阜新地區煤層氣井清砂作業分析

姚 錦

(中石油長城鉆探工程有限公司煤層氣開發公司, 遼寧 124010)

1 概述

煤層氣是一種低壓低滲氣藏, 目前開采方式基本上都必須通過壓裂 (加砂) - 排水- 降壓- 采氣的流程進行開采。在實際開采過程中, 隨著煤層開采時間的變化和開采制度的不同, 煤層出砂現象對煤層氣開采有著很大的影響。根據煤層氣開采的特點, 排采管柱的吸入口一般都在煤層以下, 煤層一旦出砂后, 隨著生產時間的延長, 井底積砂越來越多, 砂面不斷上升以致掩埋吸入口造成檢泵施工,嚴重時甚至造成砂卡管柱鉆大修的井下事故, 而煤層漏失、井底砂和煤粉膠結的一些特性給清砂作業帶來了很多難題, 不但增加了作業工作量和作業費用, 而且還容易污染煤層影響產氣量。所以只有有效的解決好該問題, 煤層氣才能實現長期有效、低成本開采的目標。

中石油長城鉆探工程公司煤層氣開發公司自2006 年在阜新地區開發煤層氣以來已有5 年的時間, 清砂工作經歷了由新井壓裂到排采穩定期的不同階段。在清砂的工作中采用了多種不同的方法并研制新改進了一些撈砂工具, 目前已較好的解決了該問題。

2 煤層出砂機理

煤層氣井砂子的來源主要有兩個： 一個是壓裂施工中添加的石英砂等支撐劑; 另一個是選層射孔時射開煤層附近的砂巖層。

煤層出砂的主要機理是地層中的松散砂粒在生產壓差的驅動下, 隨著產出液流向井筒, 一部分被產出液攜帶至井口產出, 一部分由于密度差沉淀到井底, 造成井底積砂。地層出砂沒有明顯的深度界線, 一般來說, 地層應力超過地層強度就有可能出砂。地層強度取決于地層膠結的膠結力、圈閉流體的粘著力、地層顆粒物之間的摩擦力以及地層顆粒本身的重力。地層應力包括地層結構應力、上覆壓力和流體流動時對地層顆粒施加的推拽力, 還有地層空隙壓力和生產壓差形成的作用力。由此可見,地層出砂是由多種地層因素決定的, 但是在實際排采時通過采用合理的排采制度和防砂工具等措施可以有效的減緩地層出砂的速度和砂卡排采泵的機率。

3 阜新地區情況簡介

阜新地區未采區塊的煤層氣井全部都是經過壓裂投產后開采的, 由于阜新地區煤層較厚, 導致壓裂時加砂量較大 (詳見表1) , 所以給排采期間的清砂工作帶來了很大的工作量。目前阜新地區煤層氣井常用的清砂方法有兩種： 水力沖砂和和機械撈砂。下面就以阜新區塊為例對上述兩種清砂方法進行說明。

表1 阜淅地區出砂情況表

4 水力沖砂

所謂水力沖砂就是利用高速流動的液體將井底砂柱沖散, 并借用液流循環上返的攜帶能力將沖散的砂子帶到地面,從而清除井底的沉砂的方法。水力沖砂可分為正沖砂、反沖砂和正反沖砂,所謂正沖砂是指沖砂液沿著油管(沖砂管)向下流動,在流出油管時,以較高的流速沖散砂堵,被沖散的砂子與沖砂液混合一起沿著油管和套管的環形空間返至地面的沖砂方法;反沖砂是指沖砂液沿著油管(沖砂管)與套管環形空間向下流動,沖擊井底沉砂,被沖散的砂子與沖砂液混合在一起沿著油管(沖砂管)返至地面的沖砂方式。正反沖砂就是采用正沖的方式沖散砂堵,并使其呈懸浮狀態,然后迅速改用反沖洗,將砂子帶到地面的沖砂方式。根據煤層的特性,我們認為正沖砂的方式比較適合煤層沖砂。

4．1 正沖砂施工

在煤層正沖砂施工中,我們在以下兩種井況下進行了實施：第一種情況是在新井壓裂后清砂;第二種情況是井筒砂柱較長且硬,機械撈砂工作量大。經實施后都取得了較好的效果,總結如下經驗：

(1) 沖砂時盡量采用排量較大的壓裂泵車或大排量聯泵 (兩臺以上的普通泵車) 沖砂, 避免因嚴重井漏、砂量大造成卡管柱事故。

(2) 沖砂液要選用地層水或清水, 盡量減小對煤層的污染和堵塞。

(3) 不建議把油井沖砂的暫堵劑應用在煤層氣井, 易造成煤層污染和暫堵劑失效。

(4) 沖砂至井底后, 循環的沖砂液要在井筒容積的2 倍以上, 在返出口的沖砂液含砂量小于0．2%時, 結束沖砂施工。

(5) 沖砂施工結束后, 要關井4 小時后回探砂面, 以防煤層吐砂。

(6) 沖砂前要做好技術交底, 避免因人為原因造成的沖砂暫停和工程事故。

4．2 負壓 (氣化液) 沖砂

現場若不具備壓裂車或大排量聯泵的沖砂條件且普通泵車不能滿足漏失井沖砂的情況下, 可考慮采用負壓 (氣化液) 沖砂的方式。負壓沖砂是采用泵出的沖砂液和氮氣混合而成的混合液進行的沖砂方式, 氣化液的液體可采用煤層水或清水。氣化液沖砂的實質是降低沖砂液的密度, 從而降低液柱對井底產生的回壓, 依靠氣化液沖散井內積砂并攜帶出井筒, 達到沖砂的目的。該施工方法工藝要求較高, 需要有經驗的工程人員指揮施工。在施工中需要注意以下事項：

(1) 確保沖砂液中摻入的氣體必須是氮氣, 以避免在沖砂液出口存在氣體爆炸的安全隱患。

(2) 氮氣車出口與泵車之間要安裝單流閥, 井口應裝高壓封井器。

(3) 必須采用正沖方式, 井內管柱裝單流閥,防止換單根油管時內流體外溢噴射。

(4) 沖砂時氮氣車與泵車聯合, 使用時先開泵車, 后開氮氣車, 使泵不受其它因素的影響, 保證上水正常。

(5) 液體的氣化程度, 要按需要調節, 有時在漏失特別嚴重的井沖砂, 在氣化水沖砂的基礎上,可向水中加入泡沫劑, 進行泡沫沖砂, 以達到更好地降低氣化液密度和減少漏失的效果。

(6) 配置沖砂液排量參考： 泵廠排量： 500L/min、氮氣車排量： 8m3/min。

(7) 出口管線必須采用硬管線并用地錨固定牢靠, 要有防污染措施。

5 機械撈砂

機械撈砂就是把撈砂工具下入井內撈出井內沉砂的施工工藝。多次撈砂施工可將煤層內游離態的砂粒逐漸撈凈, 有利于煤層氣井的長期排采。從撈砂泵的性質可分為柱塞式撈砂泵和真空式撈砂泵,從連接撈砂工具下井方式可分為硬撈砂和軟撈砂,硬撈砂是油管連接撈砂工具下井, 軟撈砂則是鋼絲繩連接撈砂工具下井。軟撈砂具有工作量小、撈砂進度快的優點, 但是由于撈砂管柱自身懸重較輕,對硬度較大的砂面撈砂效果較差且需要專業的撈砂隊配合, 所以根據阜新現場的實際情況, 我們基本采用硬撈砂的方式進行撈砂。在實際施工中, 我們除水力沖砂的兩種井況外, 其余的井況均采用硬撈砂的方法清砂。在實際應用中, 由于各井開采煤層的厚度不同, 還有些井射開了粉砂巖層, 所以在撈砂施工中所遇到的問題也是不盡相同的, 我們根據不同的井下情況采用了不同的撈砂措施并自行研制改進了撈砂泵, 在實際應用中取得了很好的效果。

5．1 砂里含煤泥較多, 造成撈砂泵泵效降低的處理辦法

(1) 對下井的每趟撈砂泵都要在起出后卸開清洗撈砂泵的活塞和泵筒, 確保泵效不受煤泥等雜質的影響。

(2) 若砂子與煤泥膠結嚴重, 造成砂子粘度大、撈砂困難, 可以采用沖砂的方式沖散上部約10m 的沉砂, 再用撈砂泵撈砂的方式清砂。沖砂優先選用煤層水, 并在沖砂施工中要選擇小排量、快進尺、到達預計深度后停泵快速上提的操作方法,要明確沖砂目的只是把沉砂沖散, 避免把過多的砂子沖入地層。

5．2 煤層吐砂導致多次重復撈砂的處理辦法

對煤層吐砂嚴重、邊撈砂便吐砂的井, 把撈砂泵下接的φ73mm 平式油管改為接φ89mm 平式油管,以增加每趟撈砂管柱的撈砂量, 達到減少撈砂趟數目的。

5．3 砂蓋較硬造成撈砂無進尺的處理辦法

對于井內積砂時間較長, 砂柱頂部的砂子由于壓實作用或與具有粘性的煤粉長時間結合在一起形成硬結面, 造成撈砂無進尺的井, 我們借鑒了油井熱采管柱中伸縮管的倒扣原理改進了常用的撈砂泵。使其具有傳遞扭矩的功能, 并配套研制了鋸齒形和焊硬質合金的兩種撈砂筆尖。通過在地面旋轉管柱或在撈砂管柱下放的沖擊力下形成旋轉作用力, 可以使撈砂筆尖輕易的攪散砂面, 很好的解決了該問題。

5．4 井內液面較低, 造成撈砂泵泵效低的處理辦法：

(1) 撈砂施工的同時向井內快速灌入煤層水,以提高井內液面達到提高撈砂泵效的目的。

(2) 將撈砂泵上接頭更換為沒有排水口的接頭, 根據實際情況將排水口連接在上部油管 (一般約50m) 處, 連接其間的油管在下井的過程中將其灌滿清水, 該方法可以增加撈砂泵的密封性、提高泵效, 有效克服該問題。

6 結論

隨著煤層氣業務發展的逐年擴大, 工藝水平的不斷提高, 清砂工藝也應該借鑒油田的一些先進工藝應用在水平井或重點井上。目前油井的連續油管技術, 可以實現對煤層氣井在不壓井的情況下進行連續沖砂的工藝, 可有效的解決水平井或重點井的清砂難題。

煤層氣井的清砂作業工藝是煤層氣開發很重要的內容, 對清砂工藝的研究首先要從壓裂投產開始,其次在實際排采中要采用合理有效的排采制度和防砂工具,減少因煤層吐砂導致的作業頻率,最后在現場作業要根據每口井生產的實際情況結合撈砂情況,在撈砂工藝和工具上不斷完善和創新,才能有效的實現煤層氣井長期有效和低成本開發的目的。

[1] 聶海光等．油氣田井下作業修井工程 [M] ．北京：石油工業出版社, 2002．