阜新地區(qū)煤層氣井清砂作業(yè)分析

姚 錦

(中石油長(zhǎng)城鉆探工程有限公司煤層氣開(kāi)發(fā)公司, 遼寧 124010)

1 概述

煤層氣是一種低壓低滲氣藏, 目前開(kāi)采方式基本上都必須通過(guò)壓裂 (加砂) - 排水- 降壓- 采氣的流程進(jìn)行開(kāi)采。在實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中, 隨著煤層開(kāi)采時(shí)間的變化和開(kāi)采制度的不同, 煤層出砂現(xiàn)象對(duì)煤層氣開(kāi)采有著很大的影響。根據(jù)煤層氣開(kāi)采的特點(diǎn), 排采管柱的吸入口一般都在煤層以下, 煤層一旦出砂后, 隨著生產(chǎn)時(shí)間的延長(zhǎng), 井底積砂越來(lái)越多, 砂面不斷上升以致掩埋吸入口造成檢泵施工,嚴(yán)重時(shí)甚至造成砂卡管柱鉆大修的井下事故, 而煤層漏失、井底砂和煤粉膠結(jié)的一些特性給清砂作業(yè)帶來(lái)了很多難題, 不但增加了作業(yè)工作量和作業(yè)費(fèi)用, 而且還容易污染煤層影響產(chǎn)氣量。所以只有有效的解決好該問(wèn)題, 煤層氣才能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期有效、低成本開(kāi)采的目標(biāo)。

中石油長(zhǎng)城鉆探工程公司煤層氣開(kāi)發(fā)公司自2006 年在阜新地區(qū)開(kāi)發(fā)煤層氣以來(lái)已有5 年的時(shí)間, 清砂工作經(jīng)歷了由新井壓裂到排采穩(wěn)定期的不同階段。在清砂的工作中采用了多種不同的方法并研制新改進(jìn)了一些撈砂工具, 目前已較好的解決了該問(wèn)題。

2 煤層出砂機(jī)理

煤層氣井砂子的來(lái)源主要有兩個(gè)： 一個(gè)是壓裂施工中添加的石英砂等支撐劑; 另一個(gè)是選層射孔時(shí)射開(kāi)煤層附近的砂巖層。

煤層出砂的主要機(jī)理是地層中的松散砂粒在生產(chǎn)壓差的驅(qū)動(dòng)下, 隨著產(chǎn)出液流向井筒, 一部分被產(chǎn)出液攜帶至井口產(chǎn)出, 一部分由于密度差沉淀到井底, 造成井底積砂。地層出砂沒(méi)有明顯的深度界線(xiàn), 一般來(lái)說(shuō), 地層應(yīng)力超過(guò)地層強(qiáng)度就有可能出砂。地層強(qiáng)度取決于地層膠結(jié)的膠結(jié)力、圈閉流體的粘著力、地層顆粒物之間的摩擦力以及地層顆粒本身的重力。地層應(yīng)力包括地層結(jié)構(gòu)應(yīng)力、上覆壓力和流體流動(dòng)時(shí)對(duì)地層顆粒施加的推拽力, 還有地層空隙壓力和生產(chǎn)壓差形成的作用力。由此可見(jiàn),地層出砂是由多種地層因素決定的, 但是在實(shí)際排采時(shí)通過(guò)采用合理的排采制度和防砂工具等措施可以有效的減緩地層出砂的速度和砂卡排采泵的機(jī)率。

3 阜新地區(qū)情況簡(jiǎn)介

阜新地區(qū)未采區(qū)塊的煤層氣井全部都是經(jīng)過(guò)壓裂投產(chǎn)后開(kāi)采的, 由于阜新地區(qū)煤層較厚, 導(dǎo)致壓裂時(shí)加砂量較大 (詳見(jiàn)表1) , 所以給排采期間的清砂工作帶來(lái)了很大的工作量。目前阜新地區(qū)煤層氣井常用的清砂方法有兩種： 水力沖砂和和機(jī)械撈砂。下面就以阜新區(qū)塊為例對(duì)上述兩種清砂方法進(jìn)行說(shuō)明。

表1 阜淅地區(qū)出砂情況表

4 水力沖砂

所謂水力沖砂就是利用高速流動(dòng)的液體將井底砂柱沖散, 并借用液流循環(huán)上返的攜帶能力將沖散的砂子帶到地面,從而清除井底的沉砂的方法。水力沖砂可分為正沖砂、反沖砂和正反沖砂,所謂正沖砂是指沖砂液沿著油管(沖砂管)向下流動(dòng),在流出油管時(shí),以較高的流速?zèng)_散砂堵,被沖散的砂子與沖砂液混合一起沿著油管和套管的環(huán)形空間返至地面的沖砂方法;反沖砂是指沖砂液沿著油管(沖砂管)與套管環(huán)形空間向下流動(dòng),沖擊井底沉砂,被沖散的砂子與沖砂液混合在一起沿著油管(沖砂管)返至地面的沖砂方式。正反沖砂就是采用正沖的方式?jīng)_散砂堵,并使其呈懸浮狀態(tài),然后迅速改用反沖洗,將砂子帶到地面的沖砂方式。根據(jù)煤層的特性,我們認(rèn)為正沖砂的方式比較適合煤層沖砂。

4．1 正沖砂施工

在煤層正沖砂施工中,我們?cè)谝韵聝煞N井況下進(jìn)行了實(shí)施：第一種情況是在新井壓裂后清砂;第二種情況是井筒砂柱較長(zhǎng)且硬,機(jī)械撈砂工作量大。經(jīng)實(shí)施后都取得了較好的效果,總結(jié)如下經(jīng)驗(yàn)：

(1) 沖砂時(shí)盡量采用排量較大的壓裂泵車(chē)或大排量聯(lián)泵 (兩臺(tái)以上的普通泵車(chē)) 沖砂, 避免因嚴(yán)重井漏、砂量大造成卡管柱事故。

(2) 沖砂液要選用地層水或清水, 盡量減小對(duì)煤層的污染和堵塞。

(3) 不建議把油井沖砂的暫堵劑應(yīng)用在煤層氣井, 易造成煤層污染和暫堵劑失效。

(4) 沖砂至井底后, 循環(huán)的沖砂液要在井筒容積的2 倍以上, 在返出口的沖砂液含砂量小于0．2%時(shí), 結(jié)束沖砂施工。

(5) 沖砂施工結(jié)束后, 要關(guān)井4 小時(shí)后回探砂面, 以防煤層吐砂。

(6) 沖砂前要做好技術(shù)交底, 避免因人為原因造成的沖砂暫停和工程事故。

4．2 負(fù)壓 (氣化液) 沖砂

現(xiàn)場(chǎng)若不具備壓裂車(chē)或大排量聯(lián)泵的沖砂條件且普通泵車(chē)不能滿(mǎn)足漏失井沖砂的情況下, 可考慮采用負(fù)壓 (氣化液) 沖砂的方式。負(fù)壓沖砂是采用泵出的沖砂液和氮?dú)饣旌隙傻幕旌弦哼M(jìn)行的沖砂方式, 氣化液的液體可采用煤層水或清水。氣化液沖砂的實(shí)質(zhì)是降低沖砂液的密度, 從而降低液柱對(duì)井底產(chǎn)生的回壓, 依靠氣化液沖散井內(nèi)積砂并攜帶出井筒, 達(dá)到?jīng)_砂的目的。該施工方法工藝要求較高, 需要有經(jīng)驗(yàn)的工程人員指揮施工。在施工中需要注意以下事項(xiàng)：

(1) 確保沖砂液中摻入的氣體必須是氮?dú)? 以避免在沖砂液出口存在氣體爆炸的安全隱患。

(2) 氮?dú)廛?chē)出口與泵車(chē)之間要安裝單流閥, 井口應(yīng)裝高壓封井器。

(3) 必須采用正沖方式, 井內(nèi)管柱裝單流閥,防止換單根油管時(shí)內(nèi)流體外溢噴射。

(4) 沖砂時(shí)氮?dú)廛?chē)與泵車(chē)聯(lián)合, 使用時(shí)先開(kāi)泵車(chē), 后開(kāi)氮?dú)廛?chē), 使泵不受其它因素的影響, 保證上水正常。

(5) 液體的氣化程度, 要按需要調(diào)節(jié), 有時(shí)在漏失特別嚴(yán)重的井沖砂, 在氣化水沖砂的基礎(chǔ)上,可向水中加入泡沫劑, 進(jìn)行泡沫沖砂, 以達(dá)到更好地降低氣化液密度和減少漏失的效果。

(6) 配置沖砂液排量參考： 泵廠排量： 500L/min、氮?dú)廛?chē)排量： 8m3/min。

(7) 出口管線(xiàn)必須采用硬管線(xiàn)并用地錨固定牢靠, 要有防污染措施。

5 機(jī)械撈砂

機(jī)械撈砂就是把撈砂工具下入井內(nèi)撈出井內(nèi)沉砂的施工工藝。多次撈砂施工可將煤層內(nèi)游離態(tài)的砂粒逐漸撈凈, 有利于煤層氣井的長(zhǎng)期排采。從撈砂泵的性質(zhì)可分為柱塞式撈砂泵和真空式撈砂泵,從連接撈砂工具下井方式可分為硬撈砂和軟撈砂,硬撈砂是油管連接撈砂工具下井, 軟撈砂則是鋼絲繩連接撈砂工具下井。軟撈砂具有工作量小、撈砂進(jìn)度快的優(yōu)點(diǎn), 但是由于撈砂管柱自身懸重較輕,對(duì)硬度較大的砂面撈砂效果較差且需要專(zhuān)業(yè)的撈砂隊(duì)配合, 所以根據(jù)阜新現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況, 我們基本采用硬撈砂的方式進(jìn)行撈砂。在實(shí)際施工中, 我們除水力沖砂的兩種井況外, 其余的井況均采用硬撈砂的方法清砂。在實(shí)際應(yīng)用中, 由于各井開(kāi)采煤層的厚度不同, 還有些井射開(kāi)了粉砂巖層, 所以在撈砂施工中所遇到的問(wèn)題也是不盡相同的, 我們根據(jù)不同的井下情況采用了不同的撈砂措施并自行研制改進(jìn)了撈砂泵, 在實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的效果。

5．1 砂里含煤泥較多, 造成撈砂泵泵效降低的處理辦法

(1) 對(duì)下井的每趟撈砂泵都要在起出后卸開(kāi)清洗撈砂泵的活塞和泵筒, 確保泵效不受煤泥等雜質(zhì)的影響。

(2) 若砂子與煤泥膠結(jié)嚴(yán)重, 造成砂子粘度大、撈砂困難, 可以采用沖砂的方式?jīng)_散上部約10m 的沉砂, 再用撈砂泵撈砂的方式清砂。沖砂優(yōu)先選用煤層水, 并在沖砂施工中要選擇小排量、快進(jìn)尺、到達(dá)預(yù)計(jì)深度后停泵快速上提的操作方法,要明確沖砂目的只是把沉砂沖散, 避免把過(guò)多的砂子沖入地層。

5．2 煤層吐砂導(dǎo)致多次重復(fù)撈砂的處理辦法

對(duì)煤層吐砂嚴(yán)重、邊撈砂便吐砂的井, 把撈砂泵下接的φ73mm 平式油管改為接φ89mm 平式油管,以增加每趟撈砂管柱的撈砂量, 達(dá)到減少撈砂趟數(shù)目的。

5．3 砂蓋較硬造成撈砂無(wú)進(jìn)尺的處理辦法

對(duì)于井內(nèi)積砂時(shí)間較長(zhǎng), 砂柱頂部的砂子由于壓實(shí)作用或與具有粘性的煤粉長(zhǎng)時(shí)間結(jié)合在一起形成硬結(jié)面, 造成撈砂無(wú)進(jìn)尺的井, 我們借鑒了油井熱采管柱中伸縮管的倒扣原理改進(jìn)了常用的撈砂泵。使其具有傳遞扭矩的功能, 并配套研制了鋸齒形和焊硬質(zhì)合金的兩種撈砂筆尖。通過(guò)在地面旋轉(zhuǎn)管柱或在撈砂管柱下放的沖擊力下形成旋轉(zhuǎn)作用力, 可以使撈砂筆尖輕易的攪散砂面, 很好的解決了該問(wèn)題。

5．4 井內(nèi)液面較低, 造成撈砂泵泵效低的處理辦法：

(1) 撈砂施工的同時(shí)向井內(nèi)快速灌入煤層水,以提高井內(nèi)液面達(dá)到提高撈砂泵效的目的。

(2) 將撈砂泵上接頭更換為沒(méi)有排水口的接頭, 根據(jù)實(shí)際情況將排水口連接在上部油管 (一般約50m) 處, 連接其間的油管在下井的過(guò)程中將其灌滿(mǎn)清水, 該方法可以增加撈砂泵的密封性、提高泵效, 有效克服該問(wèn)題。

6 結(jié)論

隨著煤層氣業(yè)務(wù)發(fā)展的逐年擴(kuò)大, 工藝水平的不斷提高, 清砂工藝也應(yīng)該借鑒油田的一些先進(jìn)工藝應(yīng)用在水平井或重點(diǎn)井上。目前油井的連續(xù)油管技術(shù), 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層氣井在不壓井的情況下進(jìn)行連續(xù)沖砂的工藝, 可有效的解決水平井或重點(diǎn)井的清砂難題。

煤層氣井的清砂作業(yè)工藝是煤層氣開(kāi)發(fā)很重要的內(nèi)容, 對(duì)清砂工藝的研究首先要從壓裂投產(chǎn)開(kāi)始,其次在實(shí)際排采中要采用合理有效的排采制度和防砂工具,減少因煤層吐砂導(dǎo)致的作業(yè)頻率,最后在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要根據(jù)每口井生產(chǎn)的實(shí)際情況結(jié)合撈砂情況,在撈砂工藝和工具上不斷完善和創(chuàng)新,才能有效的實(shí)現(xiàn)煤層氣井長(zhǎng)期有效和低成本開(kāi)發(fā)的目的。

[1] 聶海光等．油氣田井下作業(yè)修井工程 [M] ．北京：石油工業(yè)出版社, 2002．