饒孟余 江舒華

(1.奧瑞安能源國際有限公司,北京 100190;2.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司,北京 100011)

中國煤層氣資源豐富,地質(zhì)資源量36.8×1012m3,但是到目前為止,我國除沁水盆地南部和阜新礦等極少數(shù)地區(qū)的煤層氣進(jìn)入商業(yè)開發(fā)外,絕大多數(shù)地方還處于試驗階段。煤層氣井產(chǎn)量主要受控于資源條件、鉆井工程因素及排采工藝幾個方面。排采技術(shù)是煤層氣開發(fā)非常重要的一個環(huán)節(jié)。毋容置疑,中國的煤層氣產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入了排采的時代,排采工藝在某種程度上已成為我國煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸,重視和加強(qiáng)排采工藝的研究具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

1 我國煤層氣井排采的主要方法及其適應(yīng)性

開采煤層氣排水的方法有：有桿泵、螺桿泵、電潛泵、氣舉、水力噴射泵、泡沫法及優(yōu)選管柱法等。而我國目前主要采用有桿泵、螺桿泵和電潛泵來實現(xiàn)油管排水,套管采氣。

有桿泵排水采氣：地面為抽油機(jī),井下為管式泵。管式泵由泵筒和柱塞兩大部分組成,適應(yīng)性強(qiáng),操作簡單。在排采不同階段,根據(jù)產(chǎn)水量變化調(diào)整泵型,并可通過調(diào)速電機(jī)調(diào)頻,根據(jù)各井情況選擇適當(dāng)?shù)呐挪蓮?qiáng)度。適合于產(chǎn)水量在100m3以下,井斜不嚴(yán)重,出砂、煤粉較少的井上使用。對于產(chǎn)氣量極高或大量出砂的井,需要進(jìn)行特殊的井下設(shè)計。

螺桿泵排水采氣：由定子和轉(zhuǎn)子組成,結(jié)構(gòu)簡單,占地面積小、維護(hù)簡單;配上調(diào)速電機(jī)可以在一個很寬的速度范圍內(nèi)工作,排量變化較大,最高日產(chǎn)水量可達(dá)到250m3以上。適合產(chǎn)水量中等的排采井。

電潛泵排水采氣：是潛沒在被泵送介質(zhì)中的離心泵。排量范圍大,揚(yáng)程高;可以根據(jù)產(chǎn)液變化要求進(jìn)行變頻調(diào)速;地面占用面積小和空間小、使用壽命長、便于管理。安裝變頻器后可以在10～50HZ范圍內(nèi)調(diào)整轉(zhuǎn)速,達(dá)到控制排量的目的。適合井斜較大、產(chǎn)水量較高的排采井。表1是有桿泵、電潛泵及螺桿泵排水采氣適宜性對比表。

表1 三類泵排水采氣方法對比表

2 煤層氣井排采的工藝技術(shù)

煤層氣排采工藝技術(shù)體現(xiàn)在兩個方面：合理的排采制度和精細(xì)的排采控制。

2.1 排采工作制度

一般地,對一個新的地區(qū),在進(jìn)行排采之前需要根據(jù)儲層的參數(shù)特征進(jìn)行儲層產(chǎn)能模擬,對氣水產(chǎn)量及其產(chǎn)出規(guī)律進(jìn)行預(yù)測,做到心中有數(shù),然后選擇適當(dāng)?shù)呐挪稍O(shè)備、制定合理的排采制度。

實際上,煤層氣井的產(chǎn)量直接受控于排采制度的調(diào)整,煤層氣的排采必須適應(yīng)煤儲層的特點(diǎn),符合煤層氣的產(chǎn)出規(guī)律。對于不同的煤層氣地質(zhì)條件、儲層條件以及不同的排采階段,需要制定不同的排采制度。而合理的排采制度應(yīng)該是保證煤層不出現(xiàn)異常的砂及煤粉的前提下的最大排液量。主要有以下兩種排采制度。

定壓排采制度：核心是如何控制好儲層壓力與井底流壓之間的生產(chǎn)壓差;關(guān)鍵是控制適中的排采強(qiáng)度,保持液面平穩(wěn)下降,保證煤粉等固體顆粒物、水、氣等正常產(chǎn)出。適用于排采初期的排水降壓階段。由于排采初期,井內(nèi)液柱中的氣體含量少,液柱的密度變化小,井底流壓主要為液柱的壓力,因此,排采過程中的“定壓制度”主要是通過調(diào)整產(chǎn)水量以控制動液面來控制儲層壓力與井底流壓的壓差。

定產(chǎn)排采制度：根據(jù)地層產(chǎn)能和供液能力,控制水、氣的產(chǎn)量,以保障流體的合理流動。適用于穩(wěn)產(chǎn)階段。由于井內(nèi)液柱中的氣體含量較大,液柱的密度遠(yuǎn)小于1,套壓較高,因此,“定產(chǎn)制度”可以通過改變套壓或動液面來控制井底壓力以實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)的目的。

2.2 排采控制

煤層甲烷吸附是一種物理吸附,是一個可逆的過程,這種性質(zhì)決定了煤層氣的排采過程 (排水降壓)必須連續(xù)進(jìn)行;另一方面,煤儲層的孔隙度與滲透率對有效應(yīng)力的敏感性極強(qiáng),特別是在排采初期單相流階段,煤儲層物性隨有效應(yīng)力增加下降的速度最快。這種性質(zhì)決定了降壓速度不能過快,持續(xù)的時間不能過短。為此,提出煤層氣井排采控制思路：將煤層氣井排采劃分為放噴階段 (針對常規(guī)壓裂直井)、降液面階段、控壓產(chǎn)氣階段和控壓穩(wěn)產(chǎn)階段,排采時,每一階段的降壓都控制在一定的強(qiáng)度并持續(xù)到足夠的時間。

煤層氣井排采控制的幾個階段工藝特點(diǎn)：

(1)放噴階段：常規(guī)直井的儲層經(jīng)壓裂改造后,儲層中被高壓壓入大量的壓裂液,因此直井排采首先需要放噴排液?？刂品艊娏康脑瓌t是避免井口出大量的煤粉和壓裂砂。井口壓力為零,溢流量很小時為結(jié)束點(diǎn)。水平井排采無此階段。

(2)降液面階段：控制重點(diǎn)是降液速度,排采強(qiáng)度不宜過大,以階梯降液為主,排液應(yīng)連續(xù)平穩(wěn),保持動液面平穩(wěn)下降。嚴(yán)禁排量的大起大落而造成生產(chǎn)壓差上下波動,使得儲層激動,吐砂、吐粉。套管產(chǎn)氣是該階段的結(jié)束點(diǎn)。

(3)控壓產(chǎn)氣階段：穩(wěn)定排采一段時間后,煤層氣生產(chǎn)井的動液面將會降低到比較低的水平,油、套環(huán)形空間的套管壓力將會逐漸上升到比較高的狀態(tài)。此階段,為了降壓漏斗盡可能擴(kuò)展,氣體的解吸范圍盡可能增大,需要控制生產(chǎn)壓力讓氣井產(chǎn)氣。因此,煤層段的流動壓力需要控制在排采設(shè)計的技術(shù)指標(biāo)范圍以內(nèi)的同時,煤層的排水工作必須保持連續(xù)進(jìn)行。初期,由于液柱中的氣體較少,井底流壓主要為液柱壓力,可以通過調(diào)整環(huán)空液面來控制流壓;后期,由于環(huán)空間的氣量增大,液柱中的含氣體量也多,井底流壓主要取決于套壓,可以通過調(diào)整套壓來控制流壓。

(4)控壓穩(wěn)產(chǎn)階段：隨著排采的進(jìn)行,需要根據(jù)單井的生產(chǎn)能力確定合理的產(chǎn)能指標(biāo)進(jìn)行穩(wěn)定生產(chǎn)。這一階段排采控制的重點(diǎn)是盡可能維持排采作業(yè)的連續(xù)性和穩(wěn)定性,不追求峰產(chǎn),盡量控制井底流壓,以延長穩(wěn)產(chǎn)時間,實現(xiàn)煤層氣井產(chǎn)量最大化。

上述排采階段的劃分及精細(xì)排采控制的優(yōu)點(diǎn)在于：每一階段降壓的幅度都很小,煤層的滲透率受到的影響也很小;延長降壓時間有利于降壓漏斗的擴(kuò)展。因此,通過對煤層氣井壓力降和持續(xù)時間的控制,有利于提高泄壓面積、增加煤層氣單井采收率,獲得持續(xù)時間更長的煤層氣單井產(chǎn)量,同時也緩解了煤粉遷移堵塞現(xiàn)象,減輕了對儲層的傷害。

3 影響煤層氣井排采效果的主要因素

3.1 非連續(xù)性排采的影響

煤層氣的產(chǎn)出機(jī)理要求煤層氣井的排采生產(chǎn)應(yīng)連續(xù)進(jìn)行,使液面與地層壓力持續(xù)平穩(wěn)的下降。如果因關(guān)井、卡泵、修井等造成排采終止,給排采效果帶來的影響表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)地層壓力回升,使甲烷在煤層中被重新吸附,容易產(chǎn)生氣鎖;(2)裂隙容易被水再次充填,產(chǎn)生水鎖,阻礙氣流;(3)如果因修井造成排采終止,外來物質(zhì)非常容易對敏感性儲層造成傷害,不僅使井的產(chǎn)氣能力大幅下降,而且會增加后期排采故障發(fā)生率;(4)回壓造成壓力波及的距離受限,降壓漏斗難以有效擴(kuò)展;恢復(fù)排采后需要很長時間排水,氣產(chǎn)量才能上升到停排前的狀態(tài)。

3.2 井底流壓的影響

井底流壓是反映產(chǎn)氣量滲流壓力特征的參數(shù),煤層氣的產(chǎn)出機(jī)理決定了只有降低井底流壓至臨界解吸壓力以下,才能有解吸氣體的產(chǎn)出。較低的井底流壓,有利于增加氣的解吸速度和解吸氣體量。圖1為我國第一口水平井DNP02井井底流壓與產(chǎn)氣量的關(guān)系曲線,由曲線我們可以看出產(chǎn)氣量與井底流壓呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.8以上。圖2、3分別反映的是氣產(chǎn)量與套壓及液柱高度間的關(guān)系,從中可以看到其關(guān)系非常離散。這說明由于套壓和液柱高度存在相互調(diào)整得依賴關(guān)系,套壓和液柱高度的任何一項參數(shù)均不是影響產(chǎn)氣量的獨(dú)立參數(shù),兩者的組合才是控制產(chǎn)氣量的根本。相對而言,井底流壓的變化能更好地反映產(chǎn)氣量的變化。

因此,制定合理的排采制度和進(jìn)行精細(xì)的排采控制應(yīng)該以井底流壓為依據(jù)。

圖1 DNP02井井底流壓與產(chǎn)氣量的關(guān)系

圖2 DNP02井套壓與產(chǎn)氣量的關(guān)系

圖3 DNP02井液柱高度與產(chǎn)氣量的關(guān)系

另一方面,我國煤儲層壓力系數(shù)一般較低,為了降低井底流壓,增加氣產(chǎn)量,排水設(shè)備的吸液口一般接近煤層,甚至在煤層以下進(jìn)行負(fù)壓排采。但是現(xiàn)場排采證明：對有些煤層,當(dāng)井底流壓降到一定程度后,再增加生產(chǎn)壓差,氣產(chǎn)量反而急劇下降。這是因為井底壓力降到一定程度,低滲透率的煤層無法將壓力傳遞到煤層的更深處。井筒附近煤層壓力過低,有效應(yīng)力增加,引起煤粉運(yùn)移、堵塞孔隙,使產(chǎn)氣量急劇下降,影響氣體的采收率。

因此,井底流壓要根據(jù)不同地區(qū)、不同變質(zhì)程度的煤層的閉合壓力特征及煤體結(jié)構(gòu)的不同,進(jìn)行調(diào)控。對于低變質(zhì)、閉合壓力較小的煤層應(yīng)避免負(fù)壓抽排。

3.3 排采強(qiáng)度的影響

煤層氣排采需要平穩(wěn)逐級降壓,抽排強(qiáng)度過大帶來的影響有如下幾個方面：

(1)易引起煤層激動,使裂隙產(chǎn)生堵塞效應(yīng),降低滲透率,特別是在快速降壓的初期,對滲透率的影響更大 (圖4)。

圖4 有效應(yīng)力與煤層氣滲透率關(guān)系曲線

(2)降壓漏斗得不到充分的擴(kuò)展,只有井筒附近很小范圍內(nèi)的煤層得到了有效降壓和少部分煤層氣解吸出來,氣井的供氣源將受到了嚴(yán)重的限制。因此,產(chǎn)氣量在達(dá)到高峰后,由于氣源的供應(yīng)不足,產(chǎn)氣量將很快下降。

(3)對于常規(guī)壓裂的直井,在排采初期,如果在裂縫尚未完全閉合時,排采強(qiáng)度過大,導(dǎo)致井底壓差過大引起支撐砂子的流動,使壓裂砂返吐,影響壓裂效果。

(4)煤粉、顆粒的產(chǎn)出也可能堵塞孔眼,同時出砂、煤屑及其它磨蝕性顆粒也會影響泵效,并對泵造成頻繁的故障,使作業(yè)次數(shù)和費(fèi)用增加。

我國大多數(shù)煤層屬于低含水煤層,因此抽排速度一定要按照煤層的產(chǎn)水潛能,進(jìn)行合理排液。

5 結(jié)論

(1)排采工藝在某種程度上已經(jīng)成為制約我國煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸,重視和加強(qiáng)煤層氣排采工藝的研究,具有重要的理論意義和現(xiàn)實意義。

(2)有桿泵、螺桿泵和電潛泵是國內(nèi)目前進(jìn)行煤層氣井排采的主要方法,各有優(yōu)缺點(diǎn),相比較而言：有桿泵適應(yīng)性強(qiáng),操作簡單,且有多種型號和泵徑可選。螺桿泵由于節(jié)缺了傳動系統(tǒng),成本降低,維護(hù)費(fèi)用較低,占地少,但螺桿泵在抽空的情況下容易燒泵,必須控制沉沒度在50m以上,而且如果出現(xiàn)嚴(yán)重磨損,必須更換全套井下裝置。電潛泵相對排量較大,但工作條件比較苛刻,如水中煤粉含量不能大于0.02%,氣液體積比不能大于0.05%等,成本也高。

(3)煤層氣排采工藝技術(shù)主要是制定合理的排采制度和進(jìn)行精細(xì)的排采控制。定壓排采制度適用于排采初期的排水降壓階段;定產(chǎn)排采制度適宜于穩(wěn)產(chǎn)階段。精細(xì)排采控制的核心是實現(xiàn)分級平穩(wěn)連續(xù)降壓,其優(yōu)點(diǎn)是：儲層傷害小、降壓漏斗擴(kuò)展大、泄壓面積提高、單井采收率增加。

(4)非連續(xù)性排采、排采強(qiáng)度過大及井底流壓降低過快等因素是影響煤層氣井排采效果的主要工程因素,應(yīng)合理控制。井底流壓充分反映了產(chǎn)氣量的滲流壓力特征,是制定合理排采制度和進(jìn)行精細(xì)化排采控制的基礎(chǔ)。

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