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煤层气水平井煤粉产生机理及控制措施

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煤层气 水平 井煤粉 产生 机理 控制 措施
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第 30 卷第 4 期 辽宁工程技术大学学报(自然科学版) 2011年 8 月 Vo l . 3 0 2011 收稿日期: 2011网络出版时间: 2011网络出版地址: : 国家科技重大专项基金资助项目( 20092011 作者简介: 刘升贵( 1978-) ,男,四川 宜宾人,博士后,主要从事渗流力学、煤层气开发技术等方向研究。 本文编校: 朱艳华 文章编号: 1008011)041层气水平井煤粉产生机理及控制措施 刘升贵1,贺小黑2,李惠芳1(力学与建筑工程学院,北京 100083; 京 100029) 摘 要: 为了揭示煤层气水平井煤粉产生机理,采用理论分析和现场实验的方法,分析了煤层气水平井产出煤粉的质量分数及颗粒粒径变化规律,提出了使用防砂尾管结合油套环空注水稀释煤粉质量分数预防卡泵的措施。研究结果表明:煤层气水平井产出煤粉颗粒粒径呈阶段变化特征,煤粉质量分数超标是导致卡泵停机的主要原因,使用防砂尾管结合井底注水稀释煤粉质量分数措施能有效延长煤层气排采井检泵周期。 关键词: 煤层气;水平井;生产动态;煤粉;卡泵 中图分类号: 3 文献标志码: A of in 00083, 00029, To of in in by of of in to is of of in a is by in 引 言 煤粉的控制是煤层气井排采管理中的重要环节,过量煤粉产出引起的机械故障将导致频繁检泵作业,从而产生大幅度的井底压力波动而破坏气、水、煤粉流态的连续性进而影响产气潜力[1经统计沁水盆地南部煤层气水平井平均检泵周期为六个月,鄂尔多斯盆地东缘煤层气水平井平均检泵周期为三个月,频繁的检泵作业对气井生产动态产生负面影响,增加了排采成本[3]。研究煤粉产出机理有利于预防和减少煤粉卡泵事故发生,能有效释放煤层气井产能,实现煤层气资源高效开发。本文基于水平井煤粉监测数据,分析了煤粉产出规律,总结了煤粉产生机理;针对煤粉产出特点提出了使用防砂尾管结合油套环空注水稀释煤粉浓度预防卡泵的措施,使检泵周期延长。 1 水平井煤粉产出规律 煤层气绝大部分以吸附的方式储存在煤基质中,需要降低储藏压力才能使煤层气解吸[4]。煤储藏特点决定了煤层气井排采管理中的核心内容应该是井底压力和煤粉的控制[5]。煤粉的控制是非常重要的环节[6],煤层气水平井多采用裸眼完井方式[6随排采过程中, 煤粉随水、 气运移至生产直井井筒,一部分煤粉经排采泵吸入、提升至地表通过井口水管线排放,另一部分煤粉沉降至直井井底口袋。现场通过计量排出煤粉量加上检泵作业捞出井底煤粉量,总结各排采阶段煤粉产出规律。沁水盆地南部和鄂尔多斯盆地东缘近百口煤层气水平井排采实践表明,煤层气井煤粉产出伴随气井生产全过程,依据煤层气水平井排采现场取样测试,产出煤第 4 期 刘升贵,等:煤层气水平井煤粉产生机理及控制措施 509粉颗粒粒径呈阶段变化特征(见图 1) ,可划分为四个阶段,规律如下: 01020304050607010第一阶段第二阶段第三阶段第四阶段颗粒粒径 / 煤层气水平井各生产阶段煤粉颗粒粒径分布特征 of 1)第一阶段以中、粗颗粒煤粉为主,粗颗粒煤粉沉积到井底口袋内,见图 2、图 3,大颗粒煤粉吸入排采泵容易造成卡泵,颗粒粒径 5~10 粉质量分数低,质量分数一般低于 1%。该阶段煤层气井井底压力高于临界解吸压力,仅产水,不产气。 图 2 沁南水平井产气前井筒聚集的煤粉颗粒 2)第二阶段为初期产气阶段,以中、细颗粒煤粉为主,颗粒粒径 1~3 粉质量分数高,部分井煤粉质量分数达到 8%,细颗粒煤粉以悬浮液形式排出井筒,由于产水量下降,高质量分数煤粉往往造成卡泵,或煤粉在井底口袋内沉积造成埋泵(见图 4、图 5) ;如沁水盆地南部 在产气初期表现出了强势的持续增长,而且是套管压力、产水量、产气量同步增长。但该井排采遭遇到了非常严重的煤粉干扰,致使产气增长势头被不断打断,出现起伏。该阶段煤层气井井底压力处于临界解吸压力附近波动,产水、产气量波动较大。 图 3 三交水平井产气前井筒聚集的煤粉颗粒 4 沁南水平井产气初期井筒聚集的煤粉颗粒 at 5 三交水平井产气初期井筒聚集的煤粉颗粒 at 3)第三阶段为产气高峰期,以细颗粒煤粉为主,颗粒粒径小于 2 粉质量分数较低,多数井质量分数低于 一部分煤粉以悬浮液形式排出井筒, 另一部分沉积到井底口袋内 (见图 6) 。该阶段煤层气井井底压力接近于零,仅少量产水。 体积分数/% 辽宁工程技术大学学报(自然科学版) 第 30 卷 510 ( 4)第四阶段为产气后期,基本无水产出,以微细颗粒为主,颗粒粒径小于 1 随气体以粉尘形式排出,位于大宁煤矿的 排采两年半以后出现该情况,高速气体携带微细颗粒煤粉对干煤层微孔隙、 裂隙孔道具有疏通、 打磨作用,使水平井井筒周围煤层透气性明显提高,有利于充分释放煤层气产能。该阶段煤层气井井底压力为零,基本不产水。 图 6 沁南水平井产气高峰期井筒聚集的煤粉颗粒 6 at of 煤粉产生机理 煤粉是在钻井工程及排采扰动作用下引起煤层失稳破坏而产生的。按煤粉来源可分为钻井残留煤粉,井壁失稳产生煤粉,煤基质破裂产生煤粉。 钻井残留煤粉 由于煤储层微裂隙和割理发育,所以在钻进煤层时,要采取必要的措施对煤层加以保护,严防固相微粒堵塞煤层的微裂隙和割理系统形成污染。煤储层一旦污染,则很难恢复。为确保水平井产能,水平井钻井需要采用插管注气欠平衡施工工艺[11该技术有效保护煤储层,减少井筒煤粉残留。井筒残留煤粉分为水平井井筒残留煤粉和直井洞穴台阶及井底残留煤粉两部分。 ( 1)水平井井筒残留煤粉 煤屑一旦被破碎、脱离井底后,被钻井液带走(小颗粒)或滞留在水平段某处的下井壁(较大颗粒) 。煤屑的重力方向与钻井液流动方向相垂直,钻井液流动不能像在垂直井筒内那样直接克服重力沉降而使煤屑运移。重力使钻具躺在下井壁上,这种偏心环空造成下井壁处低速区,而这些低速区恰是岩屑在重力作用下的滞留区,提钻后水平井筒下井壁将残留部分煤粉(见图 7) 。 图 7 水平井井筒下井壁残留煤粉 7 in of 2)直井洞穴台阶及井底残留煤粉 煤层气水平井由工程井、生产直井组成,为实现工程井与生产直井连通,需要在生产直井目的层段造直径大于 0.6 m 的洞穴。捞砂或冲砂作业过程中,依据模型试验分析,洞穴底部台阶和直井井底属于煤粉滞留区域(见图 8) ,这些区域煤粉无法完全清理。捞砂或冲砂作业后,通过井下电视观测发现洞穴底部台阶和直井井底仍然会聚集部分煤粉(见图 9) 。 为减少钻井煤粉残留,在钻进过程中做好井眼净化工作,具体从四个方面减少水平井眼残留煤粉: ( 1)加大钻进排量,提高环空钻井液流速提高携砂能力; ( 2)适当延长循环时间,增加返砂量; ( 3)使用偏心 头,增加环空间隙; ( 4)控制钻头钻速,减少井眼坍塌风险。 图 8 直井冲砂过程洞穴煤粉滞留 in 4 期 刘升贵,等:煤层气水平井煤粉产生机理及控制措施 511图 9 直井洞穴台阶及井底煤粉残留 in s 井壁失稳产生煤粉 煤层比较脆,而且存在着互相垂直的天然裂缝。煤层段水平井井壁失稳主要有两种类型:井壁坍塌和破裂。井壁坍塌主要出现在欠平衡钻井过程中,主要是由于井壁煤层的剪切破坏并伴有张性破坏所致。通常情况下,随着井眼角度的增加地层坍塌压力相应减小;随着井深的增加,煤层坍塌的敏感性也增大。对于煤层,井斜角在 10°~40°之间为易破层面,最可能发生坍塌。井壁破裂主要出现在排采生产过程中,主要是由于井壁煤体的张性破坏所致,随排采井井底压力下降地层有效应力增加,尤其当煤层气井进入产气高峰,井底压力接近于零,易引起井壁煤体破裂,随井深的增加(原始储层压力增加) ,煤层破裂的敏感性也增大。三交煤层气区块 3#煤和韩城煤层气区块 11#煤煤样产生张性破坏后均产生大量煤粉(见图 10) 。井壁出现张性破坏将产生的大量煤粉,伴随气、液流动将对排采设备造成卡泵威胁。 基质破裂产生煤粉 煤层气存在于煤的双孔隙系统中,煤的双孔隙系统为基质孔隙和裂缝孔隙。基质孔隙由孔隙大小来反映,是煤层气运移的通道;裂缝孔隙又称为割理,其不仅是储气空间,同时它又可使基质孔隙连通。排采引起煤层有效应力增加,将导致煤岩基质破裂,产生大量煤粉。随着煤层气的采动,有效应力(煤基质外力)增大,裂隙宽度减小,煤基质在有效应力作用下产生挤压破坏,产生煤粉;伴随流体压力降低,煤层气解吸,煤基质发生收缩,产生煤基质内力,裂隙宽度增大,解吸气体携带煤粉通过裂隙系统进入水平井筒。 (a) 三交煤层气区块 3#煤 (b) 韩城煤层气区块 11#煤 图 10 煤样张性破坏形态 of 效应力作用下,煤基质碎裂既包括脆性断裂,也包含塑性变形。在脆性断裂的情况下常形成角砾状构造;在塑性条件下,常出现流状构造和片状构造。在扫描电镜下观测到的基质破裂,煤的显微角砾状结构和团粒结构是脆性断裂的表现特点;而定向排列、鳞片状和揉皱镜面等多属于塑性变形的表现特征。从煤样的扫描电镜观测试验发现,煤体的碎裂结构以碎粒为多。它是由于煤体脆性断裂过程中基质块体之间相互摩擦和揉搓形成的。韩城3#煤煤样的断口碎裂结构图片可以看出碎粒的形状呈板条状(见图 11) ,碎粒定向紧密地排列,其特点是细碎煤屑沿一定方向近乎平行的排列,是煤体受压破坏后塑性流变的表现形式。 图 11 韩城 3#煤煤样基质破裂产生煤粉 像 11 of # s 辽宁工程技术大学学报(自然科学版) 第 30 卷 512 3 煤粉控制措施 防煤粉措施 煤层气水平井采用螺杆泵排采,其作用在于具有较大的携粉能力。对于煤粉体积分数小于 1%,颗粒粒径小于 5 粉溶液进入螺杆泵不会引起卡泵危险。为预防卡泵事故发生,采取螺杆泵吸入口接防砂尾管,并结合油套环空注水稀释煤粉质量分数的措施进行煤粉控制。防砂尾管筛眼直径为 5 排出水中煤粉体积分数达到 使用工作压力 5 高压泵进行油套环空注水,可确保煤层气井连续稳定降液。 现场实施效果 以鄂尔多斯盆地东缘三交煤层气区块 井排采初期水色清澈,排采 25 天开始产气,水色黑,煤粉质量分数增加至 3%,受煤粉干扰,卡泵停机,经检泵作业,捞出 1~ 10 径煤粉 36 L。随后采用防砂尾管结合油套环空注水稀释煤粉质量分数的控制措施,将煤粉质量分数控制在 下,促使排采连续稳定进行,检泵作业周期由原来的三个月延长至十二个月,气产量上升至16 000 m3/d。 沁水盆地南部 4 结 论 ( 1)煤层气水平井煤粉产出是导致检泵作业的主要因素,研究排采过程中煤粉产出规律便于科学合理的制定煤粉防控措施; ( 2)基于煤层气水平井煤粉产出规律研究,依据煤粉来源分类,分别提出了钻井残留煤粉,井壁失稳产生煤粉,煤基质破裂产生煤粉的机理; ( 3)使用防砂尾管杜绝大颗粒煤粉进入排采泵,并结合油套环空注水稀释煤粉浓度的煤粉防控措施能有效预防卡泵事故发生,使检泵周期延长。 参考文献: [1] 刘升贵 . 沁水盆地煤层气成藏条件及多分支水平井增产机理研究[D]. 北京 : 中国矿业大学(北京) ,2006. [2] 杨陆武 . 2006 年煤层气学术研讨会论文集 [C]. 北京 :地质出版社 , 2006:100[3] 刘升贵 . 煤粉浓度传感器开发研究报告 [R]. 北京 :中国矿业大学(北京) ,2010. [4] 叶建平 . 中国煤层气勘探开发进展综述 [J]. 地质通报 , 2006, 25( 9) : 1 07478. [5] 杨陆武 . 2007 年煤层气学术研讨会论文集 [C]. 北京 :地质出版社 , 2007:87[6] 鲜保安 . 多分支水平井在煤层气开发中的应用机理分析 [J]. 煤田地质与勘探 ,2005,33(6):34[7] C]. 2001:258] L , J. of [C]//. 6409). [9] A on [C]//. il 4709). [10] J, M, . to [C]//. [11] 鲜保安 ,孙 平 ,王一兵 . 煤层气水平井欠平衡钻井技术研究与应用[J]. 中国煤层气 ,2008,5(1):5[12] 饶孟余 ,杨陆武 ,张遂安 . 煤层气多分支水平井钻井关键技术研究 [J]2007,27(7):52
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