煤层气井解堵工艺技术研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：任立昌（1985），男，汉族，陕西渭南人，本科，中国石化临汾煤层气分公司，高级工程师，煤层气勘探开发。-124-煤层气井解堵工艺技术研究 任立昌 宋关伟 蒲 飞 吴仙忠 中国石油化工股份有限公司临汾煤层气分公司，山西 临汾 041000 摘要：摘要：目前国内在大力开发非常规资源，煤层气的勘探开发力度不断加强，煤层气储层具有低孔低渗特性，开发过程中均需要开展压裂工作，部分煤层气田成功试验大规模压裂，不断创造排量、液量、加砂量新高，这给煤层气在后期排采带来诸多问题。在煤层气的开采过程中，往往会面临着煤层气井地层堵塞问题，造成产量下降，持续低产，为提高煤层气井产量，需要分析造成堵塞的原因，制定解决策略。本文基于煤层气井产水特征、水质分析等分析，明确造成堵塞的主要原因，制定针对性措施，提升煤层气井采收率。关键词：关键词：煤层气；解堵工艺；技术应用；采收率 中图分类号中图分类号：TE358 0 引言 煤层气开采的过程十分复杂，需要应用相应的技术手段来解决开采难题，进而实现良好的开采效果。煤层气井堵塞是影响排采效果的重要因素，造成煤层堵塞的原因有多种，随着排采的进行，流体运移煤粉，渗流通道很容易被堵塞，而堵塞多发生泵筒及炮眼附近的近井地带。本文就煤层气井开采中，气井煤层堵塞的原因进行深入分析，结合排采井过程特征，寻找规律，研究制定措施，开展现场应用，效果显著。1 煤层气井排采规律 煤层气井普遍具有低压、低渗、低孔的“三低”特征，而随着煤层埋藏深度的增加，“三低”特征更加明显突出，我国大多数煤层埋藏较深，直接采取降压解析采气难度极大，国内目前开采煤层气多采用多分支水平井、大规模压裂等工艺进行增产。不过，无论采取某种方式进行增产改造，也会出现改造效果不理想的情况。目前煤层气井多采用大规模压裂工艺技术进行增产，大规模压裂排量高、压力高，冲击煤储层使得大量原生煤破碎，形成不同粒径的煤粉微小颗粒，排采时极易堵塞产气通道，大规模压裂还会造成套管损伤，大量煤粉、甚至煤块都会涌入井筒，给后期排采煤粉运移创造有利条件。煤层气井排采需要经历排水降压采气的过程，在排采过程中，控制排采速度非常重要，合理的排采制度能够降低吐砂、吐煤粉的情况，减轻对煤储层的伤害。排采初期液量大，也是煤粉和压裂砂返吐进入井筒的高峰期，此时一定要注意产水变化情况，尽量多的带出井筒煤粉，洗刷产气通道，为后期排采稳产上产创造有利条件。产液量和水质的变化能够在一定程度上为我们制定合理的排采制度提供依据，排采初期主要以排水降压为主，速度控制在 20-100m3/d，初期产气降低速度，控制在 10-20m3，进入正常采气阶段，产液量随之降低，控制在 10m3/d 以内。而在水质上，排采初期主要以压裂液为主，矿化度较低，随着排采的持续深入，煤层原水产出，矿化度随之增大，产液量降低，产气量增大。产液量和水质影响着煤层的渗流通道的变化，早期产液量过大、水质矿化度低时，煤储层大量吐砂、吐煤粉，煤粉运移造成微裂缝堵塞；后期产液量小造成煤粉运移困难，不能排出井筒，后期的高矿化度造成煤层温度、压力变化，进而导致结垢堵塞煤层。因此，无论是在排采井整个寿命的早期、中期、后期，都可能造成煤层气井堵塞，研究堵塞原因尤为重要。2 煤层气井地层堵塞的原因 煤层气的排采工艺十分多样化，抽油机、电潜泵、螺杆泵、气举等工艺均可应用于现场，不同的开采工艺，其主要目的均为排水降压。在煤层气排采降压的各个阶段，都具有不同的渗流特征，排采速度的控制尤为重要，速度控制不佳，煤粉大量运移，就会堵塞产气通道，影响开采速度和开采效率。而煤层气地层堵塞的原因也是多方面的，主要体现在几个方面：一是钻井、压井、修井过程中的使用含有不同化学物质的钻井液以及压井液与煤层不配伍；二是机械杂质造成的堵塞，机械杂质引起的堵塞主要发生于井壁或附中国科技期刊数据库 工业 A-125-近地层，杂质颗粒的大小与浓度与地层的受伤害程度成正比；三是结垢堵塞，由于压裂液中悬浮物质、微生物及代谢产物的存在，压裂过程中注入水和地层水由于条件的变化，煤层本身的黏土矿物膨胀都会造成结垢；四是有机物和细菌造成的地层堵塞，压裂注入大量清水，其中有机物和细菌进入地层，条件适宜将会大量繁殖，造成堵塞。以上几种原因归纳起来，可分为两种堵塞，一种是单纯的物理堵塞，即煤粉、外来杂质等的堵塞；一种是由于有机物及细菌侵入造成的结垢堵塞。3 煤层气井煤粉堵塞机理分析及其影响 煤层中含有大量煤粉，而其中绝大部分煤粉是煤层经长期构造运动演变而来的，另一部分则是后期经大规模压裂，压裂液、压裂砂冲刷造成的煤粉。煤层经大规模压裂后打通了渗流产气通道，压裂液携带压裂砂将煤层破碎后的煤粉运移至远端，当压裂结束进入排采阶段，远端煤粉随着压裂返排液及煤层原生水不断向井筒运移。当运移速度低于煤粉沉降速度，将会在煤层中段不断堆积，造成煤层阶段堵塞，另外，若排采过程中，由于杆断、油管穿孔等修井作业，煤粉会突然沉降，造成煤粉堵塞渗流通道，尤其在近井地带堵塞影响最大，产气量将会大幅下降。煤粉堵塞会对生产产生很大影响：一是随着煤粉逐步运移，最后可能导致裂缝无法支撑，在围岩及垂直作用力下最终垮塌，造成煤层产水及产气通道堵塞关闭，需要开展二次水力解堵或者重复压裂才能够再次打通产气通道；二是煤层中煤粉运移，逐步充填原孔隙吼道和压裂人工造缝，地层产液受影响，降压半径无法有效扩展，产液产气同步下降；三是排采期间会造成煤粉进入井筒，后期产液量降低后，无法有效带出较大煤粉颗粒，慢慢在油管、泵、井筒内堆积，造成卡泵、埋管柱等井下问题，中断正常排采，影响时率。经某气田统计，对近 3 年来造成修井的原因进行分析，发现有近一半原因为煤粉堵塞卡泵造成，部分井甚至数月内多次由于煤粉堆积卡泵修井。4 煤层气井结垢堵塞机理分析及其影响 煤层气井结垢堵塞也是造成煤层气低产低效的重要原因，经现场检泵发现，结垢成分与煤粉结合形成的粘稠状物体会严重堵塞渗流通道。因此，必须研究结垢机理及其成分，通过对垢样取样化验和分析，绝大部分垢样能够溶于盐酸，含有少量铁的成分，说明垢样为碳酸钙；同时，采用光谱仪测定后发现，排采水中 Ca 元素质量分数最高，如表 1 所示。阳离子主要有 Ca2+、Mg2+、K+、Na+，阴离子主要有 HCO3-、SO42-、Cl-。阳离子主要为 Na+，Ca2+浓度次之，如表 2 所示。结垢的 主 要 化 学 反 应 如 下：Ca2+2HCO3-Ca(HCO3)2，Ca(HCO3)2CaCO3+CO2+H2O。在热力学条件没有发生变化，平衡状态没有被打破的时候，会持续一种稳定的状态，此种情况下不会产生结垢，在煤层气井排水降压过程中，近井地带地层及井筒温度、压力、流体流态发生变化，打破了原有的平衡，随着流压及储层压力的不断降低，当水中 CO2分压低于 CaCO3溶解平衡所需要压力时，反应平衡会向右进行，形成 CaCO3结垢。表 1 垢样元素质量分数表 组分 含量百分比（%）Ca 76.393 Fe 17.164 Mg 0.332 Al 0.124 Si 0.342 P 0.008 S 2.344 Na 0.417 Mn 0.412 Cu 0.3 Zn 0.008 Sr 1.365 Ba 0.305 煤层结垢甚至较煤粉运移更加不利于排采，因结垢造成的堵塞也更加严重：一是造成煤粉与垢样结合形成黏性物质，阻碍煤层孔隙，尤其是近井地带更加容易被堵塞，影响产水产气通道，二是管杆被结垢后容易卡泵，且每次检泵后均能够在油管内壁和抽油杆外壁敲打到结垢样，管杆提出地面后容易与空气进一步反应剥离，管杆下入时会造成掉落井内，造成卡泵返工，增大检泵工作量。5 煤层气解堵工艺技术介绍与应用 表 2 排采水离子构成表（Bz）/（mg/L）Na K Mg2+Ca2+Cl-SO42-CO32-HCO3-16000.65 112.87 1858.22 7580.83 46750.00 1039.07 0.00 533.93 中国科技期刊数据库 工业 A-126-随着煤层气开采技术的进步，解堵工艺技术的发展也在不断深入。一是前置碱剂酸化解堵技术，设计原理是以碱剂处理半径为 1 米，酸液处理半径为 2 米，并结合注水井地层的实际情况，在碱剂注入前后分别注入隔离段塞，采用最大排量法使工作液在限压下尽量增大排量，使更多的地层得到改造；二是化学深穿解堵技术，该技术是指针对低渗透储层岩石孔道小，渗透率低，细菌堵塞及结垢堵塞严重等特点，应用化学深穿透解堵技术；三是水力脉冲化学复合增产技术。是通过地面发射高频脉冲波，不断震动的脉冲波将会松动近井地带堵塞物，经排采有效带出井筒，进而疏通产气通道；四是新型解堵剂，是一种强氧化剂，能使高分子的聚丙烯酰胺降解，对细菌的细胞壁有强烈的吸附能力与穿透能力，能够有效的消除聚合物、铁硫化物、微生物等对地层的堵塞；五是物理解堵，采用射流泵、自循环洗井和空心杆等新型排采工艺技术，增大地面设备排量，有效冲击井下结垢和煤粉颗粒，利用高流速液体带出煤粉，可避免井下煤粉堆积造成卡泵修井；六是电脉冲、电爆震等脉冲冲击波解堵，在水中高压放电产生冲击波，利用冲击波作用于油气层，从而实现油气储层的解堵。综上，前置酸化解堵技术普遍配套于压裂工艺同步实施，费用高，能够有效处置原始地层中的渗流通道堵塞问题；化学深穿透解堵技术应用酸液，费用大，也可能会造成管杆腐蚀的情况，现场操作需要大型设备，施工较复杂；水力脉冲技术能够有效震荡近井地带结垢及煤粉堵塞，疏通吼道，需要配合井下作业进行操作；新型解堵剂主要对细菌等微生物造成的堵塞进行针对性解堵，需要结合现场对症下药，才会起到较好效果；创新排采工艺技术，采用射流泵能够有效提高地面注入排量，能够适应各种粒径煤粉，空心杆掺水增大水流速度，有效携带微小煤粉颗粒，需要注重的是必须采用清澈水，防止煤粉死循环；脉冲冲击波解堵不掺杂外来物质，不会对气井造成污染，该工艺技术需要提出井内管柱，下入水力脉冲发生器或储能器等井下设备，对井下大规模垮塌重建渗流通道有着较为良好的工艺效果，但对原本良好的产气通道也会有一定的负面影响作用。6 解堵工艺技术研究应用 结合某气田现场实际情况，为解决煤粉及结垢造成的地层堵塞问题，需要合理选取工艺解决现场实际问题。根据排采规律，煤层排水采气必然携带煤粉，而造成煤粉堆积主要原因是排采后期无法有效携带出煤粉，导致堆积堵塞，提高液体流速，就能够将绝大多数煤粉颗粒带出井筒，疏通地层孔隙，解决煤粉堆积卡泵问题。煤粉卡泵主要有两种方式处理：一是针对中低产井，向油套环空注入清水，提高抽油机冲次，加大携砂携煤粉流速，带出井底长期积压煤粉，该工艺现场应用百余口井，检泵周期提升约 75%以上，取得明显效果，目前已在工区规模应用，成为主流解堵方法；二是针对高产井，向油套环空注水无法将水注入井底，会被高产气流携带出井筒，混合入气流程，采取空心杆代替抽油杆，将清水从空心杆内部注入泵筒，混合地层水提升至地面，能够有效解决高产气井无法注水问题，该工艺应用 2 口井，检泵周期明显延长。由于煤层的弱含水性，常规洗井漏失量大，难以将煤层堵塞物清理出井筒，注入清水会打破井内平衡，且效果不理想，仍然带不出堵塞物。氮气泡沫洗井工艺因其低密度能够轻易将煤粉悬浮起来，带出井筒，另外，虑失性比较低，针对煤层虑失量大的特点非常有效，能够有效将煤粉及其他堵塞物带出井筒，提高单井产量。工区内试验 3 口氮气泡沫解堵井，冲出大量煤粉颗粒及压裂砂，单井日均增产达一万方以上。前章所述，煤层气井结构成分主要为 CaCO3，而CaCO3与煤粉结合形成的黏状物非常难以清除，需要借助外力强制清理，采用冲击波增透解堵，将高能电磁波转换为液体激荡能量，不断冲击破碎堵塞物，还能够形成新的裂缝通道，扩展渗流通道。工区内开展冲击波增透解堵试验 20 余井，有效率高达 70%以上，平均增产约 500 方，最高可达 1000 方以上。7 结论 煤层气井排水降压采气的规律，显示了产气量和产液量此消彼长的一个过程，排采早期排采速度大，煤粉能够被带出井筒，不易运移堆积，后期随着产液量的降低势必会出现不同程度的堵塞问题，造成产气量下降、煤粉卡泵等一系列生产问题。中国科技期刊数据库 工业 A-127-本文对煤层气井结垢成因进行了分析，结垢主要成分为 CaCO3，选用脉冲冲击增透解堵工艺对结垢造成的堵塞具有较好的解堵效果。循环洗井适用于中低产井，能够有效带出井筒底部煤粉，防止卡泵修井，空心杆注水洗井适用于高产气井，解决气量大无法环空注水的问题，有效提高检泵周期。氮气泡沫洗井能够有效将煤粉及堵塞物清理出煤层，针对煤层因异常突变减产的堵塞有特别好的效果。冲击波增透解堵能够有效解决煤层气井因结垢导致的堵塞问题，对采用常规手段无法有效改善的井有良好效果，且因能够产生新的裂缝通道，具有较大的推广空间。参考文献 1乔林胜,白海涛,马云,郭学辉,白远.煤层气解堵工艺技术研究J.西安石油大学学报:自然科学版,2021(19):142-142.2李辰辉.关于对煤层气解堵技术的实施策略J.石油化工,2021(19):142-142.3贺用安,张俊杰.关于对煤层解堵工艺的实施J.环球市场,2020(1):15.4魏迎春,张劲,曹代勇,孟涛,崔茂林,王安民.煤层气开发中煤粉问题的研究现状及研究思路J.煤田地质与勘探,2020,48(6):116-124.5许耀波.煤层气水平井煤粉产出规律及其防治措施J.煤田地质与勘探,2016,44(1):43-45.6张公社,田文涛,陶杉,白建梅,石惠宁,程浩.煤层气储层煤粉运移规律试验研究J.石油天然气学报,2019,33(9):105-107.7贺雪红,杨嫱,刘伟.水力脉冲解堵技术的实践探讨J.化工管理,2017(9):117-118.