L型煤层气水平井捞砂技术的研究与应用

朱焕玺

(新疆煤田地质局一五六煤田地质勘探队,新疆 830009)

L型煤层气水平井在煤层气开发过程中运用越来越广泛，随着煤层气开采的，煤层气井内出砂清理问题日益突出，由于煤层气井长期排采导致井内地层亏空，冲砂会导致冲洗液进入储层，导致储层污染，且冲砂漏失大，连续冲砂施工难度大，采用常规的清砂手段在煤层气水平井中难以奏效。水平井捞砂技术能够在保护储层的基础上，有效清理井内沉砂，但现有的捞砂技术适用在直井和定向井中，无法在水平井中无法使用，为了解决上述问题，研究制定了L型煤层气井水平井相匹配的捞砂技术，有效解决了L型煤层气水平井中的除砂问题。

1 L型煤层气井储层出砂的机理和危害

1.1 煤储层的出砂机理

1.1.1 地质原因

(1)新疆地区现在施工的L型煤层气井储层煤层多为厚度在20～40m厚煤层及巨厚煤层，属滨湖相-泥炭沼泽相沉积的细碎屑岩。煤体结构为块煤，中间无夹矸或一至两层薄碳泥夹矸，煤层上下盖层属于炭质泥岩和碳质泥质，地层结构稳定。

(2)岩石类型特点

储层煤层为塑形岩石，变形能力强，地层裂缝不随压力闭合，含砂能力弱，上下盖层以泥质胶接为主，岩石较疏松，强度低，极易容易出砂。新疆准南煤田煤层具有不均质性，煤层性质变化大，脆性煤质和软煤均存在，割理、裂隙发育不均匀。

(3)地层压力

原生地层压力有流体压力和原生地层共同承担，随着压裂和排采的进行，储层流体被排出井外，上覆压力转嫁给储层，导致储层压力增大，煤层破碎，煤层出砂和煤粉严重。

1.1.2 工程原因

(1)储层产水

煤储层钻井过程中，存在钻穿上下底板的情况，煤层中存在炭泥质夹矸，当开始排采时，水中溶解地层中旳胶接物质，地层胶接强度降低。

(2)压裂施工

煤层气储层属于低压储层，开采的过程中，压裂是增产改造的重要措施，压裂的过程中剧烈的压力波动，造成煤层气储层煤体破碎，产生大量煤粉随压裂液和压裂砂进入储层裂缝中。L型煤层气水平井水平段压裂段数多，规模大，煤储层吐砂、吐煤粉严重。

(3)排采生产

煤层气排采的过程就是排水降压的过程，压裂后放喷过快，压降剧烈，排采泵排水降压降幅过快，储层裂隙中液体向井内流速快，携带煤粉和压裂砂一起向井筒内运动，造成井筒内压裂砂和煤粉堆积，堵塞排采通道。

1.2 水平井沉砂的特点

L型水平井由于井身特点的限制，煤粉和沉砂多在80°以上水平段沉积，由于L型煤层气水平井水平段上翘3°～5°，砂子和煤粉在重力及井筒内流体运动的情况下，逐步向80°～90°之间运移，并在水平井段井筒内下部成波浪型分布。

1.3 煤层气水平井出砂出煤粉的危害

煤层气水平井出砂出煤粉对水平井的生产产生严重影响，轻则煤粉和砂子造成管式泵卡泵，影响正常的生产工作，增加检泵作业的次数，重则堵塞井筒，堵塞下部水平段井筒气液通道，会堵塞井筒，严重影响生产井排采生产，更甚者造成排采管柱的砂埋，产生大量的修井费用。

2 L型煤层气水平井除砂实验及应用

为了更好的解决煤层气水平井出砂给煤层气排采生产带来的各种问题，在综合考虑各种因素的前提下，我们进行了L型煤层气水平井捞砂实验。

2.1 水平井捞砂管柱结构组成

煤层气水平井捞砂管柱组合主要由水平井捞砂铲(带限位槽和强制复位装置)+沉砂管+捞砂泵+动力油管组成，所有入井管柱接箍均打45°倒角，防止挂卡(图1)。

2.2 捞砂泵的工作原理

由地面动力及连接装置将捞砂泵管柱下入井内,在液柱压力的作用下,沉砂筒凡尔打开,液体灌满整个沉砂筒。上冲程时,游动凡尔关闭,泵腔容积增大,下凡尔打开,携砂液体进入沉砂管;下冲程时,下凡尔关闭,泵腔容积减小,压力增大,上凡尔打开,携砂液经过滤筛管沉降后液体被转移至柱塞上部,当液面达到排液短节的出水孔时,携砂液中的液体通过排液短节的出水孔返回到油套环形空间,而砂粒则聚集在沉砂尾管内。上下冲程的往复运动在砂铲处形成一定的真空度,从排液孔返出的液体,在油套环空液柱压力作用下,在砂铲底部形成一定的回压,推动残留的砂粒向一起聚集,对彻底清砂起到很大的作用。捞砂结束后,通过地面动力起出,排出沉砂。

2.3 煤层气水平井捞砂试验

2.3.1 捞砂工具参数的选取

图1 水平井捞砂泵结构示意图

图2 强制复位笔尖和倒角油管结构示意图

捞砂对液体流速的要求较大，为了保证煤层气水平井捞砂效率，现场使用了大泵径捞砂泵，增大排量以提高砂体流动速度，提高携砂能力，泵径类型：CB-TH-φ83×3000mm型砂泵柱塞直径φ83，砂泵行程3m，二端连接螺纹27/8″TBG；捞砂笔尖采用的有限位槽的强制复位捞砂笔尖；捞砂动力油管采用φ73mm加厚倒角油管，所有井下管柱接箍均打45°倒角。

强制复位笔尖主要由砂铲尖、变径接头、凡尔球、凡尔球座、弹簧和油管短节组成(图2)。铲尖中弹簧选择主要依水平井砂铲在沉没度的液柱压力为准,确保凡尔能正常的工作。凡尔球的限位是对直井捞砂泵的主要改进,实现了凡尔球在水平方向的运动轨迹,同时对凡尔球座采用可调节式,根据某区块的砂粒大小、圆球度的情况,及时调整球座,确保弹簧的伸缩空间。铲尖采用螺旋可转动式,在作业的过程中,铲尖紧贴水平井段底部螺旋钻进,剪切堆积在一起的砂粒,同时推动砂粒向一起聚集,进一步提高工作效率和施工成功率。

2.3.2 煤层气水平井捞砂试验

(1)施工步骤。检查施工井工况，确保井内无落物，套管无变形，井内液面高度高于设计捞砂泵下入高度，如果井内液面高度不够，取同井台井排采液，对待修井捞砂施工前进行补液。满足捞砂施工条件后， 按照捞砂设计要求， 下入捞砂管柱，确保每一根井下管柱紧扣到位，保证井下管柱的密封；

如果下入捞砂管柱，未到达砂面位置遇阻，在遇阻位置上下50m，反复上下活动管柱30min，能够顺利下入，上下活动无挂卡，继续下入捞砂管柱，如仍挂卡，起捞砂管柱，分析挂卡原因，针对具体情况重新设计管柱结构，再次捞砂；

如果下入捞砂管柱后，沉砂量少，上部位置无法有效捞砂，砂铲下入至捞砂泵可以有效工作的位置开始捞砂，在遇阻位置捞砂操作30min后，上下活动无挂卡，继续进行捞砂作业。在捞砂施工中如果遇阻，反复捞砂20min以上，捞砂干净后继续下放捞砂管柱，捞砂至人工井底。

捞砂至射孔段位置上部10m处，反复上下活动管柱，确保射孔段无挂卡，上部沉砂清理干净后再进行射孔段捞砂，射孔段捞砂如果不存在挂卡现象，按照正常步骤捞砂，如果射孔段捞砂遇阻，进行捞砂操作10min后无明显变化，起出捞砂管柱，探明井底情况，满足捞砂要求，再次重新设计下入捞砂管柱组合。

(2)实验效果。本次捞砂实验，实验捞砂井次4次，其中1口井捞砂3次，捞砂井段超过100m，捞出砂量4.2m3， 捞砂至人工井底， 其他3口井各自捞砂1次， 均1次捞砂成功， 捞砂至人工井底。

3 煤层气水平井捞砂技术的推广于应用

2020年10月7日，利用煤层气水平井捞砂技术进行水平井捞砂施工5井次，捞砂成功率100%，累积增加煤层气产量2.38×106m3，平均单井增产47.69×104m3。在新疆地区L型煤层气水平井除砂施工中，水平井捞砂工艺施工简单，施工成本低，已经推广捞砂施工10余井次，均成功解决了井内沉砂问题，捞砂施工工艺安全可靠。