高煤階煤層氣井煤粉產(chǎn)出對滲透率影響研究

白建梅 孫玉英 李 薇 崔金榜 周 燦

(華北油田公司采油工藝研究院, 河北 062552)

煤巖是一種抗壓和抗拉強(qiáng)度較低的脆弱介質(zhì),在鉆井、開采過程中煤巖由于受到較大的壓力波動、水力沖擊震動, 液柱的機(jī)械碰撞等外力作用容易使煤巖結(jié)構(gòu)破壞, 可能導(dǎo)致井壁坍塌, 堵塞煤巖裂縫等不利煤層氣開采的后果。

根據(jù)沁水盆地南部樊莊區(qū)塊煤層氣排采實(shí)踐經(jīng)驗(yàn), 煤粉產(chǎn)出呈現(xiàn)出一些基本規(guī)律：

①動液面初次降至煤層附近時(shí), 可能出現(xiàn)一個(gè)煤粉相對高發(fā)期, 統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示, 該階段煤粉爆發(fā)的幾率較排采的其他時(shí)間段高出50%以上;

②煤粉產(chǎn)出與降液速率密切相關(guān)．排液工作制度過強(qiáng), 動液面下降速率過快, 煤粉產(chǎn)出幾率大幅度增加;

③壓裂后未立即投入排采井, 煤粉沉積事故顯著增加, 統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示, 壓裂后三天未排采井, 幾乎都發(fā)生煤粉沉積現(xiàn)象。

本文采用從樊莊區(qū)塊煤層氣排采井采得的煤粉樣以及該區(qū)塊的煤樣, 進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn), 研究降壓排水過程中煤粉的控制方法。

多分支水平井集鉆井、完井和增產(chǎn)措施于一體, 是開發(fā)煤層氣的主要手段之一, 該技術(shù)可以提高單井產(chǎn)量, 減少占用土地; 加快采氣速度; 不下套管, 便于今后的采煤, 是先采氣后采煤的最佳配套技術(shù), 在國外煤層氣的開發(fā)實(shí)踐中取得了很好的應(yīng)用效果。國內(nèi)沁水盆地華北油田自2007 年12 月第一口羽狀多分支水平井投產(chǎn)以來, 一直受煤粉卡泵的困擾, 水平井檢泵作業(yè)中99%以上為煤粉卡泵, 高頻率的檢泵, 不僅影響了產(chǎn)氣井的正常運(yùn)行和平穩(wěn)產(chǎn)氣, 同時(shí)也帶來巨額的檢泵作業(yè)費(fèi)用。為此, 相關(guān)技術(shù)人員專門對多分支水平井煤粉的成因開展了相關(guān)的技術(shù)研究, 初步查明了煤粉形成的主控因素。

1 煤粉遷移對滲透率的影響

選擇裂縫割理發(fā)育的煤巖, 鉆成25mm 直徑的巖心, 將鉆切后的小巖心稱重后飽和煤層水 (室內(nèi)配置的模擬煤層水, 水的PH 值為8．5) , 稱取飽和水后的重量。將飽和水后的煤巖心裝入巖心夾持器, 接好實(shí)驗(yàn)流程 (流程圖見圖1) ; 加圍壓, 保持環(huán)壓值大于巖心夾持器進(jìn)口壓力2．0MPa。將煤層水在一定的流速下注入煤巖心, 待壓力穩(wěn)定后測定在此速度下的壓差值, 計(jì)算該流速時(shí)的滲透率。在測定壓力的同時(shí)收集煤巖心出口端流出液, 流出液經(jīng)透明軟管流入放有濾膜的玻璃漏斗, 并觀察出口端是否有煤粉產(chǎn)出。實(shí)驗(yàn)速度由小到大分別為0．1mL/min、 0．25mL/min、 0．5mL/min、 0．75mL/min、1．0mL/min、1．5mL/min、2．0mL/min、3．0mL/min、4．0mL/min、5．0mL/min、6．0mL/min。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后繪制速度和滲透率關(guān)系曲線。

流速與煤巖心滲透率的關(guān)系見圖1、2。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出, 五塊煤巖心中只有F60 號煤巖心在流動的初始階段有煤粉顆粒產(chǎn)出, 其余四塊煤巖心未見產(chǎn)出煤粉。對比流速與煤巖心滲透率的關(guān)系曲線可以看出, F60 號煤巖心在流動的初始階段滲透率隨流速增加而升高, 這可能與煤粉產(chǎn)出和有效應(yīng)力下降有關(guān)。在沒有煤粉產(chǎn)出的F280、F57 和S6號煤巖心中, 滲透率隨流動速度的增大表現(xiàn)出下降的趨勢, 這種現(xiàn)象與煤粉的遷移有關(guān), 當(dāng)速度增大時(shí), 割理中的微粒更容易移動, 當(dāng)微粒堆積在窄口時(shí), 滲透率下降。在滲透率很低的S7 號煤巖心中,隨流動速度增大, 滲透率升高。為了研究該煤巖心中是否有微粒移動, 又進(jìn)行了反向試驗(yàn), 沒有出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象, 說明在該煤巖心中沒有微粒移動, 結(jié)合煤巖應(yīng)力敏感性特征, 認(rèn)為滲透率升高是由于流速增大后, 孔隙壓力增大, 煤巖所受有效應(yīng)力下降的原因。

圖1 1#煤心流速與滲透率關(guān)系曲線

圖2 2#煤心流速與滲透率關(guān)系曲線

從所有曲線的趨勢中可以看出, 無論縫寬、粒度如何改變, 在煤粉運(yùn)移時(shí)煤巖的滲透率都隨流速的增大而下降, 滲透率損害率升高。以F1 和F2 號煤巖心為例, 同樣縫寬為38μm, 分別以0．5mL/min和1．5mL/min 的流動速度將含有相同粒徑、相同固相含量的煤層水注入煤巖心 (顆粒直徑為5．45μm,固相含量為300mg/L) , 同樣注入75 倍孔隙體積的液體時(shí), F1 號煤巖心滲透率損害率為19．38%, 而F2 號煤巖心滲透率損害率為29．55%, 相差10．17%。當(dāng)注入75 倍孔隙體積的液體時(shí), F1 號煤巖心滲透率損害率為19．38%, 而F2 號煤巖心滲透率損害率為29．55%, 相差10．17%。注入150 倍孔隙體積的液體時(shí), F1 號煤巖心滲透率損害率為19．38%, 而F2 號煤巖心滲透率損害率為34．96%,相差15．58%。由此可見, 在煤粉遷移的過程中,煤粉在裂縫割理中逐漸沉積, 使得裂縫寬度變窄,滲透率下降。流速增大使得煤粉易發(fā)生遷移, 更多的煤粉進(jìn)入裂縫系統(tǒng), 堵塞流動通道, 造成滲透率傷害。

裂縫寬度、顆粒尺寸對煤粉運(yùn)移過程中的滲透率傷害也有一定的影響。從圖3、4 中可以看出,當(dāng)縫寬為38μm 時(shí), 顆粒越細(xì), 滲透率傷害越嚴(yán)重, 出口端煤粉含量越大。這是由于, 裂縫越寬,顆粒越細(xì), 越容易進(jìn)入裂縫并發(fā)生堵塞。

圖3 相同裂縫寬度、不同顆粒直徑滲透率傷害率與流速的關(guān)系

圖4 相同顆粒直徑、不同裂縫寬度滲透率傷害率與流速的關(guān)系

2 不同排水階段煤粉遷移與滲透率的關(guān)系

圖5、圖6 反映了不同排水階段煤粉遷移時(shí)滲透率的傷害率。在相同裂縫寬度、相同顆粒直徑下, 隨著注入體積的增加, 滲透率傷害更加嚴(yán)重。在排水的初始階段, 隨著注入體積的增加, 滲透率傷害率非常大, 但是排出一定體積之后, 再注入流體滲透率下降速度減慢, 表明煤巖滲透率傷害主要發(fā)生在煤粉運(yùn)移的初始階段, 因此在降壓排采過程初期, 就應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制煤粉。

圖5 相同裂縫寬度、相同顆粒直徑時(shí)不同時(shí)滲透率傷害率與流速的關(guān)系

圖6 相同裂縫寬度、相注入體積滲透率傷害率與流速的關(guān)系

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 較低的排采速度可以降低煤粉對煤層滲透率的傷害, 有利于煤層氣長久開采。當(dāng)裂縫寬度較大時(shí), 滲透率傷害相對較小且出粉量在低流速下較少, 因此應(yīng)在盡量滿足生產(chǎn)要求的條件下, 努力擴(kuò)大裂縫寬度, 控制排采速度。

3 優(yōu)化排液工作制度防止應(yīng)力突變產(chǎn)生煤粉研究

現(xiàn)場生產(chǎn)資料顯示, 排液工作制度過強(qiáng), 動液面下降速率過快, 煤粉產(chǎn)出幾率大幅度增加。為了了解煤粉產(chǎn)出與速度改變的關(guān)系, 設(shè)計(jì)了室內(nèi)巖心流動實(shí)驗(yàn), 分別研究速度逐漸升高和突然升高兩種條件下煤粉的產(chǎn)出情況。流動速度分別為第一組0．05mL/min、 0．1mL/min、 0．25mL/min、 0．5mL/min, 第二組0．5mL/min。實(shí)驗(yàn)方法是, 將長度為1．5cm, 中間有裂縫的煤巖心用膠帶纏好圓柱面,并延長至圓柱面外2cm, 將煤粉填至延長的部分,并壓實(shí)。制作好的巖心一端是有裂縫的煤巖, 在裂縫的后端是壓實(shí)的煤粉。將制作好的煤巖心裝入巖心夾持器, 加圍壓, 采用第一組速度, 將煤層水在0．05mL/min 的速度下注入巖心, 在出口端收集流出液, 并觀察出粉情況; 注入20mL 后改變速度為0．1mL/min, 繼續(xù)注入20mL 液體, 一直將速度增加到0．5mL/min, 測定總的出粉量; 另一塊巖心采用第二組速度, 將煤層水在0．5mL/min 的速度下注入巖心, 注入總體積與第一組速度注入的總體積相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 煤粉產(chǎn)出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表1 中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示, 排液速度突然提升與緩慢上升所產(chǎn)出的煤粉量相差很大, 緩慢提高速度可控制煤粉產(chǎn)出。另外在反復(fù)停產(chǎn)、生產(chǎn)的激動條件下產(chǎn)出的煤粉更多。

4 結(jié)論

較低的排采速度可以降低煤粉對煤層滲透率的傷害, 有利于煤層氣長久開采控制排采速度、控制井底壓力可以控制煤粉產(chǎn)出而且排采過程要盡量避免反復(fù)停產(chǎn)、生產(chǎn)等激動條件的產(chǎn)生。

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