煤層氣井注水洗井工藝技術研究

王 璐 謝相軍 趙 琛

(新疆煤田地質局一五六煤田地質勘探隊，新疆 830091)

煤作為一種彈塑性巖石，硬度較低，容易被壓碎，煤層破碎時會產生煤粉。在煤層氣井的壓裂和排采過程中，煤粉的產出是不可避免的，煤層及壓裂形成的支撐裂縫主要由于煤粉容易出現不同程度的堵塞，而堵塞將導致煤層滲透率降低，產液量下降，壓降范圍縮小，井底壓力流失，從而影響煤層氣井的排采效果；同時產出的煤粉如果不能及時排出井筒，長期附著在凡爾球上會引起泵漏失，更嚴重的引起卡泵，影響排采的連續性。

為了減少煤粉對排采的影響，必須經常性的對煤層氣排采井進行洗井?，F場常用的洗井工藝主要為注水洗井工藝，主要是通過給油套環空內補給水，提高排出水量，加快桿管環空的液體流速，加快煤粉排出井筒，從而保障排采的連續性。

1 煤粉的成因

由于煤層的特性，分析認為在煤層氣井的生產開發過程中，煤粉產生的原因可以分為以下兩類。

(1)壓裂產生煤粉

壓裂時煤層破裂形成裂縫的同時產生煤粉；高排量下壓裂液攜帶的支撐劑對煤層裂縫壁面沖擊，打磨產生煤粉。

(2)排采產生煤粉

排采制度的不合理，造成煤層激動，產生煤粉。排采過程中隨著地層中的水不斷采出，儲層壓力逐漸下降，上覆壓力更多的承擔在煤層的骨架上，造成煤層變形產生煤粉。隨著地層中水的產出，水的流動會造成水流通道壁面的煤粉脫落。

2 注水洗井的工藝原理

注水洗井工藝工作原理為油套環空注入排量Ql的水,增加桿管環空流體流速Vl，使得Vl大于煤粉沉降速度Vs，將煤粉顆粒排出泵筒。

3 洗井的工藝設備

根據現場工作經驗，進行煤層氣井洗井作業時，主要需要以下設備(表1)。

表1 洗井設備一覽表

推薦的主要設備參數見表2。

表2 洗井設備一覽表

4 洗井的工藝適應性分析

4.1 固相煤粉顆粒排出條件研究

(1) 公式法

粒徑不同、形態復雜的煤粉會伴隨著煤層氣和煤層水進入排采系統內，由于現場常用的泵結構中，篩管具有阻擋和過濾作用，因此，粒徑較大的煤粉顆粒不容易進入泵筒內，它們會由于重力的作用下沉，沉積在井底，而大量粒徑較小的煤粉顆粒會進入泵筒內。若在排采過程中，由于排水強度不夠，無法將這些煤粉通過排水帶出泵筒運移到地面，則長期附著在凡爾球上會引起泵漏失，更嚴重的引起卡泵等井下故障。因此，為了分析煤粉在井筒內的沉降速度，從而確定保證不同粒徑煤粉上升的最低液體流速是十分必要的。通過查閱文獻，得到群體煤粉顆粒沉降末速度的計算公式：

式中：ρc為煤粒密度，kg/m3；ρm為液體密度，kg/m3；dc為煤粉粒徑，m；μm為液體粘度，MPa;Sc為體積濃度含煤粉量，%。

同時，查閱文獻得知，當液體流速大于沉降末速度的2.9倍以上，才能保證煤粉被舉升至地面。

通過上述公式，帶入某區塊的相關參數進行計算，得出煤粉顆粒直徑與保證顆粒上升的最低流動速度之間的關系如表3所示。

表3 根據公式計算的顆粒直徑與保證顆粒上升的最低流動速度表

(2)實驗法

流動井液中煤粉沉降軌跡的隨機性較大，且環空井液流場較為復雜，需要借助實驗手段，利用理論計算與統計分析結合法研究給定煤層產出的煤粉在一定井液環境下的沉降規律。

由于現場煤層氣井管式泵使用的篩管縫寬為0.3mm，既進入泵筒內的煤粉粒徑主要在0.3mm以下，通過實驗方法分析煤粉粒徑在0.3mm與0.25mm時，井液流速與煤粒沉速之間的關系，具體如表4所示。

表4 根據實驗法獲得的顆粒直徑與顆粒上升的最低流動速度表

通過表4可知，煤粉粒徑為0.33mm時，當井液流速大于等于27.43m/s，井液速度大于煤粒煤粒沉速，即煤粉可被舉升至地面。

對比計算法與實驗法所得煤粉排采最低流體流速值可以發現，二者差值較小；同時，由于現場煤層氣井管式泵使用的篩管縫寬為0.3mm，既進入泵筒內的煤粉粒徑主要在0.3mm以下。則可以取徑為0.3mm煤粉，在計算法與實驗法所得煤粉排采最低流體流速值的平均值作為該區塊的煤粉排采最低流體流速值：

Vl=(28.3+27.43)/2=27.87 ×10-3m/s

4.2 工藝試驗范圍

通過上述分析可以看出，只有當井液流速超過保證顆粒上升的最低液流速度才能使得煤粉不發生沉積。同時，由于泵的泵徑尺寸不一樣，橫截面積不同，因此在相同的產水量條件下，液體的流速也會不同。因此需計算不同泵徑尺寸下和不同抽油桿和油管組合參數尺寸下保證煤粉上升的最低產水量。

(1)不同泵徑尺寸下保證煤粉上升的最低產水量

煤層氣井常用的泵徑有φ28mm、φ38mm、φ44mm、φ57mm、φ70mm，表5主要計算了不同顆粒直徑在不同泵徑尺寸下煤粉不發生沉積的最低產水量。

表5 不同泵徑尺寸下保證煤粉上升的最低產水量

通過表中計算可以看出，煤粉顆粒直徑相同時，隨著泵徑尺寸的增加，最低日產水量也隨之增大。因此，小泵井的泵更有助于排出煤粉。

(2)不同桿管組合下保證煤粉上升的最低產水量

根據常用的抽油桿和油管組合參數尺寸，計算不同顆粒直徑在不同桿管組合參數下，煤粉不發生沉積的最低產水量(表6)。

表6 不同桿管組合下保證煤粉上升的最低產水量

4.3 洗井排量設計

在生產中為了方便現場操作，洗井排量均按照以下條件設計：

① 煤粉顆粒均按0.3mm進行計算；

② 實際洗井過程日排出量均不小于5m3，所以洗井排量設計受桿管組合影響小，忽略其影響；

③ 排采水量設計不大于泵的最高排出水量(最高沖次按5次計算)的0.8倍；

④ 沖程參數按該泵徑在區塊內所用的最小沖程計算(表7)；

表7 不同泵徑不同沖程泵的最高理論排量

⑤ 洗井排量設計需考慮煤粉濃度影響，現場將煤粉濃度劃分為六個等級(圖1)，煤粉等級在4～6級的井洗井排量在上述條件滿足的情況下約為煤粉等級為1～3級的井的1.5倍；

1→6級圖1 煤粉含量定級標準圖

按照上述設計條件，結合現場經驗，防止注入水量過多而造成產氣影響，不同泵徑的洗井水量參數設計見表8。

表8 不同泵徑洗井排出水量

5 洗井工作制度

(1)注入排量

洗井作業實施前屬地責任人應根據作業井的煤粉等級、泵徑參數來確定排出水量，進一步計算注入水量：

注入排量 = 排出水量-地層日產水量

為了避免操作過程中由于計量誤差引起的實際注入水量大于理論注入水量，造成煤層氣井液面回升產量下掉，現場操作時實際注入水量應略小于理論注入水量(以5%為佳)。

(2)注入總量

根據現場操作經驗，洗井注入總量應根據該井初始幾次洗井時的參數變化來確定，當洗井過程中出現以下現象時已注入水的總量應為該井注入總量：

① 煤粉由高等級逐漸降低至某低等級不變時；

② 示功圖載荷或者抽油機運行最大電流逐漸降低至某一固定值不變時；

③ 抽油機運行由抖動逐漸變化至恒定平穩運行時；

④ 示功圖顯示由泵漏失轉變為正常不變時；

生產管理中，洗井注入總量還應考慮洗井水源、經濟性與時效性，一般情況下洗井注水總量不小于桿管環空體積的2倍，不大于桿管環空體積的5倍。

(3)洗井周期

根據現場操作經驗，洗井周期應根據該井故障周期、煤粉濃度、日產氣量、日產水量來確定，主要有以下幾種：

① 當該井兩年內有由于煤粉、煤泥導致的井下故障時，將該最短故障周期的1/4定為該井的洗井周期；

② 當該井無由于煤粉、煤泥導致的井下故障時，應根據煤粉濃度、日產氣量、日產水量來確定、井下工況、初始的洗井效果來確定洗井周期；煤粉濃度越低、井下工況故障良好、日產氣量越高、日產水量越大洗井周期越長。