高煤阶煤层气井煤粉产出对渗透率影响研究

白建梅 孙玉英 李 薇 崔金榜 周 灿

(华北油田公司采油工艺研究院, 河北 062552)

煤岩是一种抗压和抗拉强度较低的脆弱介质,在钻井、开采过程中煤岩由于受到较大的压力波动、水力冲击震动, 液柱的机械碰撞等外力作用容易使煤岩结构破坏, 可能导致井壁坍塌, 堵塞煤岩裂缝等不利煤层气开采的后果。

根据沁水盆地南部樊庄区块煤层气排采实践经验, 煤粉产出呈现出一些基本规律：

①动液面初次降至煤层附近时, 可能出现一个煤粉相对高发期, 统计结果显示, 该阶段煤粉爆发的几率较排采的其他时间段高出50%以上;

②煤粉产出与降液速率密切相关．排液工作制度过强, 动液面下降速率过快, 煤粉产出几率大幅度增加;

③压裂后未立即投入排采井, 煤粉沉积事故显著增加, 统计结果显示, 压裂后三天未排采井, 几乎都发生煤粉沉积现象。

本文采用从樊庄区块煤层气排采井采得的煤粉样以及该区块的煤样, 进行模拟实验, 研究降压排水过程中煤粉的控制方法。

多分支水平井集钻井、完井和增产措施于一体, 是开发煤层气的主要手段之一, 该技术可以提高单井产量, 减少占用土地; 加快采气速度; 不下套管, 便于今后的采煤, 是先采气后采煤的最佳配套技术, 在国外煤层气的开发实践中取得了很好的应用效果。国内沁水盆地华北油田自2007 年12 月第一口羽状多分支水平井投产以来, 一直受煤粉卡泵的困扰, 水平井检泵作业中99%以上为煤粉卡泵, 高频率的检泵, 不仅影响了产气井的正常运行和平稳产气, 同时也带来巨额的检泵作业费用。为此, 相关技术人员专门对多分支水平井煤粉的成因开展了相关的技术研究, 初步查明了煤粉形成的主控因素。

1 煤粉迁移对渗透率的影响

选择裂缝割理发育的煤岩, 钻成25mm 直径的岩心, 将钻切后的小岩心称重后饱和煤层水 (室内配置的模拟煤层水, 水的PH 值为8．5) , 称取饱和水后的重量。将饱和水后的煤岩心装入岩心夹持器, 接好实验流程 (流程图见图1) ; 加围压, 保持环压值大于岩心夹持器进口压力2．0MPa。将煤层水在一定的流速下注入煤岩心, 待压力稳定后测定在此速度下的压差值, 计算该流速时的渗透率。在测定压力的同时收集煤岩心出口端流出液, 流出液经透明软管流入放有滤膜的玻璃漏斗, 并观察出口端是否有煤粉产出。实验速度由小到大分别为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。实验结束后绘制速度和渗透率关系曲线。

流速与煤岩心渗透率的关系见图1、2。从实验数据可以看出, 五块煤岩心中只有F60 号煤岩心在流动的初始阶段有煤粉颗粒产出, 其余四块煤岩心未见产出煤粉。对比流速与煤岩心渗透率的关系曲线可以看出, F60 号煤岩心在流动的初始阶段渗透率随流速增加而升高, 这可能与煤粉产出和有效应力下降有关。在没有煤粉产出的F280、F57 和S6号煤岩心中, 渗透率随流动速度的增大表现出下降的趋势, 这种现象与煤粉的迁移有关, 当速度增大时, 割理中的微粒更容易移动, 当微粒堆积在窄口时, 渗透率下降。在渗透率很低的S7 号煤岩心中,随流动速度增大, 渗透率升高。为了研究该煤岩心中是否有微粒移动, 又进行了反向试验, 没有出现先增大后减小的现象, 说明在该煤岩心中没有微粒移动, 结合煤岩应力敏感性特征, 认为渗透率升高是由于流速增大后, 孔隙压力增大, 煤岩所受有效应力下降的原因。

图1 1#煤心流速与渗透率关系曲线

图2 2#煤心流速与渗透率关系曲线

从所有曲线的趋势中可以看出, 无论缝宽、粒度如何改变, 在煤粉运移时煤岩的渗透率都随流速的增大而下降, 渗透率损害率升高。以F1 和F2 号煤岩心为例, 同样缝宽为38μm, 分别以0．5mL/min和1．5mL/min 的流动速度将含有相同粒径、相同固相含量的煤层水注入煤岩心 (颗粒直径为5．45μm,固相含量为300mg/L) , 同样注入75 倍孔隙体积的液体时, F1 号煤岩心渗透率损害率为19．38%, 而F2 号煤岩心渗透率损害率为29．55%, 相差10．17%。当注入75 倍孔隙体积的液体时, F1 号煤岩心渗透率损害率为19．38%, 而F2 号煤岩心渗透率损害率为29．55%, 相差10．17%。注入150 倍孔隙体积的液体时, F1 号煤岩心渗透率损害率为19．38%, 而F2 号煤岩心渗透率损害率为34．96%,相差15．58%。由此可见, 在煤粉迁移的过程中,煤粉在裂缝割理中逐渐沉积, 使得裂缝宽度变窄,渗透率下降。流速增大使得煤粉易发生迁移, 更多的煤粉进入裂缝系统, 堵塞流动通道, 造成渗透率伤害。

裂缝宽度、颗粒尺寸对煤粉运移过程中的渗透率伤害也有一定的影响。从图3、4 中可以看出,当缝宽为38μm 时, 颗粒越细, 渗透率伤害越严重, 出口端煤粉含量越大。这是由于, 裂缝越宽,颗粒越细, 越容易进入裂缝并发生堵塞。

图3 相同裂缝宽度、不同颗粒直径渗透率伤害率与流速的关系

图4 相同颗粒直径、不同裂缝宽度渗透率伤害率与流速的关系

2 不同排水阶段煤粉迁移与渗透率的关系

图5、图6 反映了不同排水阶段煤粉迁移时渗透率的伤害率。在相同裂缝宽度、相同颗粒直径下, 随着注入体积的增加, 渗透率伤害更加严重。在排水的初始阶段, 随着注入体积的增加, 渗透率伤害率非常大, 但是排出一定体积之后, 再注入流体渗透率下降速度减慢, 表明煤岩渗透率伤害主要发生在煤粉运移的初始阶段, 因此在降压排采过程初期, 就应当严格控制煤粉。

图5 相同裂缝宽度、相同颗粒直径时不同时渗透率伤害率与流速的关系

图6 相同裂缝宽度、相注入体积渗透率伤害率与流速的关系

以上实验结果表明, 较低的排采速度可以降低煤粉对煤层渗透率的伤害, 有利于煤层气长久开采。当裂缝宽度较大时, 渗透率伤害相对较小且出粉量在低流速下较少, 因此应在尽量满足生产要求的条件下, 努力扩大裂缝宽度, 控制排采速度。

3 优化排液工作制度防止应力突变产生煤粉研究

现场生产资料显示, 排液工作制度过强, 动液面下降速率过快, 煤粉产出几率大幅度增加。为了了解煤粉产出与速度改变的关系, 设计了室内岩心流动实验, 分别研究速度逐渐升高和突然升高两种条件下煤粉的产出情况。流动速度分别为第一组0．05mL/min、 0．1mL/min、 0．25mL/min、 0．5mL/min, 第二组0．5mL/min。实验方法是, 将长度为1．5cm, 中间有裂缝的煤岩心用胶带缠好圆柱面,并延长至圆柱面外2cm, 将煤粉填至延长的部分,并压实。制作好的岩心一端是有裂缝的煤岩, 在裂缝的后端是压实的煤粉。将制作好的煤岩心装入岩心夹持器, 加围压, 采用第一组速度, 将煤层水在0．05mL/min 的速度下注入岩心, 在出口端收集流出液, 并观察出粉情况; 注入20mL 后改变速度为0．1mL/min, 继续注入20mL 液体, 一直将速度增加到0．5mL/min, 测定总的出粉量; 另一块岩心采用第二组速度, 将煤层水在0．5mL/min 的速度下注入岩心, 注入总体积与第一组速度注入的总体积相同。实验结果见表1。

表1 煤粉产出实验数据表

表1 中实验数据显示, 排液速度突然提升与缓慢上升所产出的煤粉量相差很大, 缓慢提高速度可控制煤粉产出。另外在反复停产、生产的激动条件下产出的煤粉更多。

4 结论

较低的排采速度可以降低煤粉对煤层渗透率的伤害, 有利于煤层气长久开采控制排采速度、控制井底压力可以控制煤粉产出而且排采过程要尽量避免反复停产、生产等激动条件的产生。

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