阜新地区煤层气井清砂作业分析

姚 锦

(中石油长城钻探工程有限公司煤层气开发公司, 辽宁 124010)

1 概述

煤层气是一种低压低渗气藏, 目前开采方式基本上都必须通过压裂 (加砂) - 排水- 降压- 采气的流程进行开采。在实际开采过程中, 随着煤层开采时间的变化和开采制度的不同, 煤层出砂现象对煤层气开采有着很大的影响。根据煤层气开采的特点, 排采管柱的吸入口一般都在煤层以下, 煤层一旦出砂后, 随着生产时间的延长, 井底积砂越来越多, 砂面不断上升以致掩埋吸入口造成检泵施工,严重时甚至造成砂卡管柱钻大修的井下事故, 而煤层漏失、井底砂和煤粉胶结的一些特性给清砂作业带来了很多难题, 不但增加了作业工作量和作业费用, 而且还容易污染煤层影响产气量。所以只有有效的解决好该问题, 煤层气才能实现长期有效、低成本开采的目标。

中石油长城钻探工程公司煤层气开发公司自2006 年在阜新地区开发煤层气以来已有5 年的时间, 清砂工作经历了由新井压裂到排采稳定期的不同阶段。在清砂的工作中采用了多种不同的方法并研制新改进了一些捞砂工具, 目前已较好的解决了该问题。

2 煤层出砂机理

煤层气井砂子的来源主要有两个： 一个是压裂施工中添加的石英砂等支撑剂; 另一个是选层射孔时射开煤层附近的砂岩层。

煤层出砂的主要机理是地层中的松散砂粒在生产压差的驱动下, 随着产出液流向井筒, 一部分被产出液携带至井口产出, 一部分由于密度差沉淀到井底, 造成井底积砂。地层出砂没有明显的深度界线, 一般来说, 地层应力超过地层强度就有可能出砂。地层强度取决于地层胶结的胶结力、圈闭流体的粘着力、地层颗粒物之间的摩擦力以及地层颗粒本身的重力。地层应力包括地层结构应力、上覆压力和流体流动时对地层颗粒施加的推拽力, 还有地层空隙压力和生产压差形成的作用力。由此可见,地层出砂是由多种地层因素决定的, 但是在实际排采时通过采用合理的排采制度和防砂工具等措施可以有效的减缓地层出砂的速度和砂卡排采泵的机率。

3 阜新地区情况简介

阜新地区未采区块的煤层气井全部都是经过压裂投产后开采的, 由于阜新地区煤层较厚, 导致压裂时加砂量较大 (详见表1) , 所以给排采期间的清砂工作带来了很大的工作量。目前阜新地区煤层气井常用的清砂方法有两种： 水力冲砂和和机械捞砂。下面就以阜新区块为例对上述两种清砂方法进行说明。

表1 阜淅地区出砂情况表

4 水力冲砂

所谓水力冲砂就是利用高速流动的液体将井底砂柱冲散, 并借用液流循环上返的携带能力将冲散的砂子带到地面,从而清除井底的沉砂的方法。水力冲砂可分为正冲砂、反冲砂和正反冲砂,所谓正冲砂是指冲砂液沿着油管(冲砂管)向下流动,在流出油管时,以较高的流速冲散砂堵,被冲散的砂子与冲砂液混合一起沿着油管和套管的环形空间返至地面的冲砂方法;反冲砂是指冲砂液沿着油管(冲砂管)与套管环形空间向下流动,冲击井底沉砂,被冲散的砂子与冲砂液混合在一起沿着油管(冲砂管)返至地面的冲砂方式。正反冲砂就是采用正冲的方式冲散砂堵,并使其呈悬浮状态,然后迅速改用反冲洗,将砂子带到地面的冲砂方式。根据煤层的特性,我们认为正冲砂的方式比较适合煤层冲砂。

4．1 正冲砂施工

在煤层正冲砂施工中,我们在以下两种井况下进行了实施：第一种情况是在新井压裂后清砂;第二种情况是井筒砂柱较长且硬,机械捞砂工作量大。经实施后都取得了较好的效果,总结如下经验：

(1) 冲砂时尽量采用排量较大的压裂泵车或大排量联泵 (两台以上的普通泵车) 冲砂, 避免因严重井漏、砂量大造成卡管柱事故。

(2) 冲砂液要选用地层水或清水, 尽量减小对煤层的污染和堵塞。

(3) 不建议把油井冲砂的暂堵剂应用在煤层气井, 易造成煤层污染和暂堵剂失效。

(4) 冲砂至井底后, 循环的冲砂液要在井筒容积的2 倍以上, 在返出口的冲砂液含砂量小于0．2%时, 结束冲砂施工。

(5) 冲砂施工结束后, 要关井4 小时后回探砂面, 以防煤层吐砂。

(6) 冲砂前要做好技术交底, 避免因人为原因造成的冲砂暂停和工程事故。

4．2 负压 (气化液) 冲砂

现场若不具备压裂车或大排量联泵的冲砂条件且普通泵车不能满足漏失井冲砂的情况下, 可考虑采用负压 (气化液) 冲砂的方式。负压冲砂是采用泵出的冲砂液和氮气混合而成的混合液进行的冲砂方式, 气化液的液体可采用煤层水或清水。气化液冲砂的实质是降低冲砂液的密度, 从而降低液柱对井底产生的回压, 依靠气化液冲散井内积砂并携带出井筒, 达到冲砂的目的。该施工方法工艺要求较高, 需要有经验的工程人员指挥施工。在施工中需要注意以下事项：

(1) 确保冲砂液中掺入的气体必须是氮气, 以避免在冲砂液出口存在气体爆炸的安全隐患。

(2) 氮气车出口与泵车之间要安装单流阀, 井口应装高压封井器。

(3) 必须采用正冲方式, 井内管柱装单流阀,防止换单根油管时内流体外溢喷射。

(4) 冲砂时氮气车与泵车联合, 使用时先开泵车, 后开氮气车, 使泵不受其它因素的影响, 保证上水正常。

(5) 液体的气化程度, 要按需要调节, 有时在漏失特别严重的井冲砂, 在气化水冲砂的基础上,可向水中加入泡沫剂, 进行泡沫冲砂, 以达到更好地降低气化液密度和减少漏失的效果。

(6) 配置冲砂液排量参考： 泵厂排量： 500L/min、氮气车排量： 8m3/min。

(7) 出口管线必须采用硬管线并用地锚固定牢靠, 要有防污染措施。

5 机械捞砂

机械捞砂就是把捞砂工具下入井内捞出井内沉砂的施工工艺。多次捞砂施工可将煤层内游离态的砂粒逐渐捞净, 有利于煤层气井的长期排采。从捞砂泵的性质可分为柱塞式捞砂泵和真空式捞砂泵,从连接捞砂工具下井方式可分为硬捞砂和软捞砂,硬捞砂是油管连接捞砂工具下井, 软捞砂则是钢丝绳连接捞砂工具下井。软捞砂具有工作量小、捞砂进度快的优点, 但是由于捞砂管柱自身悬重较轻,对硬度较大的砂面捞砂效果较差且需要专业的捞砂队配合, 所以根据阜新现场的实际情况, 我们基本采用硬捞砂的方式进行捞砂。在实际施工中, 我们除水力冲砂的两种井况外, 其余的井况均采用硬捞砂的方法清砂。在实际应用中, 由于各井开采煤层的厚度不同, 还有些井射开了粉砂岩层, 所以在捞砂施工中所遇到的问题也是不尽相同的, 我们根据不同的井下情况采用了不同的捞砂措施并自行研制改进了捞砂泵, 在实际应用中取得了很好的效果。

5．1 砂里含煤泥较多, 造成捞砂泵泵效降低的处理办法

(1) 对下井的每趟捞砂泵都要在起出后卸开清洗捞砂泵的活塞和泵筒, 确保泵效不受煤泥等杂质的影响。

(2) 若砂子与煤泥胶结严重, 造成砂子粘度大、捞砂困难, 可以采用冲砂的方式冲散上部约10m 的沉砂, 再用捞砂泵捞砂的方式清砂。冲砂优先选用煤层水, 并在冲砂施工中要选择小排量、快进尺、到达预计深度后停泵快速上提的操作方法,要明确冲砂目的只是把沉砂冲散, 避免把过多的砂子冲入地层。

5．2 煤层吐砂导致多次重复捞砂的处理办法

对煤层吐砂严重、边捞砂便吐砂的井, 把捞砂泵下接的φ73mm 平式油管改为接φ89mm 平式油管,以增加每趟捞砂管柱的捞砂量, 达到减少捞砂趟数目的。

5．3 砂盖较硬造成捞砂无进尺的处理办法

对于井内积砂时间较长, 砂柱顶部的砂子由于压实作用或与具有粘性的煤粉长时间结合在一起形成硬结面, 造成捞砂无进尺的井, 我们借鉴了油井热采管柱中伸缩管的倒扣原理改进了常用的捞砂泵。使其具有传递扭矩的功能, 并配套研制了锯齿形和焊硬质合金的两种捞砂笔尖。通过在地面旋转管柱或在捞砂管柱下放的冲击力下形成旋转作用力, 可以使捞砂笔尖轻易的搅散砂面, 很好的解决了该问题。

5．4 井内液面较低, 造成捞砂泵泵效低的处理办法：

(1) 捞砂施工的同时向井内快速灌入煤层水,以提高井内液面达到提高捞砂泵效的目的。

(2) 将捞砂泵上接头更换为没有排水口的接头, 根据实际情况将排水口连接在上部油管 (一般约50m) 处, 连接其间的油管在下井的过程中将其灌满清水, 该方法可以增加捞砂泵的密封性、提高泵效, 有效克服该问题。

6 结论

随着煤层气业务发展的逐年扩大, 工艺水平的不断提高, 清砂工艺也应该借鉴油田的一些先进工艺应用在水平井或重点井上。目前油井的连续油管技术, 可以实现对煤层气井在不压井的情况下进行连续冲砂的工艺, 可有效的解决水平井或重点井的清砂难题。

煤层气井的清砂作业工艺是煤层气开发很重要的内容, 对清砂工艺的研究首先要从压裂投产开始,其次在实际排采中要采用合理有效的排采制度和防砂工具,减少因煤层吐砂导致的作业频率,最后在现场作业要根据每口井生产的实际情况结合捞砂情况,在捞砂工艺和工具上不断完善和创新,才能有效的实现煤层气井长期有效和低成本开发的目的。

[1] 聂海光等．油气田井下作业修井工程 [M] ．北京：石油工业出版社, 2002．