京 100011)

在国内外煤层气开采中,裸眼洞穴造穴技术主要分为三种:负压造穴、水力射流造穴和机械工具造穴。本文所阐述的是负压造穴技术,也就是空气造穴技术,其方法是采用空气钻或经过特殊改造的钻机,再配备几台大功率的空压机和增压机以及地面管路系统,将大量空气注入井内,通过多次的快速憋压和放喷作业,造成剧烈的井内压力激动,使煤层崩落形成洞穴,实现井眼与地层之间有效连通而达到增产的目的。

煤层气 空气造穴 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

空气造穴完井是煤层气井所特有的完井方式,目前在国内一些地区已经得到有效应用,并取得一定效果。空气造穴技术是一种行之有效的完井技术,但是这种技术也有其局限性,不是适合所有煤层,由于我国各地区具有不同的地质条件,不同地区不能完全照搬。空气造穴完井的原理是利用空气钻机钻穿煤层后,通过配备的几台大功率的空压机、增压机以及相应的地面-井筒管路系统,将大量空气压入井内,通过多次的快速蹩压和放喷,造成剧烈的井内压力激动,使井筒附近的煤层边缘受到一定程度的破坏,产生坍塌和剥落,逐渐形成洞穴,从而加大了煤层的暴露面积,提高井眼周围割理裂缝的渗透性,增大地层的导流能力,使井眼与地层之间实现有效连通而达到增产的目的。本文根据沈北地区实施的煤层气井空气造穴作业的实践,对裸眼洞穴完井工艺进行技术性总结。

2 洞穴完井的基本要素

据文献资料提供的数据,洞穴完井的三要素:一是厚煤,一般在6m以上;二是高渗,一般在10～20md;三是超压,一般地层压力系数>1。

由于洞穴工艺实质上是利用气体的可压缩性所具备的弹性能量,在能量聚集和释放的过程中,转化为高速的气体流速。高速的流体必然对裂缝的壁面产生强大的拖动力,从而产生张性裂缝和剪切裂缝。

高渗成为洞穴工艺的主要条件如下:

(1)高渗代表空气注入的通道宽而远,空气弹性能量的作用范围、力度会充分的发挥。

(2)高渗会使在单位长度的距离内压力梯度小,使煤层的剥离、垮塌的程度变小。

(3)煤层渗透性主要受控于煤层本身割理发育情况,通过造穴,提供一个煤层与人工井底的有效联通,煤层中水、气靠自身的渗透性,就能够顺利产出。

其次,由于超压与游离气的存在,可以完成在注气、激动作业同期完成后,通过关井后,游离气快速的恢复压力,然后放压释放同样可以起到注气工艺的作用。另外,煤层本身压力较高,能够有足够的能量使水、气产出。

再者,足够的煤厚减少了裂缝产生的边界阻碍因素。煤层厚度大,能够保证在不破坏煤层顶底板的前提下,通过外力形成一个满足条件的洞穴井底,同时厚度大,也能够形成更大的渗流面积。

当然,要发挥气体的弹性能量,煤层的含气量和含气饱和度也是非常重要的因素。在同样的注气压力下,高孔隙度可以保证有更大的气体充满度。

3 美国圣胡安高产走廊区是世界洞穴完井工艺的范例

煤层气高产取决于影响煤层渗透性的诸多因素,美国的煤储层渗透性普遍较好,一般为0.1～100md,如圣胡安、黑勇士盆地煤层渗透率3～20md。我国煤层气储层渗透率普遍偏低,大多数小于1md。然而渗透率小于0.5md,很难获得较高的产能。

洞穴完井技术起源于美国西部圣胡安盆地。在该地区的煤层气开采过程中,为了有效解决渗透率高、煤层易坍塌和高压煤层气层等难题,上世纪八十年代,通过对煤层气增产措施的研究,提出了洞穴完井技术。经过多年来的实践使用,洞穴完井技术在圣胡安地区得到很大发展,成为该地区的煤层气开采中最为关键的技术之一。由于圣胡安盆地具有较好的煤层气开采的煤储层条件,在完井方面,针对物性较好的高渗煤层区开创出空气动力洞穴裸眼完井技术,其产量是射孔压裂井的5～10倍。

4 山西寿阳空气造穴试验取得较显著成果

寿阳地区位于沁水盆地东北缘,主要含煤地层为山西组和太原组,3#、15#煤层为主要目标层。3#厚度为1.2～3.8m,15#厚度为3～4m;煤层一般埋深在500～600m。

造穴煤层15#煤阶煤以无烟煤Ⅱ号为主,硬度大、块状,煤体结构以原生结构为主,15#煤层顶底板主要以泥岩、砂质泥岩为主,泥质胶结、致密,封闭性好。

根据该区以往的煤田地质勘探资料,施工区煤层气含量(可燃基)很高,一般在10～20m3/t;实测15#煤层渗透率在1md以上。

远东能源公司借鉴美国的洞穴完井技术在寿阳地区完成了4口井的造穴试验,具体施工方法是造穴前先钻穿煤层后,下套管完井,其中15#煤层井段下入玻璃钢套管,完井后下磨鞋把玻璃纤维管磨掉,然后把煤层射穿再进行造穴。主要设备采用美国T685WS型空气钻机;同时安装2台空气压缩机,风量为25.5～30.3m3/min,压力2.4MPa,其主要作用是用于往井筒中注入空气进行造穴、试压等作业;再安装增压机1台,其流量为1.6m3/min,吸气压力2.4MPa,额定排气压力10MPa,其主要作用是在造穴中用于增加气体的压力。在造穴施工中通过钻机的顶驱往井筒中注入空气,然后进行憋压和放喷作业,共进行了五次注气、憋压和放喷循环作业,最高注入压力为6MPa。

从试验情况看,经过洞穴完井工艺施工的4口煤层气生产井在造穴前不产气,造穴后经过后期排采,产能比先期套管射孔完井的钻井高出1～2倍,取得了较为满意的效果。

分析其成功的原因,主要是该区煤层厚度较大,含气量较高,具有较好的渗透率。另外,由于完井深度较浅,设备具有的注气压力超过了煤层破裂压力,使煤层发生张性和剪切破裂,形成了更大范围的破碎带,从而使煤层内一些处于封闭、半封闭状态的原始微裂缝相互沟通,提高了煤层的渗透率。

5 沈北煤层特征对洞穴工艺的限制因素

沈北煤层为褐煤,煤层厚度大,一般为12m左右,灰分含量在40%左右,煤在空气中放置1～2个月后风化成粉煤。另外,渗透率低,一般在0.01md左右。这种煤层条件会造成:

(1)空气注入时,注入压力高,注入范围小。

(2)由于渗透率特低,在压力释放时煤层洞壁的压力梯度特别大,非常容易造成洞壁大规模的垮塌。

(3)由于灰分较大,在加水的作用下,煤层结构强度大幅度降低,水的进入进一步扩大了洞壁的压力梯度。因此,本区洞穴半径可能要远远高于其它地区,过大的洞穴半径对煤层的支撑能力就会大幅度降低。

另外,沈北煤层的顶板为油页岩,厚度大,一般在70～140m,遇水极易水化垮塌。

沈北煤田周边地区火山活动频繁,因此,煤层顶底板和煤层内凝灰岩的成份很高,造成岩层抗水化能力极弱。

如果洞穴工艺中包括有加水的工序,非常容易造成顶板和煤层大规模垮塌,最终造成冲孔非常困难,以及工程进展困难。

6 沈北煤层气井应用空气造穴工艺的不足

由于沈北煤质、顶板具有特殊性,钻进过程中大面积煤层顶板垮塌,造成冲孔困难,致使工程进度无法按期完成。除地质原因外,在工程上的不足包括:

(1)煤层裸露面积过大,这样造成大面积垮塌,冲孔难度加大。另外,顶板失去支撑极易坍塌,进行裸眼造穴易造成套管变形,使钻具断落井内,导致工程风险加大。

(2)注气作业中采用加水工艺,产生的直接后果如下:

①造成煤层和顶板油页岩遇水变软,结构程度降低,更进一步加剧了煤层的垮塌。

②造成气举返屑能力大大降低,直接造成排屑困难。

(3)注气能力不够,包括对洞穴注气工艺的理解和设计不足。

按目前增压机的供气能力只有24个大气压,再乘以1.56m3的工程流量得到37.4m3/min的供气能力,在加水的条件下,是很难达到“7寸套管内钻具的空气返屑能力。

当然若不加水,又存在两大难题:

①在压力释放情况下,解析的煤层气要发生爆炸和燃烧。据分析推测,井底在空气动力高速放压时,由于褐煤的甲烷气解析速率很快很高,返出气体很快就达到爆燃的浓度。当井下上返煤块在高速撞击钻具时,使钻具升温或撞击产生火花形成混合气爆燃。因此对于褐煤这样高解析速率的煤层,尤其是不含水的干煤层,放压的速率一定要得到有效控制。

②在井筒不充分干燥的情况下,可能在排屑时产生岩屑湿团,堵塞环形空间的通道。

(4)注气压力不足。由于本次注气压力最高为12MPa,而煤层的破裂压力为1516MPa,煤层深度923m,虽然进行了5个周期的注入、憋压、放喷的循环作业,但由于注气压力达不到破裂压力,气体很难完全进入煤层。其主要原因是使用的增压机、空压机最高极限压力为15MPa,但在实际应用中考虑到安全因素不可能超过15MPa。因此,也就不会达到理想的效果。

7 结论

(1)由于受到煤层顶板油页岩的影响以及设备和认识上的原因,沈北煤田的洞穴完井还没有真正实现井底压力激动或煤层内部的应力波动,洞穴远端的微裂纹还没有完全受到周期性的张性和剪切力作用影响。

(2)洞穴完井工艺对地质、煤层储层条件有很高的要求。沈北地区虽然煤层较厚,但由于渗透率低,不可完全照搬美国的洞穴完井技术,应对该项技术进行深入的研究。

(3)空气造穴作业后的返出物体中一半为顶板的油页岩,说明该井的顶板坍塌很严重,甚至掏空了技术套管尾管的下部,这对完井后的排采工作带来极大的隐患和风险。因此,遇到这样岩性的顶板,套管完成深度应该更接近于煤层,甚至直接完成于煤层顶部之上。

[1] 莫日和.煤层气井造穴技术的实践与研究[J].中国煤层气,2007.4(3).

Analysis of Air-cavity Technology in Shenbei Coal Mine

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

熊德华,男,高级工程师,从事煤层气勘探开发工作。

(责任编辑 赵国泉)