煤層氣井排采過程中產(chǎn)粉特征及防治措施

張世春，仇澤強(qiáng)，宋永強(qiáng)，楊云成

(1.陜西省煤層氣開發(fā)利用有限公司,陜西 西安 710065; 2.陜西省煤層氣工程技術(shù)研究中心,陜西 西安 710068)

國內(nèi)煤層氣開發(fā)實(shí)踐表明，煤粉是影響煤層氣井能否長期、持續(xù)、穩(wěn)定高產(chǎn)的主要因素之一。煤層氣井排采過程中大量的煤粉產(chǎn)出容易造成井筒堵塞、卡泵現(xiàn)象，嚴(yán)重時會造成氣井報(bào)廢[1]。另外，由于煤儲層的特殊性，煤層氣井的排采需要遵循持續(xù)、緩慢、穩(wěn)定的原則，而煤粉造成卡泵、井筒堵塞后需要頻繁修井，破壞了煤層氣井排采的連續(xù)性，造成煤儲層不可逆的傷害，致使煤層氣井不能高效穩(wěn)定的生產(chǎn)[2-4]。因此，深入研究煤層氣井煤粉產(chǎn)出規(guī)律和產(chǎn)出機(jī)理，進(jìn)而針對不同的煤粉產(chǎn)出機(jī)制研究針對性強(qiáng)、高效可靠的防治措施，是實(shí)現(xiàn)煤層氣井可持續(xù)排采的迫切需要。針對大佛寺井田不同井型煤層氣井排采進(jìn)行排采特征分析，總結(jié)煤粉產(chǎn)出的規(guī)律及特征，對不同生產(chǎn)階段的排采制度進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)更合理高效的煤層氣井排采。

1 各生產(chǎn)階段產(chǎn)粉特征

1.1 排水階段產(chǎn)粉特征

大佛寺井田29口煤層氣井，排水階段煤粉產(chǎn)出較少，20口水平井中煤粉產(chǎn)出的有3口，其產(chǎn)出水呈灰色，含有少量煤粉，而9口直井排水階段基本未有煤粉產(chǎn)出。就水平井而言，排水階段的井底流壓與產(chǎn)水量之間具有一定正相關(guān)關(guān)系，反映出儲層供液能力存在差異。但就整體而言，水平井和直井的產(chǎn)粉情況非常輕微，主要原因?yàn)榕潘A段為單一液相流。結(jié)合現(xiàn)場煤層氣井排采特征可知，單一液相流對煤粉的啟動、運(yùn)移能力最弱，而該區(qū)煤層氣井排采階段的平均產(chǎn)水量一般都小于 60 m3/d，并沒有達(dá)到能夠啟動和運(yùn)移煤粉所需的流量，所以在排水階段，氣井基本不產(chǎn)出煤粉。

1.2 產(chǎn)氣初期產(chǎn)粉特征

產(chǎn)氣初期指煤層氣井通過排水降壓，使儲層中吸附的煤層氣開始解吸，產(chǎn)生一定套壓，繼而逐漸放產(chǎn)，產(chǎn)氣量快速上升至較為穩(wěn)定數(shù)值的過程，包括憋壓和放產(chǎn)兩個階段。該階段接近半數(shù)的煤層氣井開始產(chǎn)出大量煤粉，產(chǎn)出水也由之前的清水變?yōu)榛宜?、灰黑水，含煤粉較多，嚴(yán)重的會導(dǎo)致煤粉卡泵，需要修井。氣液兩相流比單一液相流的攜粉運(yùn)移能力顯著增強(qiáng)，而產(chǎn)氣初期，隨著煤層氣開始解吸進(jìn)入井筒運(yùn)移，井筒中原先的單一液相流轉(zhuǎn)變?yōu)闅庖簝上嗔?，其啟動和運(yùn)移煤粉的能力大大增強(qiáng)，殘留在井筒中的煤粉開始隨著氣液流運(yùn)移，并且隨著解吸的煤層氣量增大，氣液兩相流的攜粉運(yùn)移能力越來越強(qiáng)，更多的煤粉被啟動和運(yùn)移[5]。

通過分析該階段氣井產(chǎn)粉情況與各生產(chǎn)參數(shù)之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，煤粉產(chǎn)出較為嚴(yán)重的氣井，其產(chǎn)水量和產(chǎn)氣量均相對較低，產(chǎn)水量一般低于 30 m3/d，產(chǎn)氣量低于 1000 m3/d，套壓低于 0.2 MPa，井底流壓低于 0.5 MPa。這說明，該階段由于氣相的逐漸加入，對井筒中的流態(tài)和流型干擾十分嚴(yán)重，而部分氣井由于沒有進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋飰海女a(chǎn)過快，造成大量煤粉被啟動和運(yùn)移，最終導(dǎo)致卡泵，產(chǎn)液能力減弱，以致需要修井。另外，該階段部分氣井排采強(qiáng)度過大，井底流壓過低，井筒壓差過大，加劇了煤粉的大量產(chǎn)出。

1.3 穩(wěn)定產(chǎn)氣階段產(chǎn)粉特征

煤層氣井經(jīng)過放產(chǎn)階段產(chǎn)氣量逐漸上升至較為穩(wěn)定水平，產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量、井底流壓、套壓等參數(shù)維持相對穩(wěn)定，是煤層氣井的長期、主要生產(chǎn)階段。該階段儲層裂隙和井筒中的氣液兩相流較為穩(wěn)定，產(chǎn)氣量較高，產(chǎn)水量較低，氣水流量比較大，攜粉運(yùn)移能力強(qiáng)，此時如果井筒仍有殘余煤粉，也會隨著氣水流一起產(chǎn)出。另外，煤儲層孔隙和裂隙表面的煤粉顆粒在氣水流的快速流動影響下，從煤表面脫落，進(jìn)入孔裂隙隨氣水一同運(yùn)移。統(tǒng)計(jì)排采井?dāng)?shù)據(jù)結(jié)果表明，穩(wěn)定產(chǎn)氣階段，多數(shù)煤層氣井產(chǎn)出水中含有不同程度的煤粉，呈灰黑色，且水平井產(chǎn)粉情況更為嚴(yán)重。產(chǎn)粉嚴(yán)重的氣井，其一般產(chǎn)氣量大、產(chǎn)水量低，氣水流量比越大，攜粉運(yùn)移能力越強(qiáng)。此外，氣體的快速流動極容易將煤儲層表面的煤粉顆粒剝離運(yùn)移產(chǎn)出。

2 排采過程中煤粉防治措施

煤層氣開發(fā)需要經(jīng)歷“排水-降壓-解吸-運(yùn)移”等過程，各過程中煤層氣井筒中的多相流特征存在顯著差異，為達(dá)到有效控制煤粉產(chǎn)出和防止發(fā)生卡泵問題的目的，需要根據(jù)煤層氣井的生產(chǎn)特點(diǎn)分階段制定相應(yīng)的排采工作制度。

2.1 排水降壓階段煤粉防治措施

煤層氣排采初期，在壓裂完成后一段時間內(nèi)，煤層氣尚未解吸，這時水平井井筒中只有地層水和煤粉顆粒，煤粉顆粒與水一起在井筒中做液固兩相流動。排水降壓階段煤儲層和井筒內(nèi)主要為液固兩相流，相對容易控制，該階段的主要目的是快速、有效排出鉆井及壓裂等工程形成的殘留煤粉。

對于水平井而言，其排水降壓階段的產(chǎn)水量應(yīng)大于煤粉啟動運(yùn)移的最小啟動流量。根據(jù)鉆屑煤粉的粒度分析結(jié)果，其主要煤粉粒徑以20～80目(0.216～0.894 mm)和80～150(0.108～0.216 mm)目為主，以20～80目鉆屑煤粉層移狀態(tài)啟動流量 900 L/h 折算后，排水階段的產(chǎn)水量應(yīng)達(dá)到 65 m3/d 左右，才能保證大部分的鉆屑煤粉能夠被有效排出地面，保持此產(chǎn)水量水平至見套壓為止。對于直井而言，主要考慮鉆屑及壓裂造成的煤粉返排，避免其沉降在井筒中致使卡泵。根據(jù)撈粉粒度分析結(jié)果，其主要集中在80～150目及大于150目的粒徑范圍，80～150目沉降末速度最小，達(dá) 0.45 m/s，井筒中水流速度必須大于此速度，才能有效防止煤粉沉降，折算后直井排水階段的產(chǎn)水量應(yīng)大于 21.6 m3/d，維持此產(chǎn)水量直到見套壓為止。并且無論是直井還是水平井，排采過程中都需保持連續(xù)和相對穩(wěn)定，避免排采間斷導(dǎo)致煤粉沉降。

2.2 產(chǎn)氣初期煤粉防治措施

煤儲層經(jīng)過排水降壓到臨界解吸壓力之下時，煤層氣開始解吸，這時煤粉顆粒與煤層氣、地層水三相在地層中發(fā)生氣液固三相流動。氣液固三相流情況下，煤粉擾動明顯，攜帶煤粉運(yùn)移能力明顯強(qiáng)于液固兩相流。結(jié)合實(shí)際地層、工程參數(shù)，可通過調(diào)整產(chǎn)水量控制壓差，調(diào)整流型以控制煤粉攜出效果，最終實(shí)現(xiàn)煤粉的適度產(chǎn)出。在見套壓后的憋壓排采階段，由于氣相的加入，對煤粉擾動明顯，大佛寺井田多數(shù)煤層氣井在該階段都出現(xiàn)不同程度的產(chǎn)粉情況，為了減小氣相加入對煤粉的擾動，應(yīng)重點(diǎn)管控套壓的增長與井底流壓的突變[6]。因此，在見套壓初期應(yīng)立即調(diào)整排采工作制度，降低產(chǎn)水量和液面下降速度，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過渡。水平井產(chǎn)水量應(yīng)逐步降低，以控制井底流壓降幅和套壓增幅為標(biāo)準(zhǔn)，井底流壓降幅不超過 0.004 MPa/d，套壓增幅不超過 0.01 MPa/d。

當(dāng)套壓逐步上升至逐步放產(chǎn)階段，產(chǎn)氣量逐步上升，煤儲層解吸范圍和解吸氣量逐步增大，該階段煤粉產(chǎn)出情況較憋壓段有增大的趨勢[7]。針對產(chǎn)出煤粉較多的井，該階段可以進(jìn)行洗井作業(yè)。另外，套壓變化較大，產(chǎn)氣量極不穩(wěn)定，時斷時續(xù)。該階段為三相流，煤層容易受到激動，產(chǎn)出煤粉。如果排采控制不好，液面容易發(fā)生劇烈波動，從而影響井底流壓變化，進(jìn)而導(dǎo)致生產(chǎn)壓差產(chǎn)生變化，最終產(chǎn)生兩方面的負(fù)面效果：其一為煤層受到激動導(dǎo)致煤層割理和裂隙發(fā)生閉合；其二為生產(chǎn)壓差劇變?nèi)菀滓饓毫焉暗姆低耓3]。所以，見套壓后放產(chǎn)時，緩慢調(diào)節(jié)針型閥至流量表顯示出最小流量值。放產(chǎn)過程可控制井底流壓降幅在0.002～0.003 MPa/d。當(dāng)套壓趨于穩(wěn)定后，日產(chǎn)氣量逐步平穩(wěn)上升，同時日產(chǎn)水量逐步下降，控制增產(chǎn)速度在50～100 m3/d。

2.3 穩(wěn)定產(chǎn)氣階段煤粉防治措施

當(dāng)放產(chǎn)階段后產(chǎn)氣量逐漸趨于平穩(wěn)，煤層孔隙和喉道中主要以氣相流為主，各項(xiàng)參數(shù)穩(wěn)定，煤層解吸面積逐漸擴(kuò)大，此時應(yīng)減小產(chǎn)水量，維持相對穩(wěn)定的井底壓力和套壓，建議控制井底壓力0.2～0.4 MPa 范圍內(nèi)，并將此時的產(chǎn)氣量作為穩(wěn)定產(chǎn)氣量，保持穩(wěn)定排采[8]。另外，氣相流相對于液相流具有更強(qiáng)的攜粉運(yùn)移能力，需要防止產(chǎn)氣量過大而導(dǎo)致氣體流速太大，沖刷煤層孔隙表面的煤粉顆粒導(dǎo)致脫落堵住孔隙，出現(xiàn)產(chǎn)氣量和產(chǎn)水量均減小的不利狀態(tài)[9]。

3 結(jié)論

1)產(chǎn)氣初期階段由于氣相的逐漸加入，對井筒中的流態(tài)和流型干擾十分嚴(yán)重，而部分氣井由于沒有進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋飰?，放產(chǎn)過快，造成大量煤粉被啟動和運(yùn)移，最終導(dǎo)致卡泵，產(chǎn)液能力減弱。

2)部分氣井排采強(qiáng)度過大，井底流壓過低，井筒壓差過大，也同樣加劇了煤粉的大量產(chǎn)出。穩(wěn)產(chǎn)階段由于氣水流量比越大，氣體的快速流動越容易將煤儲層表面的煤粉顆粒剝離運(yùn)移產(chǎn)出。

3)煤粉在井筒中的運(yùn)移受到煤粉的粒徑、形狀系數(shù)、比重、濃度、黏度，以及兩相流動的流量、壓差所影響，其中煤粉的粒徑、形狀系數(shù)、比重等都是不可控制因素，而兩相流的流量、壓差可以通過排采方案的調(diào)整進(jìn)行控制。如果能夠通過合理調(diào)整流量和壓差來控制煤粉產(chǎn)出，就能夠保證煤層氣井的正常排采。