沈北煤田空氣造穴工藝的技術(shù)探討

熊德華

(中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司,北京 100011)

沈北煤田空氣造穴工藝的技術(shù)探討

熊德華

(中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司,北京 100011)

在國內(nèi)外煤層氣開采中,裸眼洞穴造穴技術(shù)主要分為三種:負(fù)壓造穴、水力射流造穴和機(jī)械工具造穴。本文所闡述的是負(fù)壓造穴技術(shù),也就是空氣造穴技術(shù),其方法是采用空氣鉆或經(jīng)過特殊改造的鉆機(jī),再配備幾臺(tái)大功率的空壓機(jī)和增壓機(jī)以及地面管路系統(tǒng),將大量空氣注入井內(nèi),通過多次的快速憋壓和放噴作業(yè),造成劇烈的井內(nèi)壓力激動(dòng),使煤層崩落形成洞穴,實(shí)現(xiàn)井眼與地層之間有效連通而達(dá)到增產(chǎn)的目的。

煤層氣 空氣造穴 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

空氣造穴完井是煤層氣井所特有的完井方式,目前在國內(nèi)一些地區(qū)已經(jīng)得到有效應(yīng)用,并取得一定效果?？諝庠煅夹g(shù)是一種行之有效的完井技術(shù),但是這種技術(shù)也有其局限性,不是適合所有煤層,由于我國各地區(qū)具有不同的地質(zhì)條件,不同地區(qū)不能完全照搬?？諝庠煅ㄍ昃脑硎抢每諝忏@機(jī)鉆穿煤層后,通過配備的幾臺(tái)大功率的空壓機(jī)、增壓機(jī)以及相應(yīng)的地面-井筒管路系統(tǒng),將大量空氣壓入井內(nèi),通過多次的快速蹩壓和放噴,造成劇烈的井內(nèi)壓力激動(dòng),使井筒附近的煤層邊緣受到一定程度的破壞,產(chǎn)生坍塌和剝落,逐漸形成洞穴,從而加大了煤層的暴露面積,提高井眼周圍割理裂縫的滲透性,增大地層的導(dǎo)流能力,使井眼與地層之間實(shí)現(xiàn)有效連通而達(dá)到增產(chǎn)的目的。本文根據(jù)沈北地區(qū)實(shí)施的煤層氣井空氣造穴作業(yè)的實(shí)踐,對(duì)裸眼洞穴完井工藝進(jìn)行技術(shù)性總結(jié)。

2 洞穴完井的基本要素

據(jù)文獻(xiàn)資料提供的數(shù)據(jù),洞穴完井的三要素:一是厚煤,一般在6m以上;二是高滲,一般在10～20md;三是超壓,一般地層壓力系數(shù)>1。

由于洞穴工藝實(shí)質(zhì)上是利用氣體的可壓縮性所具備的彈性能量,在能量聚集和釋放的過程中,轉(zhuǎn)化為高速的氣體流速。高速的流體必然對(duì)裂縫的壁面產(chǎn)生強(qiáng)大的拖動(dòng)力,從而產(chǎn)生張性裂縫和剪切裂縫。

高滲成為洞穴工藝的主要條件如下:

(1)高滲代表空氣注入的通道寬而遠(yuǎn),空氣彈性能量的作用范圍、力度會(huì)充分的發(fā)揮。

(2)高滲會(huì)使在單位長(zhǎng)度的距離內(nèi)壓力梯度小,使煤層的剝離、垮塌的程度變小。

(3)煤層滲透性主要受控于煤層本身割理發(fā)育情況,通過造穴,提供一個(gè)煤層與人工井底的有效聯(lián)通,煤層中水、氣靠自身的滲透性,就能夠順利產(chǎn)出。

其次,由于超壓與游離氣的存在,可以完成在注氣、激動(dòng)作業(yè)同期完成后,通過關(guān)井后,游離氣快速的恢復(fù)壓力,然后放壓釋放同樣可以起到注氣工藝的作用。另外,煤層本身壓力較高,能夠有足夠的能量使水、氣產(chǎn)出。

再者,足夠的煤厚減少了裂縫產(chǎn)生的邊界阻礙因素。煤層厚度大,能夠保證在不破壞煤層頂?shù)装宓那疤嵯?通過外力形成一個(gè)滿足條件的洞穴井底,同時(shí)厚度大,也能夠形成更大的滲流面積。

當(dāng)然,要發(fā)揮氣體的彈性能量,煤層的含氣量和含氣飽和度也是非常重要的因素。在同樣的注氣壓力下,高孔隙度可以保證有更大的氣體充滿度。

3 美國圣胡安高產(chǎn)走廊區(qū)是世界洞穴完井工藝的范例

煤層氣高產(chǎn)取決于影響煤層滲透性的諸多因素,美國的煤儲(chǔ)層滲透性普遍較好,一般為0.1～100md,如圣胡安、黑勇士盆地煤層滲透率3～20md。我國煤層氣儲(chǔ)層滲透率普遍偏低,大多數(shù)小于1md。然而滲透率小于0.5md,很難獲得較高的產(chǎn)能。

洞穴完井技術(shù)起源于美國西部圣胡安盆地。在該地區(qū)的煤層氣開采過程中,為了有效解決滲透率高、煤層易坍塌和高壓煤層氣層等難題,上世紀(jì)八十年代,通過對(duì)煤層氣增產(chǎn)措施的研究,提出了洞穴完井技術(shù)。經(jīng)過多年來的實(shí)踐使用,洞穴完井技術(shù)在圣胡安地區(qū)得到很大發(fā)展,成為該地區(qū)的煤層氣開采中最為關(guān)鍵的技術(shù)之一。由于圣胡安盆地具有較好的煤層氣開采的煤儲(chǔ)層條件,在完井方面,針對(duì)物性較好的高滲煤層區(qū)開創(chuàng)出空氣動(dòng)力洞穴裸眼完井技術(shù),其產(chǎn)量是射孔壓裂井的5～10倍。

4 山西壽陽空氣造穴試驗(yàn)取得較顯著成果

壽陽地區(qū)位于沁水盆地東北緣,主要含煤地層為山西組和太原組,3#、15#煤層為主要目標(biāo)層。3#厚度為1.2～3.8m,15#厚度為3～4m;煤層一般埋深在500～600m。

造穴煤層15#煤階煤以無煙煤Ⅱ號(hào)為主,硬度大、塊狀,煤體結(jié)構(gòu)以原生結(jié)構(gòu)為主,15#煤層頂?shù)装逯饕阅鄮r、砂質(zhì)泥巖為主,泥質(zhì)膠結(jié)、致密,封閉性好。

根據(jù)該區(qū)以往的煤田地質(zhì)勘探資料,施工區(qū)煤層氣含量(可燃基)很高,一般在10～20m3/t;實(shí)測(cè)15#煤層滲透率在1md以上。

遠(yuǎn)東能源公司借鑒美國的洞穴完井技術(shù)在壽陽地區(qū)完成了4口井的造穴試驗(yàn),具體施工方法是造穴前先鉆穿煤層后,下套管完井,其中15#煤層井段下入玻璃鋼套管,完井后下磨鞋把玻璃纖維管磨掉,然后把煤層射穿再進(jìn)行造穴。主要設(shè)備采用美國T685WS型空氣鉆機(jī);同時(shí)安裝2臺(tái)空氣壓縮機(jī),風(fēng)量為25.5～30.3m3/min,壓力2.4MPa,其主要作用是用于往井筒中注入空氣進(jìn)行造穴、試壓等作業(yè);再安裝增壓機(jī)1臺(tái),其流量為1.6m3/min,吸氣壓力2.4MPa,額定排氣壓力10MPa,其主要作用是在造穴中用于增加氣體的壓力。在造穴施工中通過鉆機(jī)的頂驅(qū)往井筒中注入空氣,然后進(jìn)行憋壓和放噴作業(yè),共進(jìn)行了五次注氣、憋壓和放噴循環(huán)作業(yè),最高注入壓力為6MPa。

從試驗(yàn)情況看,經(jīng)過洞穴完井工藝施工的4口煤層氣生產(chǎn)井在造穴前不產(chǎn)氣,造穴后經(jīng)過后期排采,產(chǎn)能比先期套管射孔完井的鉆井高出1～2倍,取得了較為滿意的效果。

分析其成功的原因,主要是該區(qū)煤層厚度較大,含氣量較高,具有較好的滲透率。另外,由于完井深度較淺,設(shè)備具有的注氣壓力超過了煤層破裂壓力,使煤層發(fā)生張性和剪切破裂,形成了更大范圍的破碎帶,從而使煤層內(nèi)一些處于封閉、半封閉狀態(tài)的原始微裂縫相互溝通,提高了煤層的滲透率。

5 沈北煤層特征對(duì)洞穴工藝的限制因素

沈北煤層為褐煤,煤層厚度大,一般為12m左右,灰分含量在40%左右,煤在空氣中放置1～2個(gè)月后風(fēng)化成粉煤。另外,滲透率低,一般在0.01md左右。這種煤層條件會(huì)造成:

(1)空氣注入時(shí),注入壓力高,注入范圍小。

(2)由于滲透率特低,在壓力釋放時(shí)煤層洞壁的壓力梯度特別大,非常容易造成洞壁大規(guī)模的垮塌。

(3)由于灰分較大,在加水的作用下,煤層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大幅度降低,水的進(jìn)入進(jìn)一步擴(kuò)大了洞壁的壓力梯度。因此,本區(qū)洞穴半徑可能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它地區(qū),過大的洞穴半徑對(duì)煤層的支撐能力就會(huì)大幅度降低。

另外,沈北煤層的頂板為油頁巖,厚度大,一般在70～140m,遇水極易水化垮塌。

沈北煤田周邊地區(qū)火山活動(dòng)頻繁,因此,煤層頂?shù)装搴兔簩觾?nèi)凝灰?guī)r的成份很高,造成巖層抗水化能力極弱。

如果洞穴工藝中包括有加水的工序,非常容易造成頂板和煤層大規(guī)?？逅?最終造成沖孔非常困難,以及工程進(jìn)展困難。

6 沈北煤層氣井應(yīng)用空氣造穴工藝的不足

由于沈北煤質(zhì)、頂板具有特殊性,鉆進(jìn)過程中大面積煤層頂板垮塌,造成沖孔困難,致使工程進(jìn)度無法按期完成。除地質(zhì)原因外,在工程上的不足包括:

(1)煤層裸露面積過大,這樣造成大面積垮塌,沖孔難度加大。另外,頂板失去支撐極易坍塌,進(jìn)行裸眼造穴易造成套管變形,使鉆具斷落井內(nèi),導(dǎo)致工程風(fēng)險(xiǎn)加大。

(2)注氣作業(yè)中采用加水工藝,產(chǎn)生的直接后果如下:

①造成煤層和頂板油頁巖遇水變軟,結(jié)構(gòu)程度降低,更進(jìn)一步加劇了煤層的垮塌。

②造成氣舉返屑能力大大降低,直接造成排屑困難。

(3)注氣能力不夠,包括對(duì)洞穴注氣工藝的理解和設(shè)計(jì)不足。

按目前增壓機(jī)的供氣能力只有24個(gè)大氣壓,再乘以1.56m3的工程流量得到37.4m3/min的供氣能力,在加水的條件下,是很難達(dá)到“7寸套管內(nèi)鉆具的空氣返屑能力。

當(dāng)然若不加水,又存在兩大難題:

①在壓力釋放情況下,解析的煤層氣要發(fā)生爆炸和燃燒。據(jù)分析推測(cè),井底在空氣動(dòng)力高速放壓時(shí),由于褐煤的甲烷氣解析速率很快很高,返出氣體很快就達(dá)到爆燃的濃度。當(dāng)井下上返煤塊在高速撞擊鉆具時(shí),使鉆具升溫或撞擊產(chǎn)生火花形成混合氣爆燃。因此對(duì)于褐煤這樣高解析速率的煤層,尤其是不含水的干煤層,放壓的速率一定要得到有效控制。

②在井筒不充分干燥的情況下,可能在排屑時(shí)產(chǎn)生巖屑濕團(tuán),堵塞環(huán)形空間的通道。

(4)注氣壓力不足。由于本次注氣壓力最高為12MPa,而煤層的破裂壓力為1516MPa,煤層深度923m,雖然進(jìn)行了5個(gè)周期的注入、憋壓、放噴的循環(huán)作業(yè),但由于注氣壓力達(dá)不到破裂壓力,氣體很難完全進(jìn)入煤層。其主要原因是使用的增壓機(jī)、空壓機(jī)最高極限壓力為15MPa,但在實(shí)際應(yīng)用中考慮到安全因素不可能超過15MPa。因此,也就不會(huì)達(dá)到理想的效果。

7 結(jié)論

(1)由于受到煤層頂板油頁巖的影響以及設(shè)備和認(rèn)識(shí)上的原因,沈北煤田的洞穴完井還沒有真正實(shí)現(xiàn)井底壓力激動(dòng)或煤層內(nèi)部的應(yīng)力波動(dòng),洞穴遠(yuǎn)端的微裂紋還沒有完全受到周期性的張性和剪切力作用影響。

(2)洞穴完井工藝對(duì)地質(zhì)、煤層儲(chǔ)層條件有很高的要求。沈北地區(qū)雖然煤層較厚,但由于滲透率低,不可完全照搬美國的洞穴完井技術(shù),應(yīng)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行深入的研究。

(3)空氣造穴作業(yè)后的返出物體中一半為頂板的油頁巖,說明該井的頂板坍塌很嚴(yán)重,甚至掏空了技術(shù)套管尾管的下部,這對(duì)完井后的排采工作帶來極大的隱患和風(fēng)險(xiǎn)。因此,遇到這樣巖性的頂板,套管完成深度應(yīng)該更接近于煤層,甚至直接完成于煤層頂部之上。

[1] 莫日和.煤層氣井造穴技術(shù)的實(shí)踐與研究[J].中國煤層氣,2007.4(3).

Analysis of Air-cavity Technology in Shenbei Coal Mine

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

熊德華,男,高級(jí)工程師,從事煤層氣勘探開發(fā)工作。

(責(zé)任編輯 趙國泉)