高煤階煤層氣不正常井類型及治理技術(shù)

賈慧敏，胡秋嘉，祁空軍

（中石油華北油田山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西 長治 046000）

目前我國煤層氣呈現(xiàn)單井產(chǎn)量偏低、井間產(chǎn)量差異大的特征[1]。煤層氣開發(fā)通過持續(xù)排水，將儲(chǔ)層壓力降至甲烷解吸壓力以下，使甲烷通過解吸、擴(kuò)撒、滲流產(chǎn)出井筒，排水降壓是煤層氣開發(fā)的基本方法[2]。因此，排采對煤層氣井產(chǎn)量具有重要影響，目前對儲(chǔ)層傷害及合理排采制度等研究較多[3]，但對排采保障技術(shù)研究較少。煤層氣不正常井指所有受產(chǎn)能以外因素影響，不能連續(xù)有效排水，產(chǎn)量已經(jīng)下降或?qū)⒁陆档木?。煤層氣不正常井識(shí)別與治理是保障煤層氣井排采，實(shí)現(xiàn)煤層氣井產(chǎn)量穩(wěn)定的重要保障技術(shù)。目前關(guān)于煤層氣不正常井的研究較少，魏迎春等以韓城區(qū)塊為例研究了煤粉產(chǎn)出機(jī)理及預(yù)防措施[4]；梁春紅等從示功圖角度研究了煤層氣井異常類型及治理技術(shù)[5]；劉世奇等針對排采各個(gè)階段，從排采機(jī)理角度研究煤層氣井排采過程中的儲(chǔ)層傷害[6]；程林峰研究了煤層氣機(jī)械排采井生產(chǎn)中常見故障及處理措施[7]；張衛(wèi)東等首次提出了排采慣性的概念，認(rèn)為區(qū)塊內(nèi)煤層氣井排采的非連續(xù)性嚴(yán)重制約煤層氣井的產(chǎn)能[8]。上述研究對煤層氣不正常井進(jìn)行了不同程度的研究，但未能系統(tǒng)提出不正常井類型、識(shí)別方法及治理措施，沒有形成完整的技術(shù)系列。通過沁水盆地南部1 000 余不正常井不正常前關(guān)鍵排采參數(shù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，提出了煤層氣不正常井定量識(shí)別指標(biāo)體系，總結(jié)出3 類常見不正常井表現(xiàn)形式，并提出針對性治理對策，以期形成不正常井識(shí)別、治理技術(shù)系列。

1 煤層氣不正常井識(shí)別指標(biāo)

通過對沁水盆地南部1 000 余口不正常煤層氣井在不正常前關(guān)鍵參數(shù)變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，建立了高煤階煤層氣不正常井識(shí)別指標(biāo)體系，高煤階煤層氣不正常井識(shí)別指標(biāo)體系見表1。

表1 高煤階煤層氣不正常井識(shí)別指標(biāo)體系Table 1 Identification index system of abnormal well of high-rank CBM wells

日產(chǎn)氣量、井底流壓、套壓為不正常井直接判斷參數(shù)，可以通過單一參數(shù)指標(biāo)判定不正常井；其余為間接判斷參數(shù)，必須以2 個(gè)以上參數(shù)組合來判定。即如果煤層氣單井日產(chǎn)氣量、井底流壓、套壓變化滿足表1 指標(biāo)范圍，則為不正常井。如果日產(chǎn)液量、動(dòng)液面等其余參數(shù)中2 個(gè)以上參數(shù)滿足表1 指標(biāo)范圍，則可以確定為不正常井。現(xiàn)場實(shí)踐表明，表1 指標(biāo)體系能夠覆蓋全部不正常井。

2 煤層氣不正常井類型及治理

2.1 流壓回升型不正常井

1）表現(xiàn)形式。流壓回升型不正常井主要參數(shù)相互關(guān)系如圖1。由圖1（a）可知，套壓和日產(chǎn)氣量均快速下降，表明儲(chǔ)層供氣能力下降，這是因?yàn)榱鲏夯厣龑?dǎo)致已經(jīng)解吸煤層氣重新吸附，未解吸煤層氣停止解吸，進(jìn)而導(dǎo)致儲(chǔ)層供氣能力下降。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，當(dāng)單井套壓下降速度大于0.04 MPa/d、日產(chǎn)氣量下降100 m3以上時(shí)，90%以上井的流壓處于回升狀態(tài)，對于沒有流壓力計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測流壓的井，應(yīng)該首先核水量，如果由產(chǎn)水量明顯降低或不產(chǎn)水，則可以確定流壓回升；若產(chǎn)水量變化不大，則核實(shí)動(dòng)液面位置，確定流壓是否回升。由圖1（b）可知，與流壓快速回升井相比，最大的區(qū)別在于流壓回升速度很慢導(dǎo)致套壓、日產(chǎn)氣量下降速度很慢，短期內(nèi)通過日對比不易發(fā)現(xiàn)，需要通過長期對比才能發(fā)現(xiàn)，因此該類流壓回升井隱蔽性更強(qiáng)，需要進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)長期對比才能發(fā)現(xiàn)。

圖1 流壓回升型不正常井主要參數(shù)相互關(guān)系圖Fig.1 Diagram of the relationship between the main parameters of the abnormal wells with bottom-hole pressure rising

2）流壓回升原因及治理。排水降壓是煤層氣開發(fā)的基本原理，即通過持續(xù)排水將煤層氣儲(chǔ)層壓力降至解吸壓力以下，使甲烷通過解吸、滲流產(chǎn)出井筒，因此，流壓回升會(huì)中斷煤層氣解吸并使已經(jīng)解吸煤層氣重新吸附，導(dǎo)致煤層氣井產(chǎn)量下降或不產(chǎn)氣，甚至?xí)斐蓛?chǔ)層傷害[9]。煤層氣井流壓回升主要是由于煤層氣井排水系統(tǒng)排水效率降低，導(dǎo)致排水量小于煤層向井筒供水量，進(jìn)而導(dǎo)致井筒中動(dòng)液面上升。因此，治理流壓回升型不正常井的核心是提高排水系統(tǒng)的排水效率，治理措施依次為：提高排水設(shè)備（抽油機(jī)、射流泵等）運(yùn)行頻率，抽油泵碰泵、射流泵等洗泵，檢泵作業(yè)。

2.2 套壓回升型不正常井

1）表現(xiàn)形式。套壓回升型不正常井主要參數(shù)相互關(guān)系如圖2，流壓隨套壓增加而增加，即流壓和套壓同時(shí)增加，且增加幅度基本一致，同時(shí)日產(chǎn)氣量持續(xù)下降。該類井多發(fā)生于冬季氣溫較低的夜晚。由圖2（b）可知，套壓一般在 22：00 后開始回升，引起流壓回升、日產(chǎn)氣量下降；在11：00 后開始下降，引起流壓下降、日產(chǎn)氣量上升，如此往復(fù)循環(huán)，導(dǎo)致產(chǎn)量降低，甚至造成儲(chǔ)層傷害。套壓回升必然會(huì)導(dǎo)致流壓回升，但本質(zhì)上是因?yàn)樘讐夯厣龑?dǎo)致的，為了便于治理，將這類井單獨(dú)歸類為套壓回升型不正常井，該類井與流壓回升型井的區(qū)別在于，這類井套壓和流壓同時(shí)回升，且增加的幅度基本一致。針形角閥結(jié)構(gòu)及煤粉堵塞示意圖如圖3。煤層氣井排采過程中，日產(chǎn)氣量大小通過針形角閥調(diào)節(jié)，氣體從P1口進(jìn)入經(jīng)過針形閥后從P3口產(chǎn)出，當(dāng)順時(shí)針調(diào)緊手柄時(shí)，彈簧壓縮，推動(dòng)閥桿、閥座帶動(dòng)針形閥向左移動(dòng)，則閥門開大，產(chǎn)氣量增加；反之，則產(chǎn)氣量降低。針形角閥會(huì)產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)，導(dǎo)致閥之前的壓力大于閥門之后的壓力，閥門之前壓力等于套壓，閥門之后壓力等系統(tǒng)管壓。針形閥節(jié)流會(huì)吸收大量熱量，導(dǎo)致針型閥處溫度驟降，將煤層氣攜帶出的水蒸汽和煤粉凍結(jié)在針型閥處，堵塞產(chǎn)氣通道，導(dǎo)致套壓持續(xù)升高。

2）影響因素及治理方法?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)表明，套壓回升井主要受單井套壓和氣溫影響，套壓回升井影響因素如圖4。圖4（a）表明：單井套壓越高，套壓回升井產(chǎn)量下降幅度越大，這主要是由于套壓越高，針型閥節(jié)流效應(yīng)越強(qiáng)，導(dǎo)致溫度下降幅度越大，凍堵越嚴(yán)重；圖4（b）表明：氣溫越低，套壓回升井產(chǎn)量下降幅度越大，當(dāng)氣溫低于-2 ℃時(shí)，冬季影響開始加劇。因此，該類井的治理方法有2 種，一是加強(qiáng)管線保溫，在角閥處增加伴熱帶，提高角閥處溫度；另一種是采用低恒套壓排采控制方式，降低套壓，降低節(jié)流降溫影響。

圖2 套壓回升型不正常井主要參數(shù)相互關(guān)系Fig.2 Relationship between the main parameters of the abnormal wells with casing pressure rising

圖3 針形角閥結(jié)構(gòu)及煤粉堵塞示意圖Fig.3 Schematic of the structure of needle angle valve and coal plug

2.3 間抽不正常井

1）表現(xiàn)形式。煤層氣井排采后期，井筒中液柱降至煤層以下，大部分井日產(chǎn)液量小于0.2 m3/d，為了降低能耗和抽油機(jī)系統(tǒng)損耗，一般采取間抽制度。間抽機(jī)理為利用煤層底部至煤層氣井井底之間井筒空間存儲(chǔ)煤層產(chǎn)出水，通過起停抽油機(jī)控制動(dòng)液面在煤層底部以下波動(dòng)，保證動(dòng)液面不回升至煤層以上，從而保正產(chǎn)量不受影響[10]。但由于長時(shí)間停井，煤層水中的煤粉容易沉積至泵筒中，尤其是凡爾處，導(dǎo)致泵效降低，或者抽油機(jī)系統(tǒng)排水量低于煤層供水量，二者關(guān)系不匹配都會(huì)導(dǎo)致間抽不正常井產(chǎn)生。間抽不正常井是指由于間抽制度不合理或間抽后煤粉沉積導(dǎo)致泵效降低，引起流壓回升，進(jìn)而造成氣量下降的井。其本質(zhì)為流壓回升型井，但由于其成因和治理方法特殊，故將其單獨(dú)作為一種不正常井類型。間抽不正常井主要參數(shù)相互關(guān)系如圖5。開井后，套壓和氣量上升，停井一段時(shí)間后套壓和氣量下降。使用流壓計(jì)監(jiān)測，可明顯發(fā)現(xiàn)：開井后，流壓下降，套壓上升，直至二者相等；關(guān)井后，流壓回升、套壓下降直至下一次開井。

圖4 套壓回升井影響因素Fig.4 Influencing factors of casing pressure recovery abnormal wells

2）原因及治理方法。這主要是由于沖次低、泵效降低或者開井時(shí)間短等因素，導(dǎo)致開井時(shí)排采系統(tǒng)排水量不足以將井筒中的液體充分排出，經(jīng)過多次停井后，井筒中的液面逐漸上升至煤層以上，導(dǎo)致套壓、氣量下降。應(yīng)增加抽油機(jī)沖次、延長開井時(shí)間或者提高泵效等方法治理。

3 煤層氣不正常井預(yù)防

絕大多數(shù)煤層氣不正常井形成會(huì)造成流壓回升，治理過程甚至?xí)L時(shí)間停井，必然會(huì)造成儲(chǔ)層傷害。因此煤層氣不正常井應(yīng)該重在預(yù)防。

圖5 間抽不正常井主要參數(shù)相互關(guān)系Fig.5 Relationship between main parameters of pumping abnormal wells

1）預(yù)防性碰泵。預(yù)防性碰泵就是根據(jù)單井煤粉產(chǎn)出及沉降規(guī)律，定期通過機(jī)械振動(dòng)清除固定凡爾和游動(dòng)凡爾處的煤粉，避免煤粉堵塞凡爾，從而保持泵效。但這種方法，不能完全清除煤粉，且長期機(jī)械振動(dòng)對泵筒具有損傷。

2）預(yù)防性洗井。預(yù)防性洗井是指定期將清水注入泵筒，既能沖洗泵筒及凡爾，又能將井筒液體中的煤粉濃度稀釋，并通過排采系統(tǒng)將攜帶煤粉的液體排出井筒，達(dá)到清除煤粉、保持泵效的目的。該方法成本低、操作方便、不會(huì)造成排采中斷，現(xiàn)場實(shí)施后可以有效改善泵礦、提高泵效。

3）示功圖連續(xù)監(jiān)測。煤層氣井泵效降低是漸變的過程，示功圖能夠有效反應(yīng)抽油泵泵況變化，可連續(xù)監(jiān)測煤層氣井示功圖，根據(jù)其形狀變化，判定抽油泵泵況，采取相應(yīng)的預(yù)防性措施。

4 結(jié) 論

1）流壓回升型不正常井表現(xiàn)為套壓和日產(chǎn)氣量均快速或緩慢下降，治理措施為：提高排水設(shè)備運(yùn)行頻率，抽油泵碰泵、射流泵等洗泵，檢泵作業(yè)。

2）套壓回升型不正常井的表現(xiàn)為：流壓和套壓同時(shí)增加，且增幅度一致，同時(shí)日產(chǎn)氣量持續(xù)下降?？赏ㄟ^加強(qiáng)管線保溫、采用低恒套壓排采控制方式來治理。

3）間抽不正常井表現(xiàn)為：開井后，流壓下降，套壓、氣量上升；停井一段時(shí)間后，流壓上升，套壓和氣量下降。可增加抽油機(jī)沖次、延長開井時(shí)間或提高泵效等方法治理。