原始煤层压裂井采气中的技术管理

2010-02-13沈忠武

中国煤层气 2010年1期

沈忠武

(铁法煤业 (集团)有限责任公司,辽宁 112700)

1 引言

铁煤集团现有运行的地面原始煤层压裂井8口,平均日产气2.5万m3左右,单井平均日产量为3000m3,最高日产量达11106m3,抽采瓦斯浓度达98%以上。为加大煤层气开发规模,铁煤集团将在大兴井田西部未开拓的区域逐年建造地面原始煤层压裂井。本文结合铁法煤田现有的8口原始煤层压裂井采气方面的经验教训,参照国外煤层气开采的成功经验,对原始煤层压裂井采气的技术管理提出了相应观点,为今后铁法煤田原始煤层压裂井大力推广应用奠定了技术管理基础。8口压裂井位置见图1。

2 原始煤层压裂井的采气机理

原始煤层压裂井技术是上世纪70年代美国在圣胡安和黑勇士盆地试验地面开发煤层气时,通过对常规油气井建造技术进行改进,使地面开发煤层气取得突破性进展而开发出来的一项新技术。我国于上世纪90年代引进了该项技术,并在全国部分高瓦斯藏区块进行了试验。

原始煤层压裂井采气机理是在没有受到采动影响的含高瓦斯原始煤层中进行钻进完井,并通过固井、射孔、压裂方式,对低透气性瓦斯储层进行改造,使原始煤层产生人工裂隙,并用压裂砂支撑人工裂隙形成瓦斯涌出通道,增加透气性,利用排采设备进行排水卸压,将大量的吸附性瓦斯解吸出来,使之成为可利用的清洁能源。

图1 铁法煤田压裂井位置图

原始煤层压裂井主要设备：地面有游梁式抽油机、电机、开关柜、井口装置、集水器、放水器等;井下设备有丝堵、砂锚、抽油泵、φ73mm油管,以上各部件按从下至上的顺序依次连接下井,最后连接油管挂并将管柱悬挂在井口大四通上,拧紧顶丝。依次下活塞、φ19m抽油杆组合、光杆等抽吸杆柱设备,安装井口,按泵挂深度提防冲距,将光杆通过方卡子悬挂在抽油机悬绳器上。整套设备是在游梁式抽油机的往复运转下,通过抽油杆带动井底活塞在泵筒内来回抽吸,而其中的凡尔控制液体只能向井筒上方运动,通过油管抽水,利用套管采气。

3 原始煤层压裂井采气中的技术管理

3.1 采气初期技术管理

原始煤层压裂井的技术管理应从压裂后放喷排液开始,保持井下高导流能力的人工裂缝。若压裂后井口压力未扩散完,可先装针形阀控制放喷,开关大小根据产量和井口压力、煤层情况而定,保证井口不出大量煤粉和压裂砂前提下,排液量一般控制在2～4m3/h。待井口压力降为零后,溢流量不大的情况下,安装已选择好的泵。

采气初期,随着井内液面的降低,井筒附近的地层压力会逐渐降低并使气和水向井筒方向流动,使井筒附近的含气饱和度增高。随着套管压力的逐渐升高,井筒附近气体的浓度也增大,如果在此时以很高的日产气量进行投产,气和水就会高速流向井筒,同时携带大量的煤粉及砂,从而造成煤粉及砂迅速堵塞微细裂缝,严重降低煤层裂缝的导流能力,影响该层的产气量及产液量;同时,一部分煤粉及砂进入泵筒,造成煤粉及砂粒磨损泵筒或卡泵,另一部分煤粉及砂随着液体到达地面,在地面流程中堆积,堵塞管线或仪表,造成检泵和生产停止。因此,必须严格执行管理规程和作业程序。其作业程序为：

(1)关闭井口套管阀门;

(2)开机泵排地层水,使环空液面降低;

(3)严密监测泵的排量和环空液面,使液面每天下降10～20m,其目的是保持压裂煤层形成一个稳定的高导流能力的裂缝;

(4)如果套管内出现高真空,应暂时打开套管阀门,使压力趋于平衡;

(5)当液面降至泵的吸入口附近时,打开井口阀门,让气的产出速度能够维持井口压力基本稳定,从而有利于保持井底流压,以防止气和水产出时对地层的冲击;若套管压力下降过快,应调节或关闭阀门;

(6)连续监测套管压力,通过逐渐调节井口阀门控制产气量,保持套管压力的基本稳定;

(7)当储层压力接近解吸压力时要特别注意,这时易产生一个突变,表现为产气量突然增大,套压增大,环空液面突然下降。这一突变可能造成填砂裂缝的堵塞,影响煤层渗透性。所以,当储层压力接近解吸压力时,适当放慢降液速度,控制套压,并使储层压力缓慢下降。

3.2 排采技术指标的确定

由于煤层一般较浅,煤层的闭合压力较低及煤体结构不同,所以合理的排采工作制度应在保证压裂井内不出大量煤粉和压裂砂的前提下,追求产气量最大化。即用调节煤层水的产出来控制煤层气的产出,使生产制度合理。调节实际上是生产压差的控制,即用泵挂深度、泵径、冲程、冲次以及抽汲时间、套管压力及阀门等来控制生产压差。

在已选好抽油机的情况下,确定压裂井排采技术的指标是：泵挂深度、泵径、冲程、冲次。确定指标的原则是在满足排液的前提下优先考虑使用小泵径、长冲程和小冲次 (4～10次/min),其优点是：

(1)可充分利用泵筒的有效长度,按比例地增加泵的排量。在地层供液能力充足的情况下,可降低液面,提高排液量。

(2)可降低单位时间内的冲程次数,减少振动载荷;还可减轻抽油杆磨损,从而延长其使用寿命。

(3)由于冲次减少,使得柱塞自上死点到下死点的时间增加,使煤层产出的砂及煤粉等有充分时间沉降。

(4)长冲程时柱塞运行速度变慢,有利于增强气、砂锚的防气和防砂效果,从而减轻泵的磨损,延长检泵周期及泵的使用寿命。

3.3 泵挂深度选择

对于压裂井,要求液面接近煤层或降到煤层以下,这样生产压差就接近地层压力。在排采初期,由于压裂液未排完,水量较大,煤层中的游离砂也较多,因此泵的下入深度不易过深,以防卡泵。其排量要以不破坏煤层的原始状态,不使煤层的割理系统受到损害为原则。当进入正常生产后,泵的下入深度在上部目的层,使液面尽量降到煤层以下,这有利于气水在井内充分分离,防止气锁。但要保证“沉砂口袋”要有足够的深度,防止埋泵。泵的排量初期以液面每天下降10～20m为宜,当液面降至吸口附近或煤层底板以下时应调整泵的工作制度,使泵的排量与地层来水相适宜。

3.4 生产压差的选择

(1)初选的生产压差,要以不破坏煤层的原始状态,不使煤层的割理系统受到损害,避免造成煤层大量出砂和煤粉以及煤层的坍塌为原则。

(2)使泵的排液能力与煤层的供液能力相适应,充分利用地层能量,保证环空液面均匀缓慢下降或稳定。

生产压差的控制通过井口套压的控制来实现,缓慢打开阀门,套压下降,生产压差增加,气量上升;反之,减小打开阀门量,套压上升,生产压差减小,气量降低。

3.5 井口套压的技术管理

井口套压的控制首先应考虑套管的抗压强度。根据目前采用的φ139.7套管的屈服压强是381～411MPa,井口套压最高可憋至3.1MPa,大兴井田12、13层煤的地层压强约为1700psi,因此井内完全排空或完全关井憋压均不会使套管变形。为获得最大产气量,应在条件允许的情况下尽量减小井口套压。图3为DT4井日产气量与井口套压力变化曲线图,从图上可以看出,产气量与井口压力井口套压成反比。但当套压降为零时,由于空气密度大于甲烷的密度,空气有可能进入井中,与煤层接触发生氧化作用,形成薄氧膜阻止气体的解吸,不利于煤层气的产出,而且容易吐砂。但当生产压差过大时,不利于气体的解吸,会引起煤粉和煤层中压裂砂的运移,从而堵塞孔隙,造成产气量急剧下降。

综合考虑,井底流压应控制在一定的范围内,排液时井口套压不应低于0.01MPa,井口套压合理工作范围为0.2～1MPa,产气量最稳定。

3.6 产气的技术管理

在正常生产时,随着排采的进行,水柱压力的下降,在近井地带形成一个很小的低含水饱和区,有助于解吸气体流入井筒,此时,尽管产量低,但从长远的观点来看,不宜频繁反复调整产气阀门,要坚持连续稳定生产,避免过多地刺激地层,以防止吐砂和产气通道闭合后无法再次开启。需要关井,或修井后关井,产气前均需将井口套压憋至最高,稳定后再逐渐开启产气阀门,使产气量缓慢逐渐增大,避免井内流压变化过大损伤产气层。

图3 DT4井日产气量与井口套压变化曲线图

3.7 防砂的技术管理

井内严重出煤粉和压裂砂后,一是对井内外设备有损伤,造成检泵周期大大缩短,增加排采成本;二是煤粉和压裂砂运移堵塞产气通道,反而使产气量下降,严重时会使生产井报废。

产气量的增加会伴随砂的涌出,煤层所出的砂分为游离砂和煤层裂隙支撑骨架砂,其中煤层游离砂的产出会起到疏通煤层孔隙、喉道作用,对提高煤层气产能有利。但煤层骨架砂的产出,则可能导致煤层坍塌,使煤层造成堵塞和渗透性降低,甚至使井中套管变形和报废。从这个角度看,井中适量出砂是不可避免并且是有利的。为防游离砂,目前我们采用以抽油泵挂接防砂管柱,即以保护排采设备为主。骨架砂的控制,主要从控制井底流压着手,即制定相应的排采工作制度,使骨架砂的产出得到控制。水表误差大说明在吐砂。要定期探砂面,进行捞砂,杜绝用清水泵洗。