煤层气井注水洗井工艺技术研究

王 璐 谢相军 赵 琛

(新疆煤田地质局一五六煤田地质勘探队，新疆 830091)

煤作为一种弹塑性岩石，硬度较低，容易被压碎，煤层破碎时会产生煤粉。在煤层气井的压裂和排采过程中，煤粉的产出是不可避免的，煤层及压裂形成的支撑裂缝主要由于煤粉容易出现不同程度的堵塞，而堵塞将导致煤层渗透率降低，产液量下降，压降范围缩小，井底压力流失，从而影响煤层气井的排采效果；同时产出的煤粉如果不能及时排出井筒，长期附着在凡尔球上会引起泵漏失，更严重的引起卡泵，影响排采的连续性。

为了减少煤粉对排采的影响，必须经常性的对煤层气排采井进行洗井。现场常用的洗井工艺主要为注水洗井工艺，主要是通过给油套环空内补给水，提高排出水量，加快杆管环空的液体流速，加快煤粉排出井筒，从而保障排采的连续性。

1 煤粉的成因

由于煤层的特性，分析认为在煤层气井的生产开发过程中，煤粉产生的原因可以分为以下两类。

(1)压裂产生煤粉

压裂时煤层破裂形成裂缝的同时产生煤粉；高排量下压裂液携带的支撑剂对煤层裂缝壁面冲击，打磨产生煤粉。

(2)排采产生煤粉

排采制度的不合理，造成煤层激动，产生煤粉。排采过程中随着地层中的水不断采出，储层压力逐渐下降，上覆压力更多的承担在煤层的骨架上，造成煤层变形产生煤粉。随着地层中水的产出，水的流动会造成水流通道壁面的煤粉脱落。

2 注水洗井的工艺原理

注水洗井工艺工作原理为油套环空注入排量Ql的水,增加杆管环空流体流速Vl，使得Vl大于煤粉沉降速度Vs，将煤粉颗粒排出泵筒。

3 洗井的工艺设备

根据现场工作经验，进行煤层气井洗井作业时，主要需要以下设备(表1)。

表1 洗井设备一览表

推荐的主要设备参数见表2。

表2 洗井设备一览表

4 洗井的工艺适应性分析

4.1 固相煤粉颗粒排出条件研究

(1) 公式法

粒径不同、形态复杂的煤粉会伴随着煤层气和煤层水进入排采系统内，由于现场常用的泵结构中，筛管具有阻挡和过滤作用，因此，粒径较大的煤粉颗粒不容易进入泵筒内，它们会由于重力的作用下沉，沉积在井底，而大量粒径较小的煤粉颗粒会进入泵筒内。若在排采过程中，由于排水强度不够，无法将这些煤粉通过排水带出泵筒运移到地面，则长期附着在凡尔球上会引起泵漏失，更严重的引起卡泵等井下故障。因此，为了分析煤粉在井筒内的沉降速度，从而确定保证不同粒径煤粉上升的最低液体流速是十分必要的。通过查阅文献，得到群体煤粉颗粒沉降末速度的计算公式：

式中：ρc为煤粒密度，kg/m3；ρm为液体密度，kg/m3；dc为煤粉粒径，m；μm为液体粘度，MPa;Sc为体积浓度含煤粉量，%。

同时，查阅文献得知，当液体流速大于沉降末速度的2.9倍以上，才能保证煤粉被举升至地面。

通过上述公式，带入某区块的相关参数进行计算，得出煤粉颗粒直径与保证颗粒上升的最低流动速度之间的关系如表3所示。

表3 根据公式计算的颗粒直径与保证颗粒上升的最低流动速度表

(2)实验法

流动井液中煤粉沉降轨迹的随机性较大，且环空井液流场较为复杂，需要借助实验手段，利用理论计算与统计分析结合法研究给定煤层产出的煤粉在一定井液环境下的沉降规律。

由于现场煤层气井管式泵使用的筛管缝宽为0.3mm，既进入泵筒内的煤粉粒径主要在0.3mm以下，通过实验方法分析煤粉粒径在0.3mm与0.25mm时，井液流速与煤粒沉速之间的关系，具体如表4所示。

表4 根据实验法获得的颗粒直径与颗粒上升的最低流动速度表

通过表4可知，煤粉粒径为0.33mm时，当井液流速大于等于27.43m/s，井液速度大于煤粒煤粒沉速，即煤粉可被举升至地面。

对比计算法与实验法所得煤粉排采最低流体流速值可以发现，二者差值较小；同时，由于现场煤层气井管式泵使用的筛管缝宽为0.3mm，既进入泵筒内的煤粉粒径主要在0.3mm以下。则可以取径为0.3mm煤粉，在计算法与实验法所得煤粉排采最低流体流速值的平均值作为该区块的煤粉排采最低流体流速值：

Vl=(28.3+27.43)/2=27.87 ×10-3m/s

4.2 工艺试验范围

通过上述分析可以看出，只有当井液流速超过保证颗粒上升的最低液流速度才能使得煤粉不发生沉积。同时，由于泵的泵径尺寸不一样，横截面积不同，因此在相同的产水量条件下，液体的流速也会不同。因此需计算不同泵径尺寸下和不同抽油杆和油管组合参数尺寸下保证煤粉上升的最低产水量。

(1)不同泵径尺寸下保证煤粉上升的最低产水量

煤层气井常用的泵径有φ28mm、φ38mm、φ44mm、φ57mm、φ70mm，表5主要计算了不同颗粒直径在不同泵径尺寸下煤粉不发生沉积的最低产水量。

表5 不同泵径尺寸下保证煤粉上升的最低产水量

通过表中计算可以看出，煤粉颗粒直径相同时，随着泵径尺寸的增加，最低日产水量也随之增大。因此，小泵井的泵更有助于排出煤粉。

(2)不同杆管组合下保证煤粉上升的最低产水量

根据常用的抽油杆和油管组合参数尺寸，计算不同颗粒直径在不同杆管组合参数下，煤粉不发生沉积的最低产水量(表6)。

表6 不同杆管组合下保证煤粉上升的最低产水量

4.3 洗井排量设计

在生产中为了方便现场操作，洗井排量均按照以下条件设计：

① 煤粉颗粒均按0.3mm进行计算；

② 实际洗井过程日排出量均不小于5m3，所以洗井排量设计受杆管组合影响小，忽略其影响；

③ 排采水量设计不大于泵的最高排出水量(最高冲次按5次计算)的0.8倍；

④ 冲程参数按该泵径在区块内所用的最小冲程计算(表7)；

表7 不同泵径不同冲程泵的最高理论排量

⑤ 洗井排量设计需考虑煤粉浓度影响，现场将煤粉浓度划分为六个等级(图1)，煤粉等级在4～6级的井洗井排量在上述条件满足的情况下约为煤粉等级为1～3级的井的1.5倍；

1→6级图1 煤粉含量定级标准图

按照上述设计条件，结合现场经验，防止注入水量过多而造成产气影响，不同泵径的洗井水量参数设计见表8。

表8 不同泵径洗井排出水量

5 洗井工作制度

(1)注入排量

洗井作业实施前属地责任人应根据作业井的煤粉等级、泵径参数来确定排出水量，进一步计算注入水量：

注入排量 = 排出水量-地层日产水量

为了避免操作过程中由于计量误差引起的实际注入水量大于理论注入水量，造成煤层气井液面回升产量下掉，现场操作时实际注入水量应略小于理论注入水量(以5%为佳)。

(2)注入总量

根据现场操作经验，洗井注入总量应根据该井初始几次洗井时的参数变化来确定，当洗井过程中出现以下现象时已注入水的总量应为该井注入总量：

① 煤粉由高等级逐渐降低至某低等级不变时；

② 示功图载荷或者抽油机运行最大电流逐渐降低至某一固定值不变时；

③ 抽油机运行由抖动逐渐变化至恒定平稳运行时；

④ 示功图显示由泵漏失转变为正常不变时；

生产管理中，洗井注入总量还应考虑洗井水源、经济性与时效性，一般情况下洗井注水总量不小于杆管环空体积的2倍，不大于杆管环空体积的5倍。

(3)洗井周期

根据现场操作经验，洗井周期应根据该井故障周期、煤粉浓度、日产气量、日产水量来确定，主要有以下几种：

① 当该井两年内有由于煤粉、煤泥导致的井下故障时，将该最短故障周期的1/4定为该井的洗井周期；

② 当该井无由于煤粉、煤泥导致的井下故障时，应根据煤粉浓度、日产气量、日产水量来确定、井下工况、初始的洗井效果来确定洗井周期；煤粉浓度越低、井下工况故障良好、日产气量越高、日产水量越大洗井周期越长。