薄互層煤層氣井出砂綜合治理研究

張 越 ，于姣姣 ，李又武 ，吳曉丹 ，蔣時馨 ，谷 峰 ，崔景云 ，高 英

（中海石油氣電集團(tuán)技術(shù)研發(fā)中心，北京 100028）

由于煤巖的脆性和易碎性，煤層氣開發(fā)過程中容易產(chǎn)生煤粉，這使得原有產(chǎn)氣通道被破壞，阻礙煤層氣開采。薄互層煤層由于與圍巖的接觸面積大，除了煤粉，還會產(chǎn)生大量的砂粒；這使得孔眼堵塞、泵效降低、泵故障頻繁、作業(yè)次數(shù)和維修費(fèi)用增加；更嚴(yán)重的是，即使維修復(fù)產(chǎn)，煤層氣產(chǎn)量也會大幅下降。薄互層煤層出砂（煤粉）問題已經(jīng)突出地影響了煤層氣開發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益。我國的薄互層煤層資源分布廣泛[1]，開發(fā)中已經(jīng)或即將面臨出砂問題，如何治理出砂（煤粉）是高效開發(fā)薄互層煤層氣資源必須面臨的重要問題?，F(xiàn)有的研究側(cè)重于在大段均質(zhì)煤層中煤粉顆粒產(chǎn)生與運(yùn)移機(jī)理的基礎(chǔ)上構(gòu)建預(yù)測模型、優(yōu)化鉆井與壓裂技術(shù)、完善排采工藝與制度[2-3]。尚未見使用系統(tǒng)工程學(xué)方法綜合治理薄互層煤層出砂（煤粉）問題研究或成功案例的報道。為此，提出從完井階段開始的涉及井筒內(nèi)外和生產(chǎn)過程的系統(tǒng)性的煤層氣井出砂綜合治理措施，分析顆粒沉降規(guī)律，對比不同的防砂、攜砂方式，結(jié)合蘇拉特盆地地質(zhì)特征和生產(chǎn)現(xiàn)狀形成了“防排砂一體化”的綜合方法，階段性地解決了蘇拉特盆地薄互層煤層氣井出砂（煤粉）問題。

1 地質(zhì)特征與煤層氣井出砂問題

蘇拉特盆地位于澳大利亞昆士蘭州的中東部，煤層氣資源豐富，資源量約8 507×108m3。該盆地煤層氣年產(chǎn)氣量達(dá)315×108m3，占澳大利亞煤層氣總產(chǎn)量91%。含煤地層為中侏羅統(tǒng)Walloon 組，厚度300～450 m，該組段縱向上隔夾層多，有效厚度低，煤儲層占比僅10%。Walloon 組由多種巖性組成，主要包括煤層（10%）、高密度碳質(zhì)泥巖產(chǎn)層（2%～5%）、砂巖（40%～60%）、粉砂巖（20%～40%）、泥巖或凝灰質(zhì)巖（10%～30%）等，發(fā)育10 個煤層組，煤層單層厚度較薄，集中在0.01～3.92 m 之間，并與薄的高密度碳質(zhì)泥巖產(chǎn)層互層發(fā)育[4-8]。蘇拉特盆地煤層氣井巖性及沉積相劃分示意圖[9]如圖1。

圖1 蘇拉特盆地煤層氣井巖性及沉積相劃分示意圖Fig.1 Lithology and sedimentary facies division of coalbed methane wells in Surat Basin

目前蘇拉特盆地煤層氣井單井產(chǎn)氣量超1×104m3/d 占比90%、超3×104m3/d 占比70%[10]。氣體流速高導(dǎo)致的對煤巖和圍巖的剪切、壓實(shí)和滑移破壞的程度大、顆粒攜帶能力大。隨著開發(fā)的進(jìn)行，出砂問題日益嚴(yán)重，在統(tǒng)計(jì)的352 口煤層氣生產(chǎn)井中，100%存在不同程度的出砂問題，嚴(yán)重出砂井占33.5%。出砂不僅會堵塞地層流體的流動通道，還會造成卡泵、埋泵、抽油桿斷裂等井下故障。這導(dǎo)致生產(chǎn)設(shè)備無法正常運(yùn)行，出現(xiàn)大量出砂關(guān)停井[11]，修井作業(yè)頻繁使開采成本居高。因此有效治理出砂是保證蘇拉特盆地煤層氣井高效生產(chǎn)的關(guān)鍵。

基于蘇拉特盆地地層產(chǎn)出砂粒度分布范圍廣，且所有巖性種類都存在不同程度出砂，單一的完井防砂或攜砂無法做到有效治砂。為此，在蘇拉特盆地經(jīng)歷一系列探索，逐漸過渡形成一套“防攜一體化”的綜合治砂技術(shù)。該方法套管外“以防為主”，通過機(jī)械防砂或化學(xué)膠結(jié)等完井方式，阻止地層砂進(jìn)入井筒，完井防砂方式的選擇需結(jié)合區(qū)塊特征、防砂工藝適用條件及現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)對比等進(jìn)行綜合決策；油管內(nèi)以“攜砂為主”，將小顆粒無法阻擋的地層砂隨流體產(chǎn)出，同時利用井下工具降低出砂對井下設(shè)備的影響；井筒內(nèi)“控砂結(jié)合”，在采用特殊井下工具阻止大粒徑砂進(jìn)入生產(chǎn)管柱基礎(chǔ)上，輔助小粒徑砂攜帶產(chǎn)出，同時預(yù)留足夠沉砂口袋，盡可能減小出砂對生產(chǎn)的影響。通過“防攜一體化”方法，解決蘇拉特盆地煤系地層出砂問題。

2 套管外防砂方式

在薄互層煤層氣井的完井階段就要充分考慮后期開發(fā)的出砂問題，做到“以防為主”。蘇拉特盆地Walloon 組出砂風(fēng)險預(yù)測和評估結(jié)果表明：煤儲層和夾層均存在B指數(shù)≤2.0×104MPa，聲波時差值≥105 μs/ft 區(qū)間，這說明產(chǎn)層與夾層都具有極高的出砂風(fēng)險。

依照傳統(tǒng)方法，預(yù)防Walloon 組出砂最直接的方法是將超過300 m 的裸眼段全井段固井，同時避開易出砂夾層僅對煤儲層進(jìn)行射孔，但是因煤層敏感性強(qiáng)，該區(qū)射孔完井平均單井產(chǎn)量僅為裸眼完井產(chǎn)量的1/5，會使產(chǎn)能受到嚴(yán)重影響。因此，結(jié)合蘇拉特盆地煤層氣井的特征和需求，綜合對比多種完井防砂方式，得到適合蘇拉特盆地煤層氣井的防砂方式為：礫石充填、ECP（膨脹式封隔器，下同）+盲管、表皮壓裂。蘇拉特盆地中侏羅統(tǒng)Walloon 組煤層氣井完井防砂技術(shù)對比見表1。

表1 蘇拉特盆地中侏羅統(tǒng)Walloon 組煤層氣井完井防砂技術(shù)對比Table 1 Grain size and composition analysis of interbed minerals in Walloon formation of middle Jurassic in Surat Basin

進(jìn)一步篩選分析，若超過300 m 的Walloon 儲層全部采用礫石充填防砂，儲層跨度大、經(jīng)濟(jì)成本高，且煤層氣單井產(chǎn)能有限，投入產(chǎn)出比低，因此并不適用。表皮壓裂是為了緩解近井地帶儲層傷害，僅對煤層進(jìn)行射孔作業(yè)，并采用小排量壓裂對煤層進(jìn)行解堵，在降低夾層出砂可能性的同時，保證井的產(chǎn)能，但是壓裂費(fèi)用高，不適合規(guī)模作業(yè)[12]。

ECP+盲管，即非產(chǎn)層段主要使用ECP+盲管進(jìn)行封堵，生產(chǎn)層段以打孔管支撐井壁，預(yù)防煤層坍塌。打孔管較篩管而言具有不易堵塞的優(yōu)點(diǎn)，采用打孔管主要是由于Walloon 組夾層和煤層膠結(jié)疏松，強(qiáng)度低，分選差，粒徑分布范圍主要集中在0.1～2 000 μm 之間，黏土含量高，極易造成堵塞。ECP 在使用前要先確認(rèn)生產(chǎn)層位，對大段的砂巖夾層、泥巖夾層進(jìn)行封堵。綜合對比研究認(rèn)為，ECP+盲管完井作業(yè)風(fēng)險合理、生產(chǎn)成本較低，適合蘇拉特盆地煤層氣井。蘇拉特盆地煤層氣井ECP+盲管完井方式示意圖如圖2。

圖2 蘇拉特盆地煤層氣井ECP+盲管完井方式示意圖Fig.2 Schematic diagrams of ECP+ blind pipe completion mode of coalbed methane wells in Surat Basin

3 油管內(nèi)攜砂方式

油管內(nèi)主要“以攜為主”，目的是在生產(chǎn)過程中將進(jìn)入油管砂粒攜帶出井筒，同時盡可能降低出砂對井下設(shè)備的影響。攜砂方式的選擇需結(jié)合井身結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)要求及井下復(fù)雜工況等共同確定。

3.1 排砂生產(chǎn)

蘇拉特盆地煤層氣井以直井為主，采用二開的井身結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)井油管尺寸為φ88.9 mm，部分小產(chǎn)水量煤層氣井使用φ73.0 mm 油管。根據(jù)沉降末速計(jì)算地層出水對地層砂的攜帶能力[13-14]：

式中：us0為砂粒沉降末速，m/s； ρs為砂粒密度，kg/m3； ρl為水的密度，kg/m3； μ為水的黏度，mPa·s；ds為砂粒粒徑，μm。

由于水的黏度低，因此攜砂所需要的沉降末速較大。沉降末速與砂粒粒徑成正相關(guān)關(guān)系，選取粒徑中值140 μm 進(jìn)行計(jì)算，得沉降末速0.014 m/s，但事實(shí)上為了攜帶直徑更大的砂粒，所需要的沉降末速更大。直井液體的環(huán)空上返速度應(yīng)是砂粒沉降末速的2 倍，即0.028 m/s，那么對于φ88.9 mm 油管，產(chǎn)水量大于15 m3/d 時，砂粒不會發(fā)生沉降。目前的產(chǎn)水量無法將全部砂粒攜帶出井筒，井筒內(nèi)存在沉砂風(fēng)險。

3.2 增大攜砂能力

蘇拉特盆地目前采用螺桿泵為排采設(shè)備，其本身具有部分排砂功能。通過對比國內(nèi)外螺桿泵攜砂的常規(guī)做法，結(jié)合蘇拉特盆地煤層氣井的生產(chǎn)現(xiàn)狀，進(jìn)一步提出綜合使用漿式轉(zhuǎn)子、自動分流閥和螺桿泵反循環(huán)來進(jìn)一步增強(qiáng)螺桿泵攜排砂能力的改進(jìn)措施[15]：①漿式轉(zhuǎn)子是將螺桿泵的轉(zhuǎn)子進(jìn)一步加長，長度超過油管2～3 m，在正常生產(chǎn)時，漿式轉(zhuǎn)子隨螺桿泵轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，在井底產(chǎn)生擾動，從而將水與細(xì)粉砂充分?jǐn)嚢?，增?qiáng)攜砂能力；②自動分流閥安裝在油管內(nèi)螺桿泵的上部，當(dāng)正常生產(chǎn)時，地層產(chǎn)出流體與砂可穿過自動分流閥流動到井口，當(dāng)因井下故障或生產(chǎn)維護(hù)等臨時關(guān)停時，在重力的作用下砂粒會在井筒內(nèi)沉降，自動分流閥可阻止砂粒沉降到螺桿泵泵筒內(nèi)，對泵起到保護(hù)作用；③螺桿泵反循環(huán)就是利用雙油管建立循環(huán)，注入經(jīng)地面處理過的采出水，以達(dá)到攜砂和沖洗的目的。

4 套管內(nèi)控砂方式

套管內(nèi)控砂方式需兼顧完井防砂方式、生產(chǎn)攜砂方式和區(qū)塊地質(zhì)生產(chǎn)特征等綜合確定。在井筒內(nèi)既要利用井下工具輔助地層小粒徑砂進(jìn)入生產(chǎn)管柱攜砂，也要阻止大粒徑地層砂粒進(jìn)入生產(chǎn)管柱防砂，因此井底需預(yù)留足夠空間降低出砂對生產(chǎn)的影響[16]。蘇拉特盆地煤層氣生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，沉砂空間大小與有效生產(chǎn)時間呈成正相關(guān)關(guān)系。為了延長有效生產(chǎn)時間，應(yīng)適當(dāng)增加沉砂空間；共有2 種途徑可實(shí)現(xiàn)：①優(yōu)化管柱下深，即上提管柱；②鉆穿套管鞋，增大沉砂口袋。

優(yōu)化管柱下深是增加井底沉砂空間最直接的方式，生產(chǎn)管柱下入深度示意圖如圖3。

圖3 生產(chǎn)管柱下入深度示意圖Fig.3 Schematic diagrams of running depth of production string

蘇拉特盆地煤層氣井對管柱下深歷經(jīng)了一系列探索：初期將管柱下至煤層頂板附近，由于煤層氣需要排水降壓才能達(dá)到解吸產(chǎn)氣的目的，產(chǎn)能受到了嚴(yán)重的制約；隨后將油管底部下至距套管鞋30 m 處，此時煤層氣井產(chǎn)量雖較高，但頻繁出現(xiàn)卡泵、埋泵等井下事故；接著嘗試將油管下降至煤層中部，雖然事故率低，但產(chǎn)能依舊受到較大影響；最后將油管降至距套管鞋60～90 m 處，此時產(chǎn)能未受影響，且事故較30 m 時有所緩解。管柱下深可增加的空間有限，鉆穿套管鞋至人工井底的方法可獲得更大的沉砂空間。而蘇拉特盆地中83%的煤層氣井，套管鞋距人工井底距離大于10 m，利用該空間可進(jìn)一步降低出砂對生產(chǎn)的影響。

經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，優(yōu)化管柱下深和鉆穿套管鞋均可增加煤層氣井的連續(xù)生產(chǎn)時間，目前這2 種方式已在蘇拉特盆地推廣使用。

5 應(yīng)用效果

出砂治理前后井故障率對比如圖4，出砂綜合治理效果如圖5。

圖4 出砂治理前后井故障率對比Fig.4 Comparison of failure rate after sand production treatment

圖5 出砂綜合治理效果Fig.5 Comprehensive control effect of sand production

蘇拉特盆地在應(yīng)用上述方式對出砂問題進(jìn)行綜合治理后，出砂得到有效控制，通過現(xiàn)場取水樣表明應(yīng)用防砂措施治理后井的水質(zhì)較清，因出砂導(dǎo)致的關(guān)井修井現(xiàn)象得到有效緩解，生產(chǎn)相對穩(wěn)定。井的故障率大幅降低，在500 d 的生產(chǎn)時間內(nèi)，井的故障率由66%降至38%，降幅達(dá)28%。全區(qū)單井平均連續(xù)生產(chǎn)時間也由275 d 增至近400 d，井的有效利用率提高，年修井費(fèi)用大幅降低。

6 結(jié) 語

在系統(tǒng)分析蘇拉特盆地儲層特征、出砂特點(diǎn)和生產(chǎn)規(guī)律的基礎(chǔ)上，根據(jù)顆粒沉降規(guī)律研究，結(jié)合出砂層位預(yù)測和防砂工藝優(yōu)選，采用“膨脹式封隔器+盲管”與“螺桿泵+漿式轉(zhuǎn)子+自動分流閥+鉆穿套管鞋”結(jié)合的綜合防排砂技術(shù)，階段性地解決了蘇拉特盆地煤系地層出砂問題。通過蘇拉特盆地現(xiàn)場實(shí)踐與應(yīng)用，成功探索出一套防排砂一體化的綜合治砂措施。該方法有效增加了連續(xù)生產(chǎn)時間，降低了修井成本。