L型煤層氣水平井撈砂技術的研究與應用

朱煥璽

(新疆煤田地質(zhì)局一五六煤田地質(zhì)勘探隊,新疆 830009)

L型煤層氣水平井在煤層氣開發(fā)過程中運用越來越廣泛，隨著煤層氣開采的，煤層氣井內(nèi)出砂清理問題日益突出，由于煤層氣井長期排采導致井內(nèi)地層虧空，沖砂會導致沖洗液進入儲層，導致儲層污染，且沖砂漏失大，連續(xù)沖砂施工難度大，采用常規(guī)的清砂手段在煤層氣水平井中難以奏效。水平井撈砂技術能夠在保護儲層的基礎上，有效清理井內(nèi)沉砂，但現(xiàn)有的撈砂技術適用在直井和定向井中，無法在水平井中無法使用，為了解決上述問題，研究制定了L型煤層氣井水平井相匹配的撈砂技術，有效解決了L型煤層氣水平井中的除砂問題。

1 L型煤層氣井儲層出砂的機理和危害

1.1 煤儲層的出砂機理

1.1.1 地質(zhì)原因

(1)新疆地區(qū)現(xiàn)在施工的L型煤層氣井儲層煤層多為厚度在20～40m厚煤層及巨厚煤層，屬濱湖相-泥炭沼澤相沉積的細碎屑巖。煤體結構為塊煤，中間無夾矸或一至兩層薄碳泥夾矸，煤層上下蓋層屬于炭質(zhì)泥巖和碳質(zhì)泥質(zhì)，地層結構穩(wěn)定。

(2)巖石類型特點

儲層煤層為塑形巖石，變形能力強，地層裂縫不隨壓力閉合，含砂能力弱，上下蓋層以泥質(zhì)膠接為主，巖石較疏松，強度低，極易容易出砂。新疆準南煤田煤層具有不均質(zhì)性，煤層性質(zhì)變化大，脆性煤質(zhì)和軟煤均存在，割理、裂隙發(fā)育不均勻。

(3)地層壓力

原生地層壓力有流體壓力和原生地層共同承擔，隨著壓裂和排采的進行，儲層流體被排出井外，上覆壓力轉(zhuǎn)嫁給儲層，導致儲層壓力增大，煤層破碎，煤層出砂和煤粉嚴重。

1.1.2 工程原因

(1)儲層產(chǎn)水

煤儲層鉆井過程中，存在鉆穿上下底板的情況，煤層中存在炭泥質(zhì)夾矸，當開始排采時，水中溶解地層中旳膠接物質(zhì)，地層膠接強度降低。

(2)壓裂施工

煤層氣儲層屬于低壓儲層，開采的過程中，壓裂是增產(chǎn)改造的重要措施，壓裂的過程中劇烈的壓力波動，造成煤層氣儲層煤體破碎，產(chǎn)生大量煤粉隨壓裂液和壓裂砂進入儲層裂縫中。L型煤層氣水平井水平段壓裂段數(shù)多，規(guī)模大，煤儲層吐砂、吐煤粉嚴重。

(3)排采生產(chǎn)

煤層氣排采的過程就是排水降壓的過程，壓裂后放噴過快，壓降劇烈，排采泵排水降壓降幅過快，儲層裂隙中液體向井內(nèi)流速快，攜帶煤粉和壓裂砂一起向井筒內(nèi)運動，造成井筒內(nèi)壓裂砂和煤粉堆積，堵塞排采通道。

1.2 水平井沉砂的特點

L型水平井由于井身特點的限制，煤粉和沉砂多在80°以上水平段沉積，由于L型煤層氣水平井水平段上翹3°～5°，砂子和煤粉在重力及井筒內(nèi)流體運動的情況下，逐步向80°～90°之間運移，并在水平井段井筒內(nèi)下部成波浪型分布。

1.3 煤層氣水平井出砂出煤粉的危害

煤層氣水平井出砂出煤粉對水平井的生產(chǎn)產(chǎn)生嚴重影響，輕則煤粉和砂子造成管式泵卡泵，影響正常的生產(chǎn)工作，增加檢泵作業(yè)的次數(shù)，重則堵塞井筒，堵塞下部水平段井筒氣液通道，會堵塞井筒，嚴重影響生產(chǎn)井排采生產(chǎn)，更甚者造成排采管柱的砂埋，產(chǎn)生大量的修井費用。

2 L型煤層氣水平井除砂實驗及應用

為了更好的解決煤層氣水平井出砂給煤層氣排采生產(chǎn)帶來的各種問題，在綜合考慮各種因素的前提下，我們進行了L型煤層氣水平井撈砂實驗。

2.1 水平井撈砂管柱結構組成

煤層氣水平井撈砂管柱組合主要由水平井撈砂鏟(帶限位槽和強制復位裝置)+沉砂管+撈砂泵+動力油管組成，所有入井管柱接箍均打45°倒角，防止掛卡(圖1)。

2.2 撈砂泵的工作原理

由地面動力及連接裝置將撈砂泵管柱下入井內(nèi),在液柱壓力的作用下,沉砂筒凡爾打開,液體灌滿整個沉砂筒。上沖程時,游動凡爾關閉,泵腔容積增大,下凡爾打開,攜砂液體進入沉砂管;下沖程時,下凡爾關閉,泵腔容積減小,壓力增大,上凡爾打開,攜砂液經(jīng)過濾篩管沉降后液體被轉(zhuǎn)移至柱塞上部,當液面達到排液短節(jié)的出水孔時,攜砂液中的液體通過排液短節(jié)的出水孔返回到油套環(huán)形空間,而砂粒則聚集在沉砂尾管內(nèi)。上下沖程的往復運動在砂鏟處形成一定的真空度,從排液孔返出的液體,在油套環(huán)空液柱壓力作用下,在砂鏟底部形成一定的回壓,推動殘留的砂粒向一起聚集,對徹底清砂起到很大的作用。撈砂結束后,通過地面動力起出,排出沉砂。

2.3 煤層氣水平井撈砂試驗

2.3.1 撈砂工具參數(shù)的選取

圖1 水平井撈砂泵結構示意圖

圖2 強制復位筆尖和倒角油管結構示意圖

撈砂對液體流速的要求較大，為了保證煤層氣水平井撈砂效率，現(xiàn)場使用了大泵徑撈砂泵，增大排量以提高砂體流動速度，提高攜砂能力，泵徑類型：CB-TH-φ83×3000mm型砂泵柱塞直徑φ83，砂泵行程3m，二端連接螺紋27/8″TBG；撈砂筆尖采用的有限位槽的強制復位撈砂筆尖；撈砂動力油管采用φ73mm加厚倒角油管，所有井下管柱接箍均打45°倒角。

強制復位筆尖主要由砂鏟尖、變徑接頭、凡爾球、凡爾球座、彈簧和油管短節(jié)組成(圖2)。鏟尖中彈簧選擇主要依水平井砂鏟在沉沒度的液柱壓力為準,確保凡爾能正常的工作。凡爾球的限位是對直井撈砂泵的主要改進,實現(xiàn)了凡爾球在水平方向的運動軌跡,同時對凡爾球座采用可調(diào)節(jié)式,根據(jù)某區(qū)塊的砂粒大小、圓球度的情況,及時調(diào)整球座,確保彈簧的伸縮空間。鏟尖采用螺旋可轉(zhuǎn)動式,在作業(yè)的過程中,鏟尖緊貼水平井段底部螺旋鉆進,剪切堆積在一起的砂粒,同時推動砂粒向一起聚集,進一步提高工作效率和施工成功率。

2.3.2 煤層氣水平井撈砂試驗

(1)施工步驟。檢查施工井工況，確保井內(nèi)無落物，套管無變形，井內(nèi)液面高度高于設計撈砂泵下入高度，如果井內(nèi)液面高度不夠，取同井臺井排采液，對待修井撈砂施工前進行補液。滿足撈砂施工條件后， 按照撈砂設計要求， 下入撈砂管柱，確保每一根井下管柱緊扣到位，保證井下管柱的密封；

如果下入撈砂管柱，未到達砂面位置遇阻，在遇阻位置上下50m，反復上下活動管柱30min，能夠順利下入，上下活動無掛卡，繼續(xù)下入撈砂管柱，如仍掛卡，起撈砂管柱，分析掛卡原因，針對具體情況重新設計管柱結構，再次撈砂；

如果下入撈砂管柱后，沉砂量少，上部位置無法有效撈砂，砂鏟下入至撈砂泵可以有效工作的位置開始撈砂，在遇阻位置撈砂操作30min后，上下活動無掛卡，繼續(xù)進行撈砂作業(yè)。在撈砂施工中如果遇阻，反復撈砂20min以上，撈砂干凈后繼續(xù)下放撈砂管柱，撈砂至人工井底。

撈砂至射孔段位置上部10m處，反復上下活動管柱，確保射孔段無掛卡，上部沉砂清理干凈后再進行射孔段撈砂，射孔段撈砂如果不存在掛卡現(xiàn)象，按照正常步驟撈砂，如果射孔段撈砂遇阻，進行撈砂操作10min后無明顯變化，起出撈砂管柱，探明井底情況，滿足撈砂要求，再次重新設計下入撈砂管柱組合。

(2)實驗效果。本次撈砂實驗，實驗撈砂井次4次，其中1口井撈砂3次，撈砂井段超過100m，撈出砂量4.2m3， 撈砂至人工井底， 其他3口井各自撈砂1次， 均1次撈砂成功， 撈砂至人工井底。

3 煤層氣水平井撈砂技術的推廣于應用

2020年10月7日，利用煤層氣水平井撈砂技術進行水平井撈砂施工5井次，撈砂成功率100%，累積增加煤層氣產(chǎn)量2.38×106m3，平均單井增產(chǎn)47.69×104m3。在新疆地區(qū)L型煤層氣水平井除砂施工中，水平井撈砂工藝施工簡單，施工成本低，已經(jīng)推廣撈砂施工10余井次，均成功解決了井內(nèi)沉砂問題，撈砂施工工藝安全可靠。