試分析煤層氣井循環(huán)補水排采工藝

＊張大陸

（山西藍焰煤層氣工程研究有限責任公司 山西 048000）

我國的煤炭資源存儲量非常豐富，僅次于俄羅斯和加拿大，位居世界第三，與天然氣總量持平。但是，我國的大多數(shù)煤層氣呈現(xiàn)為低飽和、低壓、低滲的狀態(tài)，開采難度巨大，通常需要借助水力壓裂才能實現(xiàn)開采的目標。但在實際排采過程中，因為大部分煤儲層土質(zhì)松軟，夾持性能比較差，所以在進行排采時，經(jīng)常出現(xiàn)地層出砂、煤粉產(chǎn)出嚴重等情況，導致埋泵、卡泵等問題頻繁發(fā)生[1]。一般情況下，直井的平均修井周期大約在3～6個月左右，頻繁的維修不僅會加大排采成本，也容易對產(chǎn)層造成損害，最終影響到煤層氣的穩(wěn)定開產(chǎn)。因此，為了能夠降低煤層氣井應修井所帶來的影響，可通過增加井液流量的方式，使用更加先進的工藝和設備，從而有效避免埋泵、卡泵等風險，延長煤層氣井的無故障排采周期，將其煤層氣的產(chǎn)出成本。

1.影響煤層氣排采的主要因素

所謂煤層氣，具體指的就是泥碳混合物在煤化作用的影響下，產(chǎn)生以甲烷為主要成分的氣體，通過吸附的形式大量儲藏在煤巖中，還有一部分煤層氣以游離或溶解的狀態(tài)大量儲存于煤層空隙、煤層裂隙或煤層水中。對于煤層氣的產(chǎn)生過程來說，當煤層壓力降低到臨界解吸壓力以下時，在濃度差、壓力差的雙重作用下，煤層氣從煤巖的表面吸附狀態(tài)脫離而出，而后進入到煤層的裂隙或空隙中，按照天然氣的規(guī)律生產(chǎn)出[2]。

結合煤層氣的產(chǎn)生過程進行分析，在進行煤層氣生產(chǎn)時，能否長期、有效開采的關鍵就是控制好整個排采過程，通過對以往實際工作經(jīng)驗進行分析，對煤層氣井排采造成影響的因素主要有以下兩個方面。

一方面，因為煤層具有低壓滲透的特性，在進行煤層氣開采時，需要先對煤層進行壓裂改造，為氣液的流通構建通道，進行壓裂改造后，能夠形成有效的支撐，這也是煤層氣產(chǎn)出的關鍵。同時，因為一般情況下，煤層的埋藏比較淺，人工裂縫閉合壓力比較低，在進行排采工程的初期，很容易造成壓裂支撐劑返吐這一問題，這樣也為后續(xù)的排采工作的開展帶來了困難，進而影響到煤層氣的生產(chǎn)效果，因此，在進行煤層氣排采時，必須要對壓裂改造后所出現(xiàn)的支撐劑返吐這一問題進行嚴格的控制[3]。

另一方面是煤層產(chǎn)出煤屑、煤粉這一問題，因為煤質(zhì)比較脆，具有易碎、易跨的特點，在排采煤層氣時，很容易產(chǎn)生大量的煤粉顆粒，這些顆粒也會隨著水、氣從通道中流出，隨著不斷的累積，容易導致整個煤層氣產(chǎn)出通道堵塞，影響到煤層氣的開采效果，嚴重的情況下，甚至直接無法生產(chǎn)。因此，在進行煤層氣井排采時，必須控制好煤粉的產(chǎn)出。

2.煤層氣井的各個排采階段

根據(jù)煤層氣的產(chǎn)生過程中，在對煤層氣井進行壓裂施工后，顯現(xiàn)出煤層氣需要很長一段時間的排液期。這也就表示，在進行煤層氣排采時，影響排采效果的因素也會直接影響到整個煤層氣排采的效果。有相關的調(diào)查研究結果表明，煤層氣井排采以解吸壓力作為核心節(jié)點，不同流壓階段的排采目的也有差異，通?？煞譃?個階段，分別為流動壓力高于煤層壓力階段、流動壓力低于煤層壓力但高于解吸壓力階段以及流動壓力低于解吸壓力階段，不同的排采階段對所用的工藝也有不同的需求，以下進行詳細分析。

(1)流動壓力高于煤層壓力階段的排采

剛開始對煤層氣井進行壓力時，因為需要進行壓裂施工，會使大量的壓裂液處于近井地帶，而且在經(jīng)過壓裂施工后，也會產(chǎn)生比較大的余壓，導致煤層的原始壓力低于井底的流動壓力。因此，在此階段的排采過程中，主要的目的就是將壓裂液排出，盡可能的減少余壓效應，從而使井底的流壓能夠與煤層的原始壓力保持在持平的狀態(tài)。在該階段內(nèi)，重點就是對壓力進行有效的控制，避免出現(xiàn)壓力支撐劑返吐的問題[4]。

第一，應對放噴壓裂液階段進行有效的控制，具體來說，就是在煤層氣井壓力施工結束后，應先將壓力擴散2h，控制油嘴的噴放速度，最好將其控制在0.5m3/h左右，但在控制過程中，應以壓力支撐劑不返吐為原則，直至井口的壓力降低至0MPa。

第二，應對機械排采壓裂液階段進行控制，在煤層氣井放噴無法自噴后，可采用機械排采的方式排采壓裂液，確保放噴量要高于排采量，密切檢測液面的具體變化，而后調(diào)整參數(shù)，直至流動壓力與煤層壓力保持持平位置。

(2)流動壓力低于煤層壓力但高于解吸壓力階段的排采

在此階段內(nèi)，主要的目的就是吸取煤層產(chǎn)出的液量和對煤層的壓力進行解吸。當煤層氣井的流動壓力低于煤層壓力，但高于煤層氣解吸壓力時，應采用控制液面下降速度的方式，確定生產(chǎn)參數(shù)，一般情況下，需要將液面的下降速度控制在5～10m3/d以內(nèi)，直至氣體顯現(xiàn)位為止。另需注意，在此階段的排采過程中，必須要對排采工藝的參數(shù)進行嚴格控制，避免產(chǎn)出煤粉。

(3)流動壓力低于解吸壓力階段的排采

在該階段內(nèi)，必須要確定合理的生產(chǎn)流壓力，獲取煤層氣井的具體產(chǎn)量，為穩(wěn)定生產(chǎn)期提供具體的排采參數(shù)[5]。一般情況下，此階段內(nèi)煤層氣會被逐漸解吸，而后產(chǎn)出，因此，在這一段應對液面的下降速度進行嚴格的控制，通常控制在3～5m3/d，同時也要結合產(chǎn)量明確流壓，從而為穩(wěn)定生產(chǎn)提供基礎條件。

3.選擇循環(huán)補水排采方式

(1)間歇補水排采方式

對于間歇補水排采方式來說，具體指的就是利用抽油機沖次具有的調(diào)整功能，對抽油機自身原本的沖刺進行調(diào)整，從而改變實際的排水量，使進入井筒內(nèi)部的煤粉能夠順利的排出地面，這也是煤層氣排采中常用的一種排采工藝。

因為該工藝會受到抽油機沖次調(diào)整范圍的限制，所以，實際調(diào)節(jié)抽油機沖次時，可以采用以下兩種方法進行調(diào)整，第一種是對皮帶輪的直徑進行適當?shù)恼{(diào)整，第二種是通過變頻的方式進行調(diào)節(jié)[6]。相比之下，調(diào)整皮帶輪的直徑更為繁瑣，所以，變頻調(diào)整方式的應用范圍更加廣泛。通常情況下，變頻調(diào)節(jié)的合理范圍在額定頻率的60%～100%之間，換句話說，只有當原始產(chǎn)液量能夠達到煤粉排出量的60%以上的排采井，才能夠采用該方法進行補水。同時，采用該方式進行補水，需要在現(xiàn)場建立臨時水管，整體施工程序和環(huán)節(jié)比較復雜，并且開展一次排煤粉作業(yè)大約需要1d以上的時間，整體成本較高。因此，在選擇該補水方式時，應結合實際情況進行合理的選擇，充分的考慮到施工場地、成本等因素[7]。

(2)連續(xù)補水排采方式

為了能夠彌補間歇補水排采方式中存在的各種不足和問題，有相關的研究人員通過實踐與分析后，設計了連續(xù)補水工藝系統(tǒng)，具體見圖1。

圖1 連續(xù)補水工藝系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)主要由特殊井口、補液流量控制系統(tǒng)、補液回路、產(chǎn)液流量計量系統(tǒng)、綜合處理罐和溢出液體系統(tǒng)等部分組成。設計排采系統(tǒng)時，按照煤粉排出所需要的具體條件，合理的選擇和設定泵徑、抽洗機的沖次和沖程等，確保抽油機能夠在設計好的沖次下完成工作。根據(jù)產(chǎn)液量的要求，利用上側(cè)的溢流系統(tǒng)能夠?qū)⒔?jīng)過沉淀后的井液直接排出，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定排采[8]。

(3)注入懸浮劑方式

考慮到一些煤層氣井所處的地理環(huán)境大多是山區(qū)，水資源相當匱乏。于是設計了一種循環(huán)補水式的懸浮劑注入工藝，如圖2所示，應用于實際。該工藝的原理主要是直接利用煤層氣井油管排出的地層水，通過一定的煤粉過濾裝置，儲存到一立式水罐中；在達到一定的水位后，添加優(yōu)選出的煤粉懸浮劑，并配置到相應的濃度，然后通過套管，以一定的流量，注入到煤層氣井中。該工藝不僅合理的利用了水資源，而且直接采用地層的排采水就避免了注入外來水可能會造成的不配伍性。

圖2 循環(huán)補水式懸浮劑注入工藝示意圖

4.提高煤層氣井派排采效果的方法

(1)完善排采工作制度

排采是煤層氣井勘探的主要環(huán)節(jié)之一，首先，在放噴階段，進行排采前，需要先進行壓裂改造，所以，此階段內(nèi)，應從壓裂后放噴排液開始進行控制，控制過程中應遵循避免井口噴出大量壓裂砂和煤粉為原則。其次，在降液面階段，必須要對排采的強度和降液的速度進行控制，從而保證排液速度的平穩(wěn)性和連續(xù)性，使液面能夠以最平穩(wěn)的速度降低，避免造成排量和生產(chǎn)壓差出現(xiàn)大幅度的波動，預防吐砂、吐粉等不良情況。

(2)合理選擇排采設備

大多數(shù)情況下，排采井在進行工作時，需要使用電源支持，但電源通常為農(nóng)用電，所以很容易出現(xiàn)電壓不穩(wěn)、短路或斷電等問題，而螺桿泵作為一種容積式泵，如果一旦面臨停電等問題，則會導致油管中原有的液柱流回到井內(nèi)，導致井中的液面快速上漲，增加流動壓力，同時也改變了煤層的應力。因此，進行排采時，應根據(jù)實際情況，合理的使用排采設備，一般建議使用抽油機，因為該設備使用單流閥，即便在出現(xiàn)停電問題時，也不會發(fā)生筒水倒流的問題，同時也不會造成卡粉等情況，所以通常很少出現(xiàn)卡泵等問題，總而言之，在選擇排采設備時，合理的進行選擇，基本上能夠滿足正常排采需求。與油井相比，煤氣井對壓力的要求更低，而且井下管柱更好，井比較淺，壓力低于10MPa，井深大約在1000m以內(nèi)。在進行煤層氣井排采時，通常使用的排采設備為螺桿泵或抽油機，但因為螺桿泵在使用時需要使用到250型采油樹，整體排采成本較高，而且通用性比較差，抽油機則只需要使用150型或壓力更低的井口，因此，應根據(jù)實際情況，合理選擇使用兩種不同的排采設備，從而有效提高排采效果，提高煤層氣井的排采量。

(3)選擇專用井口

為了能夠更好的進行排采，應對井口加以調(diào)整和改動，比如，可以使用套管短節(jié)焊接2個出口，將其作為井口大四通等，另外，通過合理的改動專用井口，如果需要更換螺桿泵為抽油機，則不需要重新選擇井口，可以直接使用正反都有鋼圈槽的油管掛采油樹即可，不僅結構簡單，而且整體設計也非常合理，生產(chǎn)成本低廉，維護便利，具有極強的適用性。

(4)優(yōu)化排采管柱篩管的深度

煤層氣井管柱底篩孔的深度會直接影響到排采的連續(xù)性，而且也會對檢泵的周期產(chǎn)生影響。壓裂結束后轉(zhuǎn)排采，由于壓裂后地層壓力的釋放及井筒降壓，導致出砂、出煤粉的程度增大，容易造成卡泵，且常在出氣前需要檢泵清砂，所以，管柱底部的深度應保持適中，并將其放置在煤層上部，具體應放置在上部多少，則需要按照區(qū)塊的產(chǎn)水能力、解吸壓力的高低以及煤層壓力等參數(shù)進行確定。

5.實例分析

2017年6月，鄭莊工區(qū)ZH-054井現(xiàn)場準備工作完成，采用循環(huán)補水式懸浮劑注入工藝，在該井場首先安裝調(diào)試循環(huán)注水返排煤屑裝置，安裝調(diào)試完成后，恢復煤層氣井正常運行，在2個月的有效試驗周期內(nèi)累計向井內(nèi)注水30m3，井內(nèi)排出水76m3，截止目前井口套壓0.32MPa，日產(chǎn)氣量576m3，試驗過程中未出現(xiàn)煤粉卡泵現(xiàn)象。該循環(huán)注水返排煤屑裝置通過回儲水系統(tǒng)、注水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的合理銜接，大大降低煤粉卡泵幾率，提高泵效，解決由于地層供液不足導致的抽油泵排采不連續(xù)問題，能夠確保氣井排采連續(xù)性及穩(wěn)產(chǎn)，另外，該裝置采用全自動化運行，操作簡單，節(jié)省人力資源；設備質(zhì)量可靠，使用壽命長；系統(tǒng)運行實現(xiàn)遠程測控，管理方便。

6.結束語

綜上所述，在對煤層氣進行開采時，排采工藝的實施效果會直接影響到煤層氣的開采質(zhì)量，所以，必須要重點關注排采工程，采用循環(huán)補水方式更好的完成排采工作。相比之下，連續(xù)補水方式能夠有效彌補間歇式補水方式中存在的問題和不足之處。因此，應根據(jù)井筒煤粉的排出條件，合理的選擇和設定抽油機的泵徑、沖次和沖程，避免發(fā)生埋泵、卡泵等故障，在降低開采成本的基礎上，實現(xiàn)穩(wěn)定、持續(xù)的排采，進一步提高煤層氣的開采質(zhì)量與產(chǎn)量。