張光波 劉 忠 崔新瑞 李學(xué)博 李 俊 李 鵬

(中國(guó)石油華北油田山西煤層氣勘探開(kāi)發(fā)分公司，山西 048000)

1 基本情況

沁水盆地南部樊莊區(qū)塊已開(kāi)發(fā)建設(shè)10余年，累計(jì)投產(chǎn)生產(chǎn)井1100口，采用的壓裂液體系主要是活性水壓裂液，其攜砂能力較差。由于活性水的攜砂性能不強(qiáng)，石英砂在自身的重力作用下快速沉降，在近井地帶形成沙丘。由于壓裂砂的這種近井堆積方式，造成了越靠近井筒，壓裂砂的量越多，在較高的流速下，壓裂砂被帶出煤層。

樊莊區(qū)塊煤層氣井煤層埋深普遍在800m以?xún)?nèi)，通過(guò)分析研究區(qū)內(nèi)的300口生產(chǎn)井2013年～2017年作業(yè)情況發(fā)現(xiàn)：易發(fā)生支撐劑回流井現(xiàn)象的有32口井45井次，占檢泵次數(shù)比例5.9%(圖1)，其埋深普遍較淺，主要分布在600m以淺區(qū)域(圖2)。由于上覆巖層對(duì)煤層的作用力不高，壓裂后裂縫的閉合應(yīng)力低，造成了裂縫對(duì)壓裂砂的夾持能力較差，在較高的流速下，支撐劑易被流體帶出裂縫，返吐入井筒。與卡泵、換泵、桿斷等原因相比，砂埋管柱造成的影響更大：一方面砂埋管柱井作業(yè)周期較長(zhǎng)，影響排采的連續(xù)性；另一方面作業(yè)過(guò)程中需要沖砂洗井，可能會(huì)造成污染。

圖1 研究區(qū)2013～2017年檢泵原因及次數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖2 研究區(qū)煤層埋深分布散點(diǎn)圖

2 排采周期內(nèi)支撐劑回流原因分析

通過(guò)十多年的開(kāi)發(fā)實(shí)踐，排采控制技術(shù)得到不斷完善，采用“五段三壓四點(diǎn)法”的精細(xì)排采管控方式，該管控方法將單井生產(chǎn)歷史劃分為排水段、憋壓段、控壓產(chǎn)氣段、穩(wěn)產(chǎn)段和衰竭段五個(gè)階段。分析認(rèn)為支撐劑回流現(xiàn)象主要發(fā)生在排水段、控壓產(chǎn)氣段和穩(wěn)產(chǎn)段。

2.1 排水段支撐劑回流原因分析

排水段包括快速返排階段和有效排水階段，此階段主要產(chǎn)出液體為殘留壓裂液和煤層空隙水。

排水階段地層流體為水相流，分析認(rèn)為日產(chǎn)水大于15m3，日降液幅度大于10m時(shí)易發(fā)生支撐劑回流現(xiàn)象。如果生產(chǎn)強(qiáng)度過(guò)大，煤儲(chǔ)層壓力與井筒的壓差會(huì)快速增大，流體流速明顯加快，壓裂砂在壓力差作用下會(huì)隨水流出，出現(xiàn)支撐劑回流現(xiàn)象。

HY8-10井(圖3)煤層埋深577m，排水段排采強(qiáng)度較大(沖程1.5m，沖次9次/min)，日產(chǎn)水長(zhǎng)期在20m3以上，生產(chǎn)315天后水量逐漸減少，生產(chǎn)526天后無(wú)液，作業(yè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)砂埋管柱現(xiàn)象，作業(yè)耗時(shí)共5天。

圖3 HY8-10井生產(chǎn)曲線

2.2 控壓產(chǎn)氣段支撐劑回流原因分析

控壓產(chǎn)氣段是憋壓后連續(xù)放氣段，此階段壓力平穩(wěn)下降、氣量緩慢上升。要求套壓達(dá)到解吸壓力2/3出開(kāi)始放氣，單次放氣100～200m3，日降流壓小于0.03MPa。

控壓產(chǎn)氣階段地層流體為氣水兩相流，分析認(rèn)為在控壓產(chǎn)氣階段應(yīng)保持地層產(chǎn)液連續(xù)平穩(wěn)、不易頻繁調(diào)整制度，若此階段日產(chǎn)水大于10m3，易發(fā)生支撐劑回流現(xiàn)象。隨著解吸氣量快速增加，流體密度下降，流體流動(dòng)能力進(jìn)一步增大，攜砂能力也隨之增加。此時(shí)如果控制不合理，排采強(qiáng)度較高，壓裂砂會(huì)被帶入井筒，造成卡泵、砂埋管柱事故。同時(shí)，導(dǎo)致近井地帶支撐能力下降，滲透性有所降低，導(dǎo)致產(chǎn)氣量低于正常井。

HD03井(圖4)煤層埋深597.5m，為加快降液速度，及早形成穩(wěn)定氣流，采取了高強(qiáng)度排采控制：沖程由1.7m增大至2.5m，沖次長(zhǎng)期在6次以上，控壓產(chǎn)氣階段日產(chǎn)水50m3左右，導(dǎo)致地層吐砂嚴(yán)重，頻繁出現(xiàn)砂卡或砂埋管柱現(xiàn)象，生產(chǎn)屢次中斷，產(chǎn)氣量由5000m3降至3000m3，產(chǎn)水量由50m3下降至30m3，儲(chǔ)層受到嚴(yán)重傷害。

圖4 HD03井生產(chǎn)曲線

2.3 穩(wěn)產(chǎn)段支撐劑回流分析

該階段主要是產(chǎn)氣量穩(wěn)定階段，此階段氣、水、壓力平穩(wěn)，流壓一般低于0.2MPa。

穩(wěn)產(chǎn)階段較前三個(gè)階段產(chǎn)水量大幅較少，地層流體以氣相流為主。分析認(rèn)為此階段氣量大于4000m3的生產(chǎn)井，在高氣流產(chǎn)出和近井地帶壓差共同作用下，支撐劑易發(fā)生回流。由于此階段內(nèi)日產(chǎn)水量較小，不足以攜帶井筒內(nèi)的壓裂砂至地面，若長(zhǎng)期不檢泵，砂面緩慢升高，會(huì)導(dǎo)致砂埋管柱的情況，生產(chǎn)表現(xiàn)為產(chǎn)水緩慢減少，氣量緩慢下降。

Stokes定律：顆粒沉降速度：v=g(ρs-ρ)×d2/18μ

(1)

式中：ρs為顆粒密度，kg/m3；ρ為水密度，kg/m3；d為顆粒直徑，mm；μ為水動(dòng)力粘度，Pa.s。

顆粒在油管內(nèi)排出最少產(chǎn)水量：Q=v×(S1-S2)

(2)

式中：v為顆粒沉降速度，m/s；S1為油管截面內(nèi)面積，mm2；S2為抽油桿截面積，mm2。

支撐劑石英砂的密度為2650kg/m3，常溫下水密度為1kg/m3，水動(dòng)力粘度0.001Pa.s，假設(shè)使用的是直徑73mm的平式油管，直徑19mm的扶正式抽油桿。通過(guò)公式(1)(2)可計(jì)算可以得出粒徑相對(duì)較小的0.2mm的砂粒需要日產(chǎn)水量3.7m3才可攜帶出井筒。因此，對(duì)于產(chǎn)水量較小的井，應(yīng)及時(shí)檢泵作業(yè)清理井筒，避免砂埋管柱現(xiàn)象發(fā)生。

DS-099井(見(jiàn)圖5)煤層埋深550m，穩(wěn)定氣量6800m3，正常產(chǎn)液0.1m3，排采四年后氣量緩慢下降，后出現(xiàn)卡泵現(xiàn)象，作業(yè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)砂埋管柱現(xiàn)象，作業(yè)周期23天，嚴(yán)重影響了排采連續(xù)性。同時(shí)作業(yè)過(guò)程中由于沖砂造成儲(chǔ)層污染，導(dǎo)致作業(yè)后產(chǎn)氣量未恢復(fù)到作業(yè)前水平。

圖5 DS-099井生產(chǎn)曲線

3 應(yīng)對(duì)措施

3.1 改變壓裂砂的分布方式

近井地帶壓裂砂的堆積方式是壓裂后壓裂砂返吐的主要因素。改變壓裂砂近井地帶的堆積方式主要有以下幾種方法：(1)使用低密度支撐劑：在同樣的施工排量下，在攜砂液前段使用低密度的支撐劑可以支撐劑在裂縫中均勻分布，避免了支撐劑在井口的堆積。(2)在近井地帶形成遮擋層：在壓裂后期通過(guò)加入固化劑、纖維等添加物，與支撐劑混合注入地層尾追注入，在近井地帶形成有效的遮擋層，能夠有效的防止壓裂砂返吐。

以沁12-55井(圖6)為例，煤層埋深615m，該井壓裂時(shí)注入液量861.61m3，加入石英砂40.5m3，低密度支撐劑10m3。2013年6月投產(chǎn)后，僅在2016年1月初因油管磨漏檢泵一次，作業(yè)過(guò)程中井筒內(nèi)基本無(wú)砂。

圖6 沁12-55井生產(chǎn)曲線

3.2 優(yōu)化排采制度

在排水階段和控壓產(chǎn)氣階段如果排采速率過(guò)快，流體的攜砂能力過(guò)強(qiáng)，壓裂砂易被攜帶出裂縫進(jìn)入井筒；如果排采速率過(guò)小，使解吸見(jiàn)氣周期延長(zhǎng)，生產(chǎn)成本會(huì)增加。在穩(wěn)產(chǎn)階段內(nèi)，應(yīng)控制單井的采氣速度，如果采氣速度過(guò)快，易造成支撐劑回流；如果采氣速度過(guò)慢，排采周期會(huì)延長(zhǎng)，增加生產(chǎn)成本。因此在排采過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)不同的地質(zhì)條件控制排采速率及不同的生產(chǎn)需求，制定合理的壓降速度。

以HG1-46井(圖7)為例，煤層埋深615.8m，投產(chǎn)后一直以較低的工作制度運(yùn)行，排水段日產(chǎn)水小于3m3，穩(wěn)產(chǎn)階段氣量一直控制在3000m3左右，至今未檢泵。

圖7 HG1-46井生產(chǎn)曲線

表1 不同目數(shù)篩網(wǎng)可限制砂粒孔徑

3.3 優(yōu)化井下泵

應(yīng)用防砂泵，不能防止支撐劑回流現(xiàn)象發(fā)生，但是可有限度、有選擇的防砂，避免砂卡、砂埋管柱現(xiàn)象發(fā)生。目前所用的支撐劑主要為：40/70目石英砂、20/40目石英砂、16/20目石英砂。防砂泵根據(jù)篩網(wǎng)目數(shù)的大小有選擇地阻止易造成卡泵的較大顆粒進(jìn)入泵筒，使之沉降在沉砂口袋，允許不易造成卡泵的小顆粒進(jìn)入抽油泵內(nèi)隨煤層水一起排至地面。應(yīng)用50目篩網(wǎng)的防砂泵可以有效防止粒徑大于0.36mm的砂粒進(jìn)入泵筒。

以HG13-3井(圖8)為例，煤層埋深588.2m，2013年4月氣量由2000m3突降至0m3，檢泵后發(fā)現(xiàn)吐砂嚴(yán)重，泵游動(dòng)凡爾閉合不嚴(yán)，更換新泵后兩月又出現(xiàn)類(lèi)似情況。后更換防砂泵后產(chǎn)氣產(chǎn)水平穩(wěn)。

圖8 HG13-3井生產(chǎn)曲線

4 結(jié)論

(1)煤層氣井通常采用活性水加砂對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行改造，但是支撐劑回流容易造成近井地帶裂縫閉合影響改造效果以及砂埋管柱、卡泵等生產(chǎn)事故。

(2)煤層埋深在600m以淺，排水階段日產(chǎn)水大于15m3、日降液幅度大于10m；控壓產(chǎn)氣階段日產(chǎn)水大于10m3；穩(wěn)產(chǎn)段日產(chǎn)氣大于4000m3易發(fā)生支撐劑回流現(xiàn)象。

(3)應(yīng)用低密度支撐劑或者加入添加劑在近井地帶形成遮擋層、制定合理的排采制度、應(yīng)用防砂泵可以有效的減少支撐劑回流對(duì)排采連續(xù)性的影響。

參 考 文 獻(xiàn)

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