煤层气井排采过程中产粉特征及防治措施

2021-04-09张世春仇泽强宋永强杨云成

云南化工 2021年4期

张世春，仇泽强，宋永强，杨云成

(1.陕西省煤层气开发利用有限公司,陕西西安 710065; 2.陕西省煤层气工程技术研究中心,陕西西安 710068)

国内煤层气开发实践表明，煤粉是影响煤层气井能否长期、持续、稳定高产的主要因素之一。煤层气井排采过程中大量的煤粉产出容易造成井筒堵塞、卡泵现象，严重时会造成气井报废[1]。另外，由于煤储层的特殊性，煤层气井的排采需要遵循持续、缓慢、稳定的原则，而煤粉造成卡泵、井筒堵塞后需要频繁修井，破坏了煤层气井排采的连续性，造成煤储层不可逆的伤害，致使煤层气井不能高效稳定的生产[2-4]。因此，深入研究煤层气井煤粉产出规律和产出机理，进而针对不同的煤粉产出机制研究针对性强、高效可靠的防治措施，是实现煤层气井可持续排采的迫切需要。针对大佛寺井田不同井型煤层气井排采进行排采特征分析，总结煤粉产出的规律及特征，对不同生产阶段的排采制度进行优化，实现更合理高效的煤层气井排采。

1 各生产阶段产粉特征

1.1 排水阶段产粉特征

大佛寺井田29口煤层气井，排水阶段煤粉产出较少，20口水平井中煤粉产出的有3口，其产出水呈灰色，含有少量煤粉，而9口直井排水阶段基本未有煤粉产出。就水平井而言，排水阶段的井底流压与产水量之间具有一定正相关关系，反映出储层供液能力存在差异。但就整体而言，水平井和直井的产粉情况非常轻微，主要原因为排水阶段为单一液相流。结合现场煤层气井排采特征可知，单一液相流对煤粉的启动、运移能力最弱，而该区煤层气井排采阶段的平均产水量一般都小于 60 m3/d，并没有达到能够启动和运移煤粉所需的流量，所以在排水阶段，气井基本不产出煤粉。

1.2 产气初期产粉特征

产气初期指煤层气井通过排水降压，使储层中吸附的煤层气开始解吸，产生一定套压，继而逐渐放产，产气量快速上升至较为稳定数值的过程，包括憋压和放产两个阶段。该阶段接近半数的煤层气井开始产出大量煤粉，产出水也由之前的清水变为灰水、灰黑水，含煤粉较多，严重的会导致煤粉卡泵，需要修井。气液两相流比单一液相流的携粉运移能力显著增强，而产气初期，随着煤层气开始解吸进入井筒运移，井筒中原先的单一液相流转变为气液两相流，其启动和运移煤粉的能力大大增强，残留在井筒中的煤粉开始随着气液流运移，并且随着解吸的煤层气量增大，气液两相流的携粉运移能力越来越强，更多的煤粉被启动和运移[5]。

通过分析该阶段气井产粉情况与各生产参数之间的关系发现，煤粉产出较为严重的气井，其产水量和产气量均相对较低，产水量一般低于 30 m3/d，产气量低于 1000 m3/d，套压低于 0.2 MPa，井底流压低于 0.5 MPa。这说明，该阶段由于气相的逐渐加入，对井筒中的流态和流型干扰十分严重，而部分气井由于没有进行适当的憋压，放产过快，造成大量煤粉被启动和运移，最终导致卡泵，产液能力减弱，以致需要修井。另外，该阶段部分气井排采强度过大，井底流压过低，井筒压差过大，加剧了煤粉的大量产出。

1.3 稳定产气阶段产粉特征

煤层气井经过放产阶段产气量逐渐上升至较为稳定水平，产气量、产水量、井底流压、套压等参数维持相对稳定，是煤层气井的长期、主要生产阶段。该阶段储层裂隙和井筒中的气液两相流较为稳定，产气量较高，产水量较低，气水流量比较大，携粉运移能力强，此时如果井筒仍有残余煤粉，也会随着气水流一起产出。另外，煤储层孔隙和裂隙表面的煤粉颗粒在气水流的快速流动影响下，从煤表面脱落，进入孔裂隙随气水一同运移。统计排采井数据结果表明，稳定产气阶段，多数煤层气井产出水中含有不同程度的煤粉，呈灰黑色，且水平井产粉情况更为严重。产粉严重的气井，其一般产气量大、产水量低，气水流量比越大，携粉运移能力越强。此外，气体的快速流动极容易将煤储层表面的煤粉颗粒剥离运移产出。

2 排采过程中煤粉防治措施

煤层气开发需要经历“排水-降压-解吸-运移”等过程，各过程中煤层气井筒中的多相流特征存在显著差异，为达到有效控制煤粉产出和防止发生卡泵问题的目的，需要根据煤层气井的生产特点分阶段制定相应的排采工作制度。

2.1 排水降压阶段煤粉防治措施

煤层气排采初期，在压裂完成后一段时间内，煤层气尚未解吸，这时水平井井筒中只有地层水和煤粉颗粒，煤粉颗粒与水一起在井筒中做液固两相流动。排水降压阶段煤储层和井筒内主要为液固两相流，相对容易控制，该阶段的主要目的是快速、有效排出钻井及压裂等工程形成的残留煤粉。

对于水平井而言，其排水降压阶段的产水量应大于煤粉启动运移的最小启动流量。根据钻屑煤粉的粒度分析结果，其主要煤粉粒径以20～80目(0.216～0.894 mm)和80～150(0.108～0.216 mm)目为主，以20～80目钻屑煤粉层移状态启动流量 900 L/h 折算后，排水阶段的产水量应达到 65 m3/d 左右，才能保证大部分的钻屑煤粉能够被有效排出地面，保持此产水量水平至见套压为止。对于直井而言，主要考虑钻屑及压裂造成的煤粉返排，避免其沉降在井筒中致使卡泵。根据捞粉粒度分析结果，其主要集中在80～150目及大于150目的粒径范围，80～150目沉降末速度最小，达 0.45 m/s，井筒中水流速度必须大于此速度，才能有效防止煤粉沉降，折算后直井排水阶段的产水量应大于 21.6 m3/d，维持此产水量直到见套压为止。并且无论是直井还是水平井，排采过程中都需保持连续和相对稳定，避免排采间断导致煤粉沉降。

2.2 产气初期煤粉防治措施

煤储层经过排水降压到临界解吸压力之下时，煤层气开始解吸，这时煤粉颗粒与煤层气、地层水三相在地层中发生气液固三相流动。气液固三相流情况下，煤粉扰动明显，携带煤粉运移能力明显强于液固两相流。结合实际地层、工程参数，可通过调整产水量控制压差，调整流型以控制煤粉携出效果，最终实现煤粉的适度产出。在见套压后的憋压排采阶段，由于气相的加入，对煤粉扰动明显，大佛寺井田多数煤层气井在该阶段都出现不同程度的产粉情况，为了减小气相加入对煤粉的扰动，应重点管控套压的增长与井底流压的突变[6]。因此，在见套压初期应立即调整排采工作制度，降低产水量和液面下降速度，实现平稳过渡。水平井产水量应逐步降低，以控制井底流压降幅和套压增幅为标准，井底流压降幅不超过 0.004 MPa/d，套压增幅不超过 0.01 MPa/d。

当套压逐步上升至逐步放产阶段，产气量逐步上升，煤储层解吸范围和解吸气量逐步增大，该阶段煤粉产出情况较憋压段有增大的趋势[7]。针对产出煤粉较多的井，该阶段可以进行洗井作业。另外，套压变化较大，产气量极不稳定，时断时续。该阶段为三相流，煤层容易受到激动，产出煤粉。如果排采控制不好，液面容易发生剧烈波动，从而影响井底流压变化，进而导致生产压差产生变化，最终产生两方面的负面效果：其一为煤层受到激动导致煤层割理和裂隙发生闭合；其二为生产压差剧变容易引起压裂砂的返吐[3]。所以，见套压后放产时，缓慢调节针型阀至流量表显示出最小流量值。放产过程可控制井底流压降幅在0.002～0.003 MPa/d。当套压趋于稳定后，日产气量逐步平稳上升，同时日产水量逐步下降，控制增产速度在50～100 m3/d。

2.3 稳定产气阶段煤粉防治措施

当放产阶段后产气量逐渐趋于平稳，煤层孔隙和喉道中主要以气相流为主，各项参数稳定，煤层解吸面积逐渐扩大，此时应减小产水量，维持相对稳定的井底压力和套压，建议控制井底压力0.2～0.4 MPa 范围内，并将此时的产气量作为稳定产气量，保持稳定排采[8]。另外，气相流相对于液相流具有更强的携粉运移能力，需要防止产气量过大而导致气体流速太大，冲刷煤层孔隙表面的煤粉颗粒导致脱落堵住孔隙，出现产气量和产水量均减小的不利状态[9]。