原始煤層壓裂井采氣中的技術管理

沈忠武

(鐵法煤業 (集團)有限責任公司,遼寧 112700)

1 引言

鐵煤集團現有運行的地面原始煤層壓裂井8口,平均日產氣2.5萬m3左右,單井平均日產量為3000m3,最高日產量達11106m3,抽采瓦斯濃度達98%以上。為加大煤層氣開發規模,鐵煤集團將在大興井田西部未開拓的區域逐年建造地面原始煤層壓裂井。本文結合鐵法煤田現有的8口原始煤層壓裂井采氣方面的經驗教訓,參照國外煤層氣開采的成功經驗,對原始煤層壓裂井采氣的技術管理提出了相應觀點,為今后鐵法煤田原始煤層壓裂井大力推廣應用奠定了技術管理基礎。8口壓裂井位置見圖1。

2 原始煤層壓裂井的采氣機理

原始煤層壓裂井技術是上世紀70年代美國在圣胡安和黑勇士盆地試驗地面開發煤層氣時,通過對常規油氣井建造技術進行改進,使地面開發煤層氣取得突破性進展而開發出來的一項新技術。我國于上世紀90年代引進了該項技術,并在全國部分高瓦斯藏區塊進行了試驗。

原始煤層壓裂井采氣機理是在沒有受到采動影響的含高瓦斯原始煤層中進行鉆進完井,并通過固井、射孔、壓裂方式,對低透氣性瓦斯儲層進行改造,使原始煤層產生人工裂隙,并用壓裂砂支撐人工裂隙形成瓦斯涌出通道,增加透氣性,利用排采設備進行排水卸壓,將大量的吸附性瓦斯解吸出來,使之成為可利用的清潔能源。

圖1 鐵法煤田壓裂井位置圖

原始煤層壓裂井主要設備：地面有游梁式抽油機、電機、開關柜、井口裝置、集水器、放水器等;井下設備有絲堵、砂錨、抽油泵、φ73mm油管,以上各部件按從下至上的順序依次連接下井,最后連接油管掛并將管柱懸掛在井口大四通上,擰緊頂絲。依次下活塞、φ19m抽油桿組合、光桿等抽吸桿柱設備,安裝井口,按泵掛深度提防沖距,將光桿通過方卡子懸掛在抽油機懸繩器上。整套設備是在游梁式抽油機的往復運轉下,通過抽油桿帶動井底活塞在泵筒內來回抽吸,而其中的凡爾控制液體只能向井筒上方運動,通過油管抽水,利用套管采氣。

3 原始煤層壓裂井采氣中的技術管理

3.1 采氣初期技術管理

原始煤層壓裂井的技術管理應從壓裂后放噴排液開始,保持井下高導流能力的人工裂縫。若壓裂后井口壓力未擴散完,可先裝針形閥控制放噴,開關大小根據產量和井口壓力、煤層情況而定,保證井口不出大量煤粉和壓裂砂前提下,排液量一般控制在2～4m3/h。待井口壓力降為零后,溢流量不大的情況下,安裝已選擇好的泵。

采氣初期,隨著井內液面的降低,井筒附近的地層壓力會逐漸降低并使氣和水向井筒方向流動,使井筒附近的含氣飽和度增高。隨著套管壓力的逐漸升高,井筒附近氣體的濃度也增大,如果在此時以很高的日產氣量進行投產,氣和水就會高速流向井筒,同時攜帶大量的煤粉及砂,從而造成煤粉及砂迅速堵塞微細裂縫,嚴重降低煤層裂縫的導流能力,影響該層的產氣量及產液量;同時,一部分煤粉及砂進入泵筒,造成煤粉及砂粒磨損泵筒或卡泵,另一部分煤粉及砂隨著液體到達地面,在地面流程中堆積,堵塞管線或儀表,造成檢泵和生產停止。因此,必須嚴格執行管理規程和作業程序。其作業程序為：

(1)關閉井口套管閥門;

(2)開機泵排地層水,使環空液面降低;

(3)嚴密監測泵的排量和環空液面,使液面每天下降10～20m,其目的是保持壓裂煤層形成一個穩定的高導流能力的裂縫;

(4)如果套管內出現高真空,應暫時打開套管閥門,使壓力趨于平衡;

(5)當液面降至泵的吸入口附近時,打開井口閥門,讓氣的產出速度能夠維持井口壓力基本穩定,從而有利于保持井底流壓,以防止氣和水產出時對地層的沖擊;若套管壓力下降過快,應調節或關閉閥門;

(6)連續監測套管壓力,通過逐漸調節井口閥門控制產氣量,保持套管壓力的基本穩定;

(7)當儲層壓力接近解吸壓力時要特別注意,這時易產生一個突變,表現為產氣量突然增大,套壓增大,環空液面突然下降。這一突變可能造成填砂裂縫的堵塞,影響煤層滲透性。所以,當儲層壓力接近解吸壓力時,適當放慢降液速度,控制套壓,并使儲層壓力緩慢下降。

3.2 排采技術指標的確定

由于煤層一般較淺,煤層的閉合壓力較低及煤體結構不同,所以合理的排采工作制度應在保證壓裂井內不出大量煤粉和壓裂砂的前提下,追求產氣量最大化。即用調節煤層水的產出來控制煤層氣的產出,使生產制度合理。調節實際上是生產壓差的控制,即用泵掛深度、泵徑、沖程、沖次以及抽汲時間、套管壓力及閥門等來控制生產壓差。

在已選好抽油機的情況下,確定壓裂井排采技術的指標是：泵掛深度、泵徑、沖程、沖次。確定指標的原則是在滿足排液的前提下優先考慮使用小泵徑、長沖程和小沖次 (4～10次/min),其優點是：

(1)可充分利用泵筒的有效長度,按比例地增加泵的排量。在地層供液能力充足的情況下,可降低液面,提高排液量。

(2)可降低單位時間內的沖程次數,減少振動載荷;還可減輕抽油桿磨損,從而延長其使用壽命。

(3)由于沖次減少,使得柱塞自上死點到下死點的時間增加,使煤層產出的砂及煤粉等有充分時間沉降。

(4)長沖程時柱塞運行速度變慢,有利于增強氣、砂錨的防氣和防砂效果,從而減輕泵的磨損,延長檢泵周期及泵的使用壽命。

3.3 泵掛深度選擇

對于壓裂井,要求液面接近煤層或降到煤層以下,這樣生產壓差就接近地層壓力。在排采初期,由于壓裂液未排完,水量較大,煤層中的游離砂也較多,因此泵的下入深度不易過深,以防卡泵。其排量要以不破壞煤層的原始狀態,不使煤層的割理系統受到損害為原則。當進入正常生產后,泵的下入深度在上部目的層,使液面盡量降到煤層以下,這有利于氣水在井內充分分離,防止氣鎖。但要保證“沉砂口袋”要有足夠的深度,防止埋泵。泵的排量初期以液面每天下降10～20m為宜,當液面降至吸口附近或煤層底板以下時應調整泵的工作制度,使泵的排量與地層來水相適宜。

3.4 生產壓差的選擇

(1)初選的生產壓差,要以不破壞煤層的原始狀態,不使煤層的割理系統受到損害,避免造成煤層大量出砂和煤粉以及煤層的坍塌為原則。

(2)使泵的排液能力與煤層的供液能力相適應,充分利用地層能量,保證環空液面均勻緩慢下降或穩定。

生產壓差的控制通過井口套壓的控制來實現,緩慢打開閥門,套壓下降,生產壓差增加,氣量上升;反之,減小打開閥門量,套壓上升,生產壓差減小,氣量降低。

3.5 井口套壓的技術管理

井口套壓的控制首先應考慮套管的抗壓強度。根據目前采用的φ139.7套管的屈服壓強是381～411MPa,井口套壓最高可憋至3.1MPa,大興井田12、13層煤的地層壓強約為1700psi,因此井內完全排空或完全關井憋壓均不會使套管變形。為獲得最大產氣量,應在條件允許的情況下盡量減小井口套壓。圖3為DT4井日產氣量與井口套壓力變化曲線圖,從圖上可以看出,產氣量與井口壓力井口套壓成反比。但當套壓降為零時,由于空氣密度大于甲烷的密度,空氣有可能進入井中,與煤層接觸發生氧化作用,形成薄氧膜阻止氣體的解吸,不利于煤層氣的產出,而且容易吐砂。但當生產壓差過大時,不利于氣體的解吸,會引起煤粉和煤層中壓裂砂的運移,從而堵塞孔隙,造成產氣量急劇下降。

綜合考慮,井底流壓應控制在一定的范圍內,排液時井口套壓不應低于0.01MPa,井口套壓合理工作范圍為0.2～1MPa,產氣量最穩定。

3.6 產氣的技術管理

在正常生產時,隨著排采的進行,水柱壓力的下降,在近井地帶形成一個很小的低含水飽和區,有助于解吸氣體流入井筒,此時,盡管產量低,但從長遠的觀點來看,不宜頻繁反復調整產氣閥門,要堅持連續穩定生產,避免過多地刺激地層,以防止吐砂和產氣通道閉合后無法再次開啟。需要關井,或修井后關井,產氣前均需將井口套壓憋至最高,穩定后再逐漸開啟產氣閥門,使產氣量緩慢逐漸增大,避免井內流壓變化過大損傷產氣層。

圖3 DT4井日產氣量與井口套壓變化曲線圖

3.7 防砂的技術管理

井內嚴重出煤粉和壓裂砂后,一是對井內外設備有損傷,造成檢泵周期大大縮短,增加排采成本;二是煤粉和壓裂砂運移堵塞產氣通道,反而使產氣量下降,嚴重時會使生產井報廢。

產氣量的增加會伴隨砂的涌出,煤層所出的砂分為游離砂和煤層裂隙支撐骨架砂,其中煤層游離砂的產出會起到疏通煤層孔隙、喉道作用,對提高煤層氣產能有利。但煤層骨架砂的產出,則可能導致煤層坍塌,使煤層造成堵塞和滲透性降低,甚至使井中套管變形和報廢。從這個角度看,井中適量出砂是不可避免并且是有利的。為防游離砂,目前我們采用以抽油泵掛接防砂管柱,即以保護排采設備為主。骨架砂的控制,主要從控制井底流壓著手,即制定相應的排采工作制度,使骨架砂的產出得到控制。水表誤差大說明在吐砂。要定期探砂面,進行撈砂,杜絕用清水泵洗。

4 原始煤層壓裂井采氣中注意的幾個問題

4.1 選擇合理的排采方式

對于低產水量的井 (日產水量小于50m3),選用便于調整產水量的設備,如變頻調速抽油機。對于產水量大的井 (日產水量大于100m3),加強排水降壓,選用螺桿泵、大直徑管式泵等。鐵法煤田所建造的壓裂井屬于低產水量的井,采用φ57mm或φ70mm管式泵能夠達到預期的效果。

4.2 要有足夠長的排采時間

排采時間的確定要考慮到煤層的產水量、地層壓力與臨界解吸壓力、煤層甲烷解吸時間、排采設備能力等影響因素。對于產水量大的井,需長時間的排采才能使壓力逐步下降,不可能在很短時間內將液面降低到要求的范圍。因此,有的供液能力強的井,需要一個很長的排采周期。生產實踐,DT5井排水一年后產量達3000m3/d。

4.3 縮短檢泵作業時間

一旦需要檢泵,在砂面不埋煤層的情況下最好不洗井,如必須洗井用壓裂井產出的水,防止煤層污染。盡量縮短檢泵作業時間,可縮短恢復產氣的時間。

4.4 新投產的壓裂井加密檢井周期

新井投產后,為了掌握吐砂量及根據排水產氣情況調整泵掛深度,加密檢井周期,經常檢泵撈砂,一般控制在60天左右進行一次檢井。

4.5 環空液面的監測

排采流壓的控制依靠控制液面來實現,要及時調整排采工作制度,使環空液面平穩下降。液面降至氣體解吸深度之前,每天測液面4～6次;液面降至接近氣體解吸深度,每小時測1次液面;在液面降至煤層附近,進入穩定生產階段,可2～3天測1次液面。

[1] 吳佩芳等.煤層氣開發的理論與實踐 [M].北京：地質出版社,2000.

[2] 趙慶波等.煤層氣地質與勘探技術 [M].北京：石油工業出版社,1999