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煤层气井空气造穴工艺的实践与认识

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煤层 气井 空气 工艺 实践 认识
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0 前言空气造穴完井是煤层气井所特有的完井方式 ,目前在国内一些地区已经得到有效应用 , 并取得一定效果[1,2]。 空气造穴技术是一种行之有效的完井技术 , 但是这种技术也有其局限性 , 不是适合所有煤层 。由于我国各地区具有不同的地质条件 ,不能完全照搬 。 空气造穴完井的原理是利用空气钻机钻穿煤层后 ,通过配备的几台大功率的空压机 、增压机以及相应的地面 —井筒管路系统 ,将大量空气压入井内 ,通过多次的快速蹩压和放喷 , 造成剧烈的井内压力激动 ,使井筒附近的煤层边缘受到一定程度的破坏 ,产生坍塌和剥落 ,逐渐形成洞穴 ,从而加大了煤层的暴露面积 ,提高井眼周围割理裂缝的渗透性 ,增大地层的导流能力 , 使井眼与地层之间实现有效连通而达到增产的目的 。1 洞穴完井的基本要素洞穴工艺实质上是利用气体压缩所具备的弹性能量 ,在能量聚集和释放的过程中 ,转化为高速的气体流速 。 高速的流体必然对裂缝的壁面产生强大的拖动力 ,从而产生张性裂缝和剪切裂缝 。洞穴完井的三要素包括 : 一是煤层渗透率高 , 一般要在 10~20二是地层压力系数高 , 一般地层压力系数 >是煤层厚度大 ,一般要求在 6m 以上 。第一 、高渗透率成为洞穴工艺的首要条件 。其原因如下 :①高渗代表空气注入的通道宽而远 , 空气弹性煤层气井空气造穴工艺的实践与认识熊德华1,王珊珊2(北京 100011;北京 100083)摘 要 :空气造穴完井是煤层气井所特有的一种行之有效的完井方式 ,目前在国内外一些地区已经得到有效应用 ,并取得一定效果 ,尤其是在美国的圣胡安盆地 。 但是这种技术也有其局限性 ,对地质和储层条件要求高 ,所以在采用该工艺时 ,不可完全照搬 。 我国的山西寿阳地区的煤层厚度较大 ,含气量较高 ,具有较好的渗透率 ,且完井深度较浅 ,使该工艺得以成功实施 ;而沈北地区虽然煤层较厚 ,但渗透率低 ,并受到煤层顶板油页岩物性的影响 ,空气造穴作业后的返出物体中有大量的顶板油页岩 ,说明该井的顶板坍塌很严重 ,这对完井后的排采工作带来极大的隐患和风险 ,因此 ,需考虑区内的特殊储层地质条件 ,对该项技术进行深入的研究 ,从而提出改进方法 。关键词 ::煤层气 ;空气造穴 ;完井 ;实践 ;沈北地区中图分类号 : 献标识码 : 国家 863 专题课题 (2006作者简介 :熊德华 (1964—),男 ,高级工程师 ,从事煤层气勘探开发工作 。收稿日期 :2010唐锦秀. 00011;2. 00083)is of BM in in So it t in is we t to it is to it is in of to to 煤 炭 地 质F 2 02010第 22 卷 10 期2010 年 10 月文章编号 :1674-1803(2010)10-0026-02能量的作用范围 、力度会充分的发挥 。②高渗透率造成在单位长度的距离内压力梯度小 ,使煤层的剥离 、垮塌的程度变小 。③煤层渗透性主要受控于煤层本身割理裂隙发育情况 , 通过造穴可形成煤层与人工井底的有效联通 ,煤层中水和气靠煤层自身的渗透性 ,便能够顺利产出 。第二 、由于超压与游离气的存在 ,可以在注气 、激动作业同期完成后 , 通过关井形成游离气的快速压力恢复 , 然后放压释放从而可以起到注气工艺的作用力度 。 另外 ,煤层本身压力较高 ,能够有足够的能量使水 、气产出 。第三 、 足够的煤厚减少了裂缝产生的边界阻碍因素 。煤层厚度大 ,能够保证在不破坏煤层顶底板的前提下 ,通过外力形成一个满足条件的洞穴井底 ,同时厚度大 ,也能够形成更大的渗流面积 。当然 ,要发挥气体的弹性能量 ,煤层的含气量和含气饱和度也是非常重要的因素 。 在同样的注气压力下 ,高孔隙度可以保证有更大更远的气体充满度 。2 国圣胡安煤层气井的产能取决于诸多的影响因素 , 其中煤层渗透性极其重要 。 美国的煤储层渗透性普遍较好 ,一般为 00圣胡安 、黑勇士盆地煤层渗透率一般为 3~20穴完井技术起源于美国西部圣胡安盆地 。 上世纪八十年代 ,在该地区的煤层气开采过程中 ,针对该地区煤储层渗透率高 、煤层易坍塌和高压等情况 ,通过对煤层气增产措施的研究 , 提出了洞穴完井技术 。通过多年来的实践应用 ,使得空气动力洞穴裸眼完井技术在圣胡安盆地得到很大发展 , 成为该地区的煤层气开采中最为关键的技术之一 , 利用该技术完井的煤层气井产量是射孔压裂井的 5~10 倍 。另外 ,圣胡安盆地煤储层中存在游离气 ,这样的煤储层条件对于洞穴完井工艺的实施是极其有利的 。 这一得天独厚的条件在世界上可能也是绝无仅有的 , 使美国圣胡安高产走廊区成为世界洞穴立井工艺成功范例 。西寿阳区块寿阳地区位于沁水盆地东北缘 , 主要含煤地层为山西组和太原组 ,3 号 、15 号煤层为主要目标层 。3煤厚度 5 煤厚度 3~4m;煤层一般埋深在500~600m。造穴煤层为 15#煤 , 以无烟煤 Ⅱ 号为主 , 硬度大 、块状 ,煤体结构以原生结构为主 ,15#煤层顶底板以泥岩 、砂质泥岩为主 ,泥质胶结 ,致密 ,封闭性好 。根据该区以往的煤田地质勘探资料 , 施工区煤层气含量 (可燃基 )很高 ,一般在 10~20m3/t;实测 15#煤层渗透率在 1上 。远东能源公司借鉴美国的洞穴完井技术在寿阳地区完成了 4 口井的造穴试验 , 具体施工方法是造穴前先钻穿煤层 ,下套管完井 ,其中 15 号煤层井段下入玻璃钢套管 ,完井后下磨鞋把玻璃纤维管磨掉 ,然后把煤层射穿再进行造穴 。 主要设备采用美国空气钻机 ;同时安装 2 台空气压缩机 ,风量为 力 主要作用是用于往井筒中注入空气进行造穴以及试压等作业 ;再安装增压机 1 台 ,其流量为 定排气压力 10主要作用是在造穴中用于增加气体的压力 。 在造穴施工中通过钻机的顶驱向井筒中注入空气 , 然后进行憋压和放喷作业 ,共进行了五次注气 、憋压和放喷循环作业 ,最高注入压力为 6试验情况看 , 经过洞穴完井工艺施工的 4 口煤层气生产井 ,在造穴前不产气 ,造穴后经过后期排采 ,产能比先期套管射孔完井时高出 1~2 倍 ,取得了较为满意的效果[2]。分析其成功的原因 ,主要是该区煤层厚度较大 ,含气量较高 ,具有较好的渗透率 。 另外 ,由于完井深度较浅 ,设备具有的注气压力超过了煤层破裂压力 ,使煤层发生张性和剪切破裂 , 形成了更大范围的破碎带 ,从而使煤层内一些处于封闭 、半封闭状态的原始微裂缝相互沟通 ,提高了煤层的渗透率 。储层物性对洞穴完井的影响沈北煤层为褐煤 ,煤层厚度大 ,一般为 12m 左右 ,灰分产率在 40%左右 ,煤在空气中放置 1~2 个月后风化成粉煤 。 另外 , 煤层渗透率低 , 右 。 这种煤层条件会形成如下三种情况 :①空气注入时 ,注入压力高 ,注入范围小 。 ②由于渗透率特低 , 在压力释放时煤层洞壁的压力梯度特别大 ,非常容易造成洞壁大规模的垮塌 。③由于煤层灰分较大 ,在水的作用下 ,煤层结构强度大幅度降低 ,水的侵入进一步扩大了洞壁的压力梯度 。因此 ,本区洞穴半径可能要远远高于其它地区 , 过大的洞穴半径对煤层的支撑能力就会大幅度降低 。熊德华 ,等 :煤层气井空气造穴工艺的实践与认识(下转第 61 页 )2710 层顶底板岩性对洞穴完井的影响沈北煤田的煤层顶板为油页岩 , 其厚度一般在70~140m,遇水极易水化垮塌 。 煤层顶底板和煤层内凝灰质成份含量较高 ,造成岩层抗水化能力极弱 。而且洞穴完井工艺中包括有加水的工序 , 非常容易造成顶板和煤层大规模垮塌 ,最终造成冲孔非常困难 ,工程进展受到极大影响 。工工艺对洞穴完井的影响在沈北煤层气井的工程施工过程中 , 由于没有考虑其特殊的储层地质特征 , 仅是简单照搬美国洞穴完井工艺 ,造成了一系列的技术难题 。 包括 :①煤层裸露面积过大 ,造成大面积垮塌 ,加大了冲孔难度 。顶板失去支撑后极易坍塌 ,造穴时易出现套管变形 ,使钻具断落井内 ,加大了工程风险 。②注气作业中采用加水工艺 , 可能产生两个直接后果 :一是造成煤层和顶板油页岩遇水变软 ,结构强度降低 ,更进一步加剧了煤层的垮塌 ;二是造成气举返屑能力大大降低 ,直接造成排屑困难 。③造穴施工过程中注气能力不足 。 增压机的供气能力仅为 加水的条件下 ,很难满足钻具的空气返屑能力要求 。如果不加水 ,又可能出现井底煤层气爆燃或环形空间堵塞等工程问题 。④造穴施工过程中注气压力不足 。 由于注气压力最高为 12煤层深度为 923m,煤层的破裂压力为 15~16然进行了 5 个周期的注入 、憋压 、放喷的循环作业 ,但由于注气压力达不到破裂压力 ,气体很难完全进入煤层 。其主要原因是使用的增压机 、空压机最高极限压力为 15在实际应用中考虑到安全因素不可能超过 15因此 ,也就不会到达理想的效果 。3 认识和建议①空气造穴工艺比较复杂 ,技术要求高 ,操作难度大 ,危险性大 ,风险性高 。②洞穴完井工艺对地质和储层条件有很高的要求 。 沈北地区虽然煤层较厚 ,但由于渗透率低 ,与美国圣胡安盆地相差较大 ,因此 ,不可完全照搬美国的洞穴完井技术 ,应对该项技术进行深入的研究 。③由于受到煤层顶板油页岩物性的影响 , 再加上设备能力和认识上的原因 , 虽然在沈北煤田比较成功地应用了空气造穴技术 , 但洞穴完井还没有真正实现井底压力激动或煤层内部的应力波动 , 洞穴远端的微裂纹还没有完全受到周期性的张性和剪切力作用影响 。④沈北煤田空气造穴作业后的返出物体中有大量的顶板油页岩 ,说明该井的顶板坍塌很严重 ,甚至掏空了技术套管尾管的下部 , 这对完井后的排采工作带来极大的隐患和风险 。因此 ,遇到这样岩性的顶板 ,套管完成深度应该更接近于煤层 ,甚至直接完成于煤层顶部之上 。⑤空气造穴完井过程中 , 由于煤层被多次激励坍塌错动 ,产生了大量煤粉 ,因此 ,在排采作业时要充分考虑煤粉的排出工艺 , 以及煤粉沉淀后增加修井作业等程序 。参考文献 :[1] 莫日和 .煤层气井造穴技术的实践与研究 [J].中国煤层气 ,2007,4(3):352] 黄勇 ,熊涛 .洞穴完井工艺在寿阳地区煤层气钻井中的应用 [J].中国煤炭地质 ,2008,20(2):61 结语①选用正确的地球物理勘察方法对滑坡地质灾害的勘察 、治理具有很好的指导意义 。针对滑坡地质灾害采用的地球物理勘察方法 , 高密度电阻率法是一种分辨率高 、施工快捷 、信息量大的电探方法 ,能较准确地判别滑坡的性质 、确定滑移面深度 。②地下水位变化是诱发地质灾害发生的重要因素 。 在建设过程中 ,避免砍伐地表的原始植物 ,防止水土流失 , 同时还应注意做好山区建筑物附近的排水设施 。参考文献 :[1] 王兴泰 M]地质出版社 ,1996.[2] 单娜琳 ,程志平 ,等 M]冶金工业出版社 ,2006.[3] 刘传正 M]地质出版社 ,2000.[4] 方大为 ,胡斌 ,等 R]湖南省煤田地质局物探测量队 ,等 :滑坡灾害与处治效果的地球物理勘察应用研究!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!(上接第 27 页 )61
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