煤層氣排采井防煤粉技術(shù)研究

李袖臣，張文，呂洋，吳威

(1.中國石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司遼河物探處， 遼寧 盤錦 124000；2.中石油煤層氣有限責(zé)任公司忻州分公司， 山西 太原 030000)

0 引言

目前保德區(qū)塊煤層氣田共有800余口排采井，我們統(tǒng)計2019年排采井檢泵結(jié)果，發(fā)現(xiàn)修井主要原因有油管漏失、泵漏失、煤粉堵塞井下設(shè)備、桿柱斷脫和煤粉卡泵，其中與煤粉影響相關(guān)的卡泵、堵塞井下設(shè)備和泵漏失故障占據(jù)了27%，可見煤粉影響是排采井發(fā)生故障的主要因素.

排采井受煤粉影響發(fā)生故障的主要原因都是排采過程產(chǎn)生的煤粉在排采過程中由煤層進(jìn)入到管柱之后，沒有在抽采過程中經(jīng)過泵筒和油管被攜帶至地面，而在泵筒之中沉淀堆積，堵塞篩管、凡爾等泵體構(gòu)件及粘附在泵柱塞上，造成泵漏失和卡泵等井下故障.

由于煤層氣開采過程中要遵循 “連續(xù)、穩(wěn)定、緩慢、長期”原則，一旦出現(xiàn)泵漏失和煤粉卡泵等問題后，將對煤層氣井的連續(xù)穩(wěn)定開采形成制約降低生產(chǎn)效率，同時通過檢泵措施恢復(fù)排采井生產(chǎn)，還將增加排采井的運行成本，更可能在檢泵過程中對井造成不可逆的損傷.因此針對保德煤層氣井因煤粉沉淀產(chǎn)生井下故障的情況，進(jìn)行原因分析，制定相應(yīng)措施消減排采過程中煤粉對生產(chǎn)的影響，延長保德排采井的檢泵周期，對提高保德區(qū)塊煤層氣整體開發(fā)水平具有重大意義.

1 煤粉產(chǎn)出原因分析

根據(jù)巖石力學(xué)理論，煤粉從煤層中產(chǎn)出的原因有剪切應(yīng)力過大和滑移破壞2種.

1.1 剪切應(yīng)力過大井內(nèi)煤層煤巖質(zhì)地較堅硬，但性脆易破裂.在射孔壓裂時候，作業(yè)會使煤層受到不同層度的損傷，同時固井的水泥環(huán)也會產(chǎn)生一些碎裂.在排采過程中，生產(chǎn)壓力過大的時候，會對煤層一個較大的剪切應(yīng)力，當(dāng)剪切應(yīng)力超過了煤層的抗剪切極限，即會對煤層氣造成一個剪切破壞，從而產(chǎn)生煤粉顆粒[1].

1.2 滑移破壞滑移破壞形成主要原因是在滲流過程中，氣水兩相流與煤層發(fā)生摩擦，當(dāng)流體速度加快，流體與煤層顆粒摩擦力變大，作用在煤層顆粒表面上的拖拽力增大.當(dāng)拖拽力大于煤粉顆粒附著力時，孔眼表面煤粉逐漸脫落[2].

2 煤粉沉淀原因分析

煤層產(chǎn)出煤粉在排采過程中隨地層流體運移至井筒，再通過排采設(shè)備進(jìn)入管柱，在管柱中能否被順利攜帶至地面不發(fā)生沉淀，與煤粉粒徑和排液速度相關(guān).

2.1 顆粒沉降速度與粒徑的關(guān)系應(yīng)用stokes定律計算顆粒沉降速度.計算公式[3]如下：

V=g(ρs-ρ)d2/(18μ)，

式中：V為顆粒沉降速度，m/s；ρs-ρ為粒水密度差值,d為顆粒直徑，mm；μ為水的動力黏度，Pa·s.

從此定律中可以看出顆粒的沉降速度與其粒徑的平方成正比，那么進(jìn)入到管柱內(nèi)的煤粉粒徑越大就越容易沉淀堆積，為了防止煤層堆積，我們首先就要防止大粒徑煤粉進(jìn)入管柱.

2.2 顆粒沉降與排液速度的關(guān)系因為只有當(dāng)油管內(nèi)排水的流速大于煤粉顆粒在液體中的沉降速度時，煤粉顆粒才能總體上表現(xiàn)為上升運動，即能被產(chǎn)出的管柱流體攜至地面.因此，加大油管內(nèi)排水的流速，可有利于煤粉排出，防止煤粉沉淀堆積.

油管內(nèi)水的流速計算公式[4]：

V=Q/(S1-S2)，

式中：Q為產(chǎn)水量,m3/d;S1為油管內(nèi)徑截面積,mm2;S2為抽油桿截面積,mm2.

從此計算公式中可以看出，油管內(nèi)排水的流速與油管內(nèi)排水量成正比，與油管內(nèi)徑與抽油桿截面積之差成反比.由于油管內(nèi)排水量取決于煤層氣排采需要，此處可視為常數(shù)，因此為了防止煤粉沉淀堆積，我們就需要減小油管內(nèi)徑或加粗抽油桿，來提高油管內(nèi)水的流速.

3 防粉技術(shù)對策

煤層出粉是煤層氣井排采過程中必不可少的一種現(xiàn)象，查閱資料發(fā)現(xiàn)國內(nèi)各大煤層氣田都已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)防粉技術(shù)的研究，有通過預(yù)防性強抽、碰泵、注水洗井[5]等地面措施預(yù)防煤粉將泵筒堵死，有改良井下工藝防止煤粉在泵筒內(nèi)堆積等各種防粉方法.但由于各煤層氣區(qū)塊的地質(zhì)情況存在差異，導(dǎo)致地層產(chǎn)水量、煤粉產(chǎn)出量和粒徑等參數(shù)也都存在差異，若一味照搬其他區(qū)塊的防粉方法，將無疑增大日常工作量，而不能取得較好的防粉效果.我們參考其他區(qū)塊的相關(guān)研究，結(jié)合保德區(qū)塊的地質(zhì)情況和現(xiàn)場特點梳理出一套適合保德區(qū)塊的防粉技術(shù).

3.1 優(yōu)化排采制度排采壓差越大，煤粉從煤巖脫落越容易，煤粉產(chǎn)生量越大. 因此排采壓降遵循“連續(xù)、穩(wěn)定、緩慢”原則，優(yōu)化排采制度，避免壓力差和排采速度太大，有利于減少煤粉產(chǎn)出[6].

3.2 優(yōu)化井下工藝通過對保德區(qū)塊含煤粉水樣進(jìn)行檢測，我們發(fā)現(xiàn)保德區(qū)塊90%的煤粉粒徑小于0.2 mm，50%的煤粉粒徑小于0.1 mm，與其他區(qū)塊煤粉粒徑相比相對較小，基于上述的理論研究，我們在現(xiàn)場采取了如下措施.

3.2.1 防砂管的選擇 保德現(xiàn)場根據(jù)各井井況和煤層氣地質(zhì)特點，通過選用0.1 mm的割縫篩管或0.2 mm的繞絲篩管[7]阻止粒徑大于0.1或0.2 mm的煤粉進(jìn)入管柱內(nèi),同時保證較小粒徑的煤粉不至堵塞在尾管處.

3.2.2 油管的選擇 由于保德區(qū)塊煤粉粒徑相對較小，使用防砂管技術(shù)后，仍有大部分煤粉進(jìn)入管柱，那么通過加快排液速度讓較小粒徑的煤粉隨油管內(nèi)排水?dāng)y至地面至關(guān)重要.現(xiàn)場我們將在用的73 mm普通內(nèi)襯62 mm的油管改用為(53±0.5) mm的油管，提高管內(nèi)液體流速42.3%，防止煤粉卡泵效果明顯.

以保德區(qū)塊北部某排采井為例，該井于2011年12月投產(chǎn)，截至目前累計運行3 200余天，初期井下采用73 mm普通內(nèi)襯62 mm的油管構(gòu)造，2013年1月、2014年3月、2015年11月、2017年8月、2017年8月和2017年10月分別由于煤粉影響造成井下故障，平均因煤粉影響導(dǎo)致的井下故障周期接近1年，尤其在2017年出現(xiàn)井下故障達(dá)到3次(表1).該井于2017年12月修井時改用為(53±0.5) mm的油管后，截至目前僅出現(xiàn)過一次套管變形故障，由于煤粉影響所導(dǎo)致的故障幾乎未再次發(fā)生，同時該井產(chǎn)水也逐漸從水色黑過渡為水色清.

表1 保德某井檢泵情況統(tǒng)計表

3.3 地面管理措施

3.3.1 常規(guī)預(yù)防措施 所有排采井每月進(jìn)行一次示功圖測試，通過示功圖分析煤層氣井井下工況，識別和判斷出受煤粉影響出現(xiàn)早期軟卡和漏失的排采井.針對早期軟卡的排采井可通過大沖次快抽、洗井等措施，提前將粘附在泵筒處的煤粉沖刷排出，防止泵被煤粉堵死夯實，延緩煤粉堵塞泵筒的情況發(fā)生，從而延長檢泵周期，提高生產(chǎn)效率[8]；針對漏失的排采井可通過大沖次快抽和碰泵，將粘附在凡爾處的煤粉震蕩下來排出，提高泵效.

3.3.2 異常情況處理 在排采現(xiàn)場日常巡檢中，發(fā)現(xiàn)抽油機出現(xiàn)光桿和驢頭抖動、出水量減少和不出液的情況后，可進(jìn)行示功圖測試，判斷其是否是受煤粉影響的井下故障造成，針對具體情況可采取大沖次快抽、碰泵等措施，提前解決受煤粉影響造成的井下故障，防止煤粉徹底堵死泵筒的情況發(fā)生和延緩泵效變低，從而延長檢泵周期，提高生產(chǎn)效率.

4 結(jié)論

保德區(qū)塊位于我國西北部低階煤層區(qū)塊，通過歷年來的排采現(xiàn)場摸索和對該區(qū)塊煤粉影響的針對性研究，我們得出以下結(jié)論：

1)排采過程中應(yīng)遵循“連續(xù)、穩(wěn)定、緩慢”原則，合理制定排采指令，避免壓力差和排采速度太大.

2)該區(qū)塊煤粉以0.2 mm粒徑以下的煤粉渣礫為主，通過在管柱底部尾管處加裝防砂尾管，能過濾較大煤渣且可避免粒徑更小的煤粉堵塞尾管.

3)減小油管內(nèi)徑可以在同等排采強度條件下加快油管內(nèi)液體流動速度，促進(jìn)防砂尾管無法過濾的過小煤粉渣礫排出至地面.

4)排采井受煤粉影響卡泵以前，現(xiàn)場會出現(xiàn)軟卡、抽油機抖動和泵漏失等現(xiàn)象，可提前采取大沖次快抽、碰泵等預(yù)防性措施，減少煤粉在泵筒、管柱內(nèi)的沉淀，延緩泵效變低和預(yù)防煤粉堵死泵筒，延長檢泵周期.

其他煤層氣田也可參考此種防粉技術(shù)，消減煤粉對排采工作的影響，提高排采效果.但隨著保德區(qū)塊逐步進(jìn)入煤層氣排采中后期階段，井下壓力逐漸降低，產(chǎn)水逐漸減少，導(dǎo)致地下煤層松垮易坍塌，煤粉渣礫大量產(chǎn)出，不僅加重了排采過程中的煤粉影響，也增加了煤層氣通道的堵塞幾率，如何通過更有效的排采制度調(diào)控防止煤層垮坍塌，將成為下一階段解決煤粉影響的關(guān)鍵，也是我們一下步在煤粉控制方面的研究重點.