煤層氣井產(chǎn)能影響因素分析和解決對(duì)策探討

秦大鵬 杜世濤

(新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局一六一煤田地質(zhì)勘探隊(duì),新疆 830046)

以目前的國(guó)內(nèi)外技術(shù)設(shè)備條件，煤層氣開(kāi)采投入較大，怎樣縮減投入和增大產(chǎn)出，一直以來(lái)都是業(yè)內(nèi)專(zhuān)家學(xué)者探索的焦點(diǎn)。張建軍研究了在應(yīng)力作用下煤層滲透率動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，證實(shí)在引力增加時(shí)煤層滲透率明顯降低，對(duì)生產(chǎn)井產(chǎn)能影響較明顯；伊永祥研究沁水盆地柿莊南區(qū)塊煤層氣井排采控制要素，認(rèn)為在排采的不同階段設(shè)置相應(yīng)的排水量對(duì)于控制煤粉和保護(hù)儲(chǔ)層，提高產(chǎn)能具有顯著效果；王鵬飛通過(guò)煤層氣生產(chǎn)井?dāng)?shù)值模擬結(jié)果認(rèn)為煤層氣生產(chǎn)井排采初期大幅降水會(huì)對(duì)儲(chǔ)層造成損傷，產(chǎn)氣量降低，而對(duì)擴(kuò)大壓降漏斗和提高后期產(chǎn)氣量幫助較大；彭冠銘在總結(jié)鄂爾多斯柳林區(qū)塊煤層氣井壓裂數(shù)值模擬中認(rèn)為壓裂液黏度是控制產(chǎn)氣量的主要因素之一。找準(zhǔn)煤層氣井產(chǎn)能影響因素，階段性做出針對(duì)性的解決方案，以降低致因?qū)Ξa(chǎn)能的影響，對(duì)于降低鉆、壓、排環(huán)節(jié)的投入，提高生產(chǎn)效益有很大幫助。

1 煤層空隙特征

在探討中收集了國(guó)內(nèi)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)較成熟的五個(gè)區(qū)塊的泊松比和彈性模量數(shù)據(jù)(表1)與巖石硬度劃分參考表(表2)進(jìn)行對(duì)比可知，煤層的泊松比和彈性模量處于多孔、松散至微膠結(jié)的巖石硬度范圍，煤層都偏向于多孔、松散至弱膠結(jié)狀態(tài)。

表1 煤層氣勘探開(kāi)發(fā)成熟區(qū)塊泊松比和彈性模量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

表2 巖石硬度劃分參考表

受煤層“多孔、松散、弱膠結(jié)”的力學(xué)特性影響，煤層氣井生產(chǎn)過(guò)程中在各種因素的共同作用下，往往表現(xiàn)為產(chǎn)量的降低，壓力的下降。依據(jù)煤層的自有特性和增產(chǎn)工藝特點(diǎn),分析煤層氣井產(chǎn)量下降的原因，針對(duì)性的采取治理措施，是保持煤層氣井穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的基礎(chǔ)。

2 影響煤層氣井高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的因素

鉆井階段鉆井液的入侵，會(huì)堵塞井筒周?chē)簩涌障都般@井液與地層水混合后引起正負(fù)電荷失衡而產(chǎn)生凝膠；壓裂階段對(duì)煤層原地層壓力的擾動(dòng)、煤層破裂產(chǎn)生的煤粉、壓裂致使一些裂縫的擴(kuò)張的同時(shí)也伴隨這原始煤層裂縫的閉合以及壓敏效應(yīng)等，都是對(duì)煤層直觀的傷害。

2.1 外來(lái)液體污染

外來(lái)液體污染主要包括鉆井液/壓裂液對(duì)煤層的污染，其形成的水鎖、煤體吸附聚合物造成煤體滲透率下降，聚合物濃縮形成的泥餅造成的表皮系數(shù)增大。鉆井液侵入井筒周?chē)?壓裂液隨裂縫的延伸，致使裂縫周?chē)簩邮芪廴?，會(huì)堵塞井筒周?chē)簩涌障都般@井液與地層水混合后引起正負(fù)電荷失衡而產(chǎn)生凝膠；

2.2 壓敏效應(yīng)

在壓裂過(guò)程中，由于煤層泊松比值高的特征，可塑形大，壓敏性強(qiáng)。當(dāng)壓裂液在巨大壓力的作用下進(jìn)入地層，作用力的效果首先改造煤層，致使煤層原有壓力環(huán)境破壞，新裂縫的延展因煤層理化參數(shù)的差異，一定范圍內(nèi)其方向和高度基本不受控，新造裂縫產(chǎn)生的同時(shí)，壓力作用使其附近巖層收到強(qiáng)烈擠壓，煤層空隙內(nèi)原地層水被擠出、宏-微觀裂隙被壓縮導(dǎo)致滲透率的降低、產(chǎn)生大量煤粉(圖1)。此外，壓敏實(shí)驗(yàn)表明：這些區(qū)塊煤比較易于壓縮，且壓后滲透率不能完全恢復(fù)，壓敏性較強(qiáng)，是對(duì)煤層的永久性傷害。

圖1 煤層煤樣應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)曲線圖

2.3 煤粉堵塞

壓裂過(guò)程中高速流對(duì)煤層的沖刷以及攜砂液的磨蝕會(huì)產(chǎn)生大量的煤粉(目前煤層條件下，9m3/min排量，孔眼處流速1184.4m/min, 而5m3/min排量，孔眼處流速降為658.2m/min)，排采中煤層壓力降低，受上覆巖層的壓力產(chǎn)生煤粉。這些煤粉理論上可以滯留在煤層空間允許的任何部位。在后期排采中很容易堵塞氣-水通道，隨水流至井筒的一部分煤粉沉淀于井筒，長(zhǎng)時(shí)間的積累堆積可直接導(dǎo)致堵塞套管壓裂孔和生產(chǎn)油管進(jìn)水孔；另一部分煤粉隨水進(jìn)入泵通導(dǎo)致抽水泵的效率降低甚至卡死停機(jī)。

2.4 頻繁關(guān)井和游梁式抽油機(jī)

頻繁關(guān)井和游梁式抽油機(jī)，加劇煤粉的產(chǎn)生和運(yùn)移并使支撐劑導(dǎo)流能力下降。初始時(shí)的裂縫導(dǎo)流能力可以滿足生產(chǎn)需要，當(dāng)生產(chǎn)井運(yùn)行到一定階段，氣液兩相流使支撐劑導(dǎo)流能力下降,煤粉運(yùn)移、支撐劑嵌入、壓敏效應(yīng)和裂縫導(dǎo)流能力的下降，進(jìn)一步加劇了煤粉堵塞的傷害 。煤層也會(huì)因地層壓力的釋放，煤層間支撐力逐漸減弱而，因壓裂而產(chǎn)生的裂縫空間變小，滲流能力下降。大量的微地震監(jiān)測(cè)也證明，活性水壓裂會(huì)造成更加復(fù)雜的裂縫 (與儲(chǔ)藏有更多的接觸)。但由于煤層塑性特征，大量缺乏有效支撐縫會(huì)隨著時(shí)間推移而閉合(圖2)。

圖2 煤層內(nèi)壓力變化效果對(duì)比模擬圖

2.5 套管填砂壓裂

套管填砂壓裂因施工周期長(zhǎng),大段沖砂造成污染。填砂壓裂可滿足大排量要求，工藝簡(jiǎn)單，但投產(chǎn)下泵時(shí)，需沖出大段的填砂，這一過(guò)程易造成沖砂液漏失，污染煤層。最終導(dǎo)致的都是裂縫導(dǎo)流能力的降低，其表現(xiàn)就是產(chǎn)量的下降。

3 解決方案

針對(duì)影響煤層氣產(chǎn)出的主要因素，制定合理的解決方案，探尋提高生產(chǎn)井產(chǎn)能的方案，以達(dá)到效益最大化的目的，是每個(gè)開(kāi)發(fā)區(qū)塊著力探索的方向。

3.1 針對(duì)外來(lái)液體污染的解決方案

針對(duì)煤層氣井鉆井液和壓裂液造成的煤層近井地帶污染(宏-微觀裂隙堵塞)，其高效解堵技術(shù)目前國(guó)內(nèi)成功案例有以下幾種。

(1)氮?dú)馀菽舛?，即：解堵?導(dǎo)水劑+起泡劑+氮?dú)猓陨鲜雠浞?，配制洗?液,以期解除近井地帶水鎖傷害和壓裂液、鉆井液形成的濾餅(泥餅)。開(kāi)展的研究有解堵劑篩選與評(píng)價(jià)、導(dǎo)水劑研究與評(píng)價(jià)和施工工藝研究。

(2)自生熱煤層解堵技術(shù)： 通過(guò)向煤層注入可以生成大量的熱和氣體的配方體系，與具有降解作用的解堵劑相配合，利用熱能提高解堵劑的解堵效果。達(dá)到清除近井地帶污染的目的。開(kāi)展的研究有自生熱體系篩選與評(píng)價(jià)、解堵劑研究與評(píng)價(jià)、高溫穩(wěn)泡劑研究與評(píng)價(jià)、施工工藝研究。

3.2 針對(duì)壓敏效應(yīng)的解決方案

壓敏效應(yīng)主要是由于煤層松散、多孔、弱膠結(jié)的特性決定的。而在壓裂過(guò)程中，地層的破裂壓力必定大于儲(chǔ)層壓力，常常出現(xiàn)壓裂過(guò)程中的壓敏效應(yīng)，使煤層還未排采就受到壓敏的傷害。借鑒常規(guī)油氣田超前注水的做法，壓裂時(shí)緩慢提高施工排量，在煤層破裂前向煤層孔隙注入一定的氣體和活性水，減緩多孔結(jié)構(gòu)受外力的擠壓變形，減少壓敏的產(chǎn)生。

煤層自身的特性，決定了其產(chǎn)生壓敏的可能性，一般通過(guò)對(duì)煤層相關(guān)參數(shù)的預(yù)處理、壓裂液性能及壓裂工藝的優(yōu)化，較大限度的減少壓敏的產(chǎn)生。其主要的技術(shù)要點(diǎn)有：(1)通過(guò)壓裂規(guī)模優(yōu)化,確定裂縫波及范圍,從而確定注入氮?dú)獾牧恳约盎钚运牧浚?2)向地層注入預(yù)定量的氮?dú)夂笮∨帕孔⑷雰?yōu)化量的活性水。依此方法使煤層得到有效的支撐，減緩壓敏的產(chǎn)生。(3)小階梯提排量至壓裂施工排量的50%，向地層注入處理液，配方如下：KCL+導(dǎo)水劑+破膠劑，以利于后續(xù)壓裂液的破膠和煤層排采時(shí)水的排出，減少水鎖發(fā)生；(4)緩慢提排量至設(shè)計(jì)排量，注入高粘壓裂液體系，由于高粘壓裂液的使用，施工排量可較活性水壓裂液大大降低(50%)，流速降低，減少對(duì)煤層的沖刷，減少煤粉產(chǎn)生。通過(guò)以上綜合治理，減少壓裂造成的壓敏和煤粉產(chǎn)生。

3.3 針對(duì)煤粉堵塞的解決方案

解決煤粉堵塞就是要減少煤粉產(chǎn)生，適當(dāng)控制施工排量是減少煤粉產(chǎn)生的重要條件。其次，避免長(zhǎng)時(shí)間的停井導(dǎo)致懸浮于井筒及地層裂隙中的煤粉沉降。在外來(lái)液體方面，要求鉆井液/壓裂液具有低傷害,與地層水及巖層的配伍性在合理區(qū)間。壓裂液攜砂能力強(qiáng)，使得在井筒周?chē)逊e的壓裂砂盡可能的少，并盡可能的利用壓裂液將壓裂砂攜帶至人造裂縫的遠(yuǎn)端。

3.4 針對(duì)頻繁關(guān)井和游梁式抽油機(jī)的解決方案

采用攜砂能力強(qiáng)的低傷害壓裂液，增加支撐裂縫寬度，將支撐劑攜帶的更遠(yuǎn)，減緩裂縫閉合。既增加了近井支撐裂縫的寬度，又使常規(guī)活性水壓裂只破裂未支撐的人工裂縫得到有效支撐，使支撐裂縫的距離增長(zhǎng)，大幅減緩了人工裂縫的閉合，提高產(chǎn)量，增加有效期。

3.5 針對(duì)套管填砂壓裂問(wèn)題

利用具有低傷害性能的較高粘度壓裂液體系,可以引進(jìn)一趟管柱分壓多層的壓裂工藝施工。管柱組合為：由下至上為直噴節(jié)流器+水力錨+K344封隔器+滑套噴砂(分酸)器+間管+中間級(jí)K344封隔器+滑套噴砂器+間管+頂部K344封隔器+水力錨+安全丟手+校深短節(jié)+油管+懸掛器。通過(guò)增減中間級(jí)封隔器及噴砂器的級(jí)數(shù)即可組構(gòu)2-5級(jí)分層壓裂(酸壓)管柱；其技術(shù)指標(biāo)：耐溫100℃、耐壓差80MPa、施工排量2-5m3/min，適用套管完井的直、斜、水平井,多級(jí)封隔器分層(分段)水力加砂壓裂。此工藝包括滿足較大排量的封隔器、水力錨、安全接頭和噴砂滑套的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。在壓裂液選用方面，采用攜砂能力強(qiáng)的低傷害壓裂液，增加支撐裂縫寬度，將支撐劑(壓裂砂)攜帶至人造裂縫的的遠(yuǎn)端。水力噴射也是減少套管填砂傷害煤層的重要措施之一，分層壓裂集中射孔、壓裂、封隔一體化的增產(chǎn)措施，專(zhuān)用噴射工具產(chǎn)生高速流體穿透套管、巖石，形成孔眼，高速射流孔口產(chǎn)生抽吸作用，強(qiáng)化封隔效果?？籽鄣撞苛黧w壓力增高，超破裂壓力起裂，產(chǎn)生裂縫(圖3)。

圖3 封隔器+滑套分層壓裂工藝結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)論

(1)煤層彈性模量3500～10400MPa，平均值7000，泊松比0.2～0.3，偏向于多孔、松散至弱膠結(jié)狀態(tài)；

(2)影響煤層氣產(chǎn)能的因素主要有外來(lái)液體污染、壓敏效應(yīng)、煤粉堵塞、頻繁關(guān)井和游梁式抽油機(jī)、套管填砂壓裂工藝的使用；

(3)對(duì)煤層的傷害伴隨鉆孔至一口井產(chǎn)能枯竭的全過(guò)程，人工干預(yù)的只是在每個(gè)階段采用合理的方案減少傷害程度，以達(dá)到投入和產(chǎn)出相匹配的目的。