沁水盆地煤层气井排采过程中煤粉防治工艺技术探讨

汤继丹 赵文秀 程 浩 周 帅 熊 平 秦 义 白建梅

(中国石油华北油田分公司采油工艺研究院, 河北 062552)

沁水盆地煤层气田为高煤阶煤层气田, 通过近两年的煤层气开发实践表明, 沁水煤层气田具有低压、低渗、低饱和、非均质性强的“三低一强”特征, 煤层气井平均单井产量偏低。而煤层气井的产气量不仅受控于煤储层特征、煤层含气性、顶底板岩性、构造特征和压裂造缝效果等因素, 同时也受到钻井、完井和排采等工艺技术的制约。目前沁水盆地高阶煤煤层气开发生产中暴露出一个突出的问题： 由于生产规律把握不准, 排采制度调节频繁,造成煤层压力激动、煤粉迁移和沉积, 裂缝和井筒被煤粉堵塞, 裂缝闭合, 导致煤层渗透性的永久性伤害, 使得气/水产量难以达到理想状态。

1 煤粉形成原因及其对煤层气开发造成的危害

由于在煤层气田排水降压过程水对煤粉的悬浮性能较差, 煤粉不易随水流动, 容易聚团形成沉淀堵塞渗流通道, 影响煤层产气; 煤粉对于煤粉堵塞, 根据堵塞部位的不同, 可分为下列三类：

1．1 支撑裂缝的煤粉堵塞

煤岩的力学性质 (杨氏模量大、泊松比大) 决定了煤层具有坚硬、性脆、易破碎的特点。目前的主流压裂工艺为活性水压裂, 活性水携砂性差, 必须采用大排量, 大排量的含砂压裂液对裂缝的冲击力度大, 产出的煤粉就比较多; 含砂活性水在裂缝中的流动为紊流, 紊流不但加剧了支撑剂对裂缝壁表面的打磨冲击能力, 产生大量煤粉, 而且会使煤粉颗粒与砂粒完全混合在一起, 沉降聚集, 阻塞先期形成的流体的运移通道, 污染有效支撑裂缝。

1．2 煤层孔喉和割理的煤粉堵塞

应力状态改变导致煤基质破裂是煤粉产生的可能原因。在漫长的构造演化过程中, 煤层逐渐达到现今应力平衡状态。在压裂、排采过程中, 外部压力条件改变, 导致煤基质应力条件变化, 煤岩逐渐失去原有的应力平衡, 煤岩的弹性自调节效应导致煤粉的产生。产生的煤粉堵塞在孔喉和割理, 大幅度降低渗透率, 影响排水降压和煤层甲烷的解析。

表1 樊庄作业区XX区块煤芯覆压实验

1．3 煤粉堵塞泵吸入口

采用激光粒度分析仪分析了取自樊庄区块煤层气排采井水样中的煤粉粒度。从分析数据可以看出煤粉粒径范围较大, 小到几微米, 大到几百微米,在水中呈悬浮态, 长时间静置后可见深灰色糊状沉淀。煤粉堵塞泵吸入口, 造成凡尔关闭不严, 大幅度降低水泵功效。进入井筒的细微煤粉逐渐堆积,形成黏稠胶状物进入泵内, 极易造成卡泵现象, 在生产过程中需要频繁检泵。

2 研究对策

根据煤岩的煤岩杨氏模量大、泊松比大的力学性质特点及排水降压煤层气开发原理可知, 煤层气井排水采气过程及后续措施作业中储层不可以避免的产生煤粉。减少排采过程中煤储层应力出边避免煤粉的集中、大量生成; 有效的控制储层中生成煤粉的运移; 运移到井筒的煤粉通过适宜的排采设备将其有效的由井筒举升至地面, 将是煤层气井排采过程中防治煤粉的工作主线。

2．1 定量排采制度

煤层气开采是通过排水降压、解吸、扩散、渗流等阶段完成的, 与常规天然气产出机理不同。排采工作是煤层气开发的关键环节之一, 而合理的排采制度是煤层气井获得高产、稳产的关键。目前,国内学者对排采工作制度的研究都没有给出一套切实可行的办法用于指导煤层气生产。目前煤层气的排采执行定性的制度“缓慢、连续、稳定、长期”,定性的排采制度很难保证排采的稳定性, 迫切需要排采制度由定性向定量转变, 建立定量化排采制度。

通过下面的研究可以解决这个问题：

(1) 通过室内模拟实验建立煤储层渗流参数与排采强度的数学模型;

(2) 运用统计方法对已开发排采井进行统计,找出影响排采效果的因素;

(3) 通过现场实验完善排采强度与地层参数数学模型。

2．2 优化压裂工艺

压裂的终极目标是形成长的低污染的高效渗流通道。基于经济效益的情况下, 为了降低煤储层堵塞, 新的压裂工艺必须在低成本下造出一条足够长的支撑裂缝, 增大泄流面积; 减小携砂液阶段煤粉的产出, 降低对支撑裂缝的污染。

为此设计防煤粉压裂工艺：

(1) 前置段塞： 活性水+粉砂段塞, 打磨地层减少压裂阻力; 基于煤岩的压敏效应在施工过程中采用中排量注入技术;

(2) 前置液： 活性水+一定浓度降滤失剂, 以降低压裂液在裂缝延伸过程滤失, 提高压裂液利用率, 其中后2/5 前置液中加入延迟破胶剂; 施工过程中采用大排量、大液量工艺;

(3) 携砂液： 在携砂液阶段应用低伤害、高粘度的清洁压裂液携带支撑剂, 以减少紊流状态下对煤储层的冲击, 同时可以将产生的煤粉携带至远离井筒地带, 并能提高支撑剂有效铺置距离; 根据煤层气压裂现场经验此阶段注入排量以小排量注入工艺为主;(4) 顶替液： 活性水, 后尾追破胶剂;

2．3 解堵技术

2．3．1 振动解堵技术

煤储层具有机械强度弱、脆而软, 易产生压性破碎及张性损坏的特性, 在煤储层压裂过程、排采过程中容易发生应力敏感, 造成煤储层裂隙应力闭合和基质收缩产生煤粉。在煤粉运移过程中, 遇到狭窄的裂隙通道受阻时, 在流体速度差的作用下,导致煤粉堵塞液体运移的通道裂隙。渗流通道的堵塞将影响煤储层压降形成, 最终降低煤层气的采收率。

郭平生、任伟杰等发现煤岩超声波场中, 煤岩吸附相分子将获得比非吸附相分子大10 个数量级以上的能量, 且当超声波频率达到吸附相分子的固有频率时使解吸速率最大。超声波使得煤岩小尺度裂隙数目增加, 使抗压强度最大可降低20%～40%; 超声振动方向与煤层层理一致时, 可使煤岩试样测试的渗透率增大1 倍左右。

对于煤粉堵塞引起气井产气量下降的井, 可以对煤储层外加振动场, 通过振动场的能量实现解堵。振动能量传递到煤体中增加了煤体内能, 使煤颗粒间产生相对位移、颗粒间接触更加紧密, 降低煤岩应力。振动后沉积在煤层裂隙内的煤粉颗粒逐渐松动剥落, 分散在液体中被采出液携带走, 达到疏通渗流通道的目的。振动波场能够破坏突出煤体内部颗粒之间的粘结状态, 增加煤体裂隙宽度, 使裂隙延长和贯通, 提高煤体的渗透能力。

2．3．2 化学解堵

通过向煤层中注入发泡剂等化学剂, 使其在地层裂缝中产生大量的泡沫, 形成高压, 把裂缝重新撑开; 关井数小时后然后以小排量进行返排, 利用泡沫的低密度、高携带性能、表面活性剂的清洗作用及泡沫回吐时的紊流搅动混排作用, 将裂缝中的煤粉、细粉砂携带出井筒, 达到疏通渗流通道提高储层渗流能力的目的。

3 结论

(1) 排采制度定量化可以有效的降低煤岩裂缝闭合和基质收缩, 减小煤粉的产生;

(2) 在压裂过程中, 在携砂液阶段压高压高速含砂压裂液对裂缝的冲击打磨形成煤粉, 处于紊流流态的含砂活性水煤粉颗粒与砂粒完全混合在一起, 污染支撑裂缝, 针对压裂中煤粉的形成提出了防煤灰新的压裂工艺;

(3) 对于已经存在煤粉堵塞的井, 提出振动场解堵、化学解堵等相关解堵工艺技术。

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