高煤階煤層氣田開發(fā)中的常見問題及解決措施

高煤階煤層氣田開發(fā)中的常見問題及解決措施

沁水盆地油氣田是高煤炭氣田。根據(jù)近兩年的開發(fā)實(shí)踐，沁水油氣田具有低矮、低滲、低飽和、低質(zhì)量強(qiáng)的“三通一強(qiáng)”特點(diǎn)。平均單井煤炭產(chǎn)量為低。而煤層氣井的產(chǎn)氣量不僅受控于煤儲(chǔ)層特征、煤層含氣性、頂?shù)装鍘r性、構(gòu)造特征和壓裂造縫效果等因素,同時(shí)也受到鉆井、完井和排采等工藝技術(shù)的制約。目前沁水盆地高階煤煤層氣開發(fā)生產(chǎn)中暴露出一個(gè)突出的問題:由于生產(chǎn)規(guī)律把握不準(zhǔn),排采制度調(diào)節(jié)頻繁,造成煤層壓力激動(dòng)、煤粉遷移和沉積,裂縫和井筒被煤粉堵塞,裂縫閉合,導(dǎo)致煤層滲透性的永久性傷害,使得氣/水產(chǎn)量難以達(dá)到理想狀態(tài)。1煤粉性能較差由于在煤層氣田排水降壓過程水對(duì)煤粉的懸浮性能較差,煤粉不易隨水流動(dòng),容易聚團(tuán)形成沉淀堵塞滲流通道,影響煤層產(chǎn)氣;煤粉對(duì)于煤粉堵塞,根據(jù)堵塞部位的不同,可分為下列三類:1.1煤粉的活性水包砂性差煤巖的力學(xué)性質(zhì)(楊氏模量大、泊松比大)決定了煤層具有堅(jiān)硬、性脆、易破碎的特點(diǎn)。目前的主流壓裂工藝為活性水壓裂,活性水?dāng)y砂性差,必須采用大排量,大排量的含砂壓裂液對(duì)裂縫的沖擊力度大,產(chǎn)出的煤粉就比較多;含砂活性水在裂縫中的流動(dòng)為紊流,紊流不但加劇了支撐劑對(duì)裂縫壁表面的打磨沖擊能力,產(chǎn)生大量煤粉,而且會(huì)使煤粉顆粒與砂粒完全混合在一起,沉降聚集,阻塞先期形成的流體的運(yùn)移通道,污染有效支撐裂縫。1.2應(yīng)力平衡狀態(tài)應(yīng)力狀態(tài)改變導(dǎo)致煤基質(zhì)破裂是煤粉產(chǎn)生的可能原因。在漫長(zhǎng)的構(gòu)造演化過程中,煤層逐漸達(dá)到現(xiàn)今應(yīng)力平衡狀態(tài)。在壓裂、排采過程中,外部壓力條件改變,導(dǎo)致煤基質(zhì)應(yīng)力條件變化,煤巖逐漸失去原有的應(yīng)力平衡,煤巖的彈性自調(diào)節(jié)效應(yīng)導(dǎo)致煤粉的產(chǎn)生。產(chǎn)生的煤粉堵塞在孔喉和割理,大幅度降低滲透率,影響排水降壓和煤層甲烷的解析。1.3煤粉堵塞,泵入口采用激光粒度分析儀分析了取自樊莊區(qū)塊煤層氣排采井水樣中的煤粉粒度。從分析數(shù)據(jù)可以看出煤粉粒徑范圍較大,小到幾微米,大到幾百微米,在水中呈懸浮態(tài),長(zhǎng)時(shí)間靜置后可見深灰色糊狀沉淀。煤粉堵塞泵吸入口,造成凡爾關(guān)閉不嚴(yán),大幅度降低水泵功效。進(jìn)入井筒的細(xì)微煤粉逐漸堆積,形成黏稠膠狀物進(jìn)入泵內(nèi),極易造成卡泵現(xiàn)象,在生產(chǎn)過程中需要頻繁檢泵。2減少儲(chǔ)層產(chǎn)生煤粉根據(jù)煤巖的煤巖楊氏模量大、泊松比大的力學(xué)性質(zhì)特點(diǎn)及排水降壓煤層氣開發(fā)原理可知,煤層氣井排水采氣過程及后續(xù)措施作業(yè)中儲(chǔ)層不可以避免的產(chǎn)生煤粉。減少排采過程中煤儲(chǔ)層應(yīng)力出邊避免煤粉的集中、大量生成;有效的控制儲(chǔ)層中生成煤粉的運(yùn)移;運(yùn)移到井筒的煤粉通過適宜的排采設(shè)備將其有效的由井筒舉升至地面,將是煤層氣井排采過程中防治煤粉的工作主線。2.1煤氣排采工作制度煤層氣開采是通過排水降壓、解吸、擴(kuò)散、滲流等階段完成的,與常規(guī)天然氣產(chǎn)出機(jī)理不同。排采工作是煤層氣開發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一,而合理的排采制度是煤層氣井獲得高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵。目前,國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)排采工作制度的研究都沒有給出一套切實(shí)可行的辦法用于指導(dǎo)煤層氣生產(chǎn)。目前煤層氣的排采執(zhí)行定性的制度“緩慢、連續(xù)、穩(wěn)定、長(zhǎng)期”,定性的排采制度很難保證排采的穩(wěn)定性,迫切需要排采制度由定性向定量轉(zhuǎn)變,建立定量化排采制度。通過下面的研究可以解決這個(gè)問題:(1)通過室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)建立煤儲(chǔ)層滲流參數(shù)與排采強(qiáng)度的數(shù)學(xué)模型;(2)運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)已開發(fā)排采井進(jìn)行統(tǒng)計(jì),找出影響排采效果的因素;(3)通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)完善排采強(qiáng)度與地層參數(shù)數(shù)學(xué)模型。2.2防煤粉壓裂工藝設(shè)計(jì)壓裂的終極目標(biāo)是形成長(zhǎng)的低污染的高效滲流通道?；诮?jīng)濟(jì)效益的情況下,為了降低煤儲(chǔ)層堵塞,新的壓裂工藝必須在低成本下造出一條足夠長(zhǎng)的支撐裂縫,增大泄流面積;減小攜砂液階段煤粉的產(chǎn)出,降低對(duì)支撐裂縫的污染。為此設(shè)計(jì)防煤粉壓裂工藝:(1)前置段塞:活性水+粉砂段塞,打磨地層減少壓裂阻力;基于煤巖的壓敏效應(yīng)在施工過程中采用中排量注入技術(shù);(2)前置液:活性水+一定濃度降濾失劑,以降低壓裂液在裂縫延伸過程濾失,提高壓裂液利用率,其中后2/5前置液中加入延遲破膠劑;施工過程中采用大排量、大液量工藝;(3)攜砂液:在攜砂液階段應(yīng)用低傷害、高粘度的清潔壓裂液攜帶支撐劑,以減少紊流狀態(tài)下對(duì)煤儲(chǔ)層的沖擊,同時(shí)可以將產(chǎn)生的煤粉攜帶至遠(yuǎn)離井筒地帶,并能提高支撐劑有效鋪置距離;根據(jù)煤層氣壓裂現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)此階段注入排量以小排量注入工藝為主;(4)頂替液:活性水,后尾追破膠劑;2.3解鎖技術(shù)2.3.1疏通滲流通道煤儲(chǔ)層具有機(jī)械強(qiáng)度弱、脆而軟,易產(chǎn)生壓性破碎及張性損壞的特性,在煤儲(chǔ)層壓裂過程、排采過程中容易發(fā)生應(yīng)力敏感,造成煤儲(chǔ)層裂隙應(yīng)力閉合和基質(zhì)收縮產(chǎn)生煤粉。在煤粉運(yùn)移過程中,遇到狹窄的裂隙通道受阻時(shí),在流體速度差的作用下,導(dǎo)致煤粉堵塞液體運(yùn)移的通道裂隙。滲流通道的堵塞將影響煤儲(chǔ)層壓降形成,最終降低煤層氣的采收率。郭平生、任偉杰等發(fā)現(xiàn)煤巖超聲波場(chǎng)中,煤巖吸附相分子將獲得比非吸附相分子大10個(gè)數(shù)量級(jí)以上的能量,且當(dāng)超聲波頻率達(dá)到吸附相分子的固有頻率時(shí)使解吸速率最大。超聲波使得煤巖小尺度裂隙數(shù)目增加,使抗壓強(qiáng)度最大可降低20%～40%;超聲振動(dòng)方向與煤層層理一致時(shí),可使煤巖試樣測(cè)試的滲透率增大1倍左右。對(duì)于煤粉堵塞引起氣井產(chǎn)氣量下降的井,可以對(duì)煤儲(chǔ)層外加振動(dòng)場(chǎng),通過振動(dòng)場(chǎng)的能量實(shí)現(xiàn)解堵。振動(dòng)能量傳遞到煤體中增加了煤體內(nèi)能,使煤顆粒間產(chǎn)生相對(duì)位移、顆粒間接觸更加緊密,降低煤巖應(yīng)力。振動(dòng)后沉積在煤層裂隙內(nèi)的煤粉顆粒逐漸松動(dòng)剝落,分散在液體中被采出液攜帶走,達(dá)到疏通滲流通道的目的。振動(dòng)波場(chǎng)能夠破壞突出煤體內(nèi)部顆粒之間的粘結(jié)狀態(tài),增加煤體裂隙寬度,使裂隙延長(zhǎng)和貫通,提高煤體的滲透能力。2.3.2裂縫重新?lián)伍_通過向煤層中注入發(fā)泡劑等化學(xué)劑,使其在地層裂縫中產(chǎn)生大量的泡沫,形成高壓,把裂縫重新?lián)伍_;關(guān)井?dāng)?shù)小時(shí)后然后以小排量進(jìn)行返排,利用泡沫的低密度、高攜帶性能、表面活性劑的清洗作用及泡沫回吐時(shí)的紊流攪動(dòng)混排作用,將裂縫中的煤粉、細(xì)粉砂攜帶出井筒,達(dá)到疏通滲流通道提高儲(chǔ)層滲流能力的目的。3含砂煤粉壓裂工藝(1)排采制度定量化可以有效的降低煤巖裂縫閉合和基質(zhì)收縮,減小煤粉的產(chǎn)生;(2)