空气动力洗井技术在煤层气井中的应用与评价.pdf

第 44 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 44 No.2 2016 年 4 月 COAL GEOLOGY 2. Henan Energy and Chemical Industry Institute Group Co., Ltd, Zhengzhou 450046, China; 3. the Second Exploration Team, Henan Buran of Coal Geological Exploration, Luoyang 471023, China; 4. Guizhou Natural Gas Energy Investment Co., Ltd, Guiyang 550000, China Abstract In the development of CBM wells on the ground, proppant and coal powder are sedimented because of unreasonable drainage, resulting in blocking wall or fractures, which affects directly the drainage of coabed meth- ane. In order not to affect the sustainable and efficient production, such a well must be cleaned and dredged. Through the preliminary mechanical analysis of the wellbore and fractures, a calculation model of air ing sys- tem for parameter design was given, the equipment and processes of ing with compressed air in CBM well, the parameters selection and calculation of effect of washing well were .briefly introduced. This technology was used in the group of wells ZM-1 to effectively solve the blockage and low gas production. The success of reverse circu- lation well washing technology with compressed air in the wells ZM-1 provided a new way for exploring the highly productive and efficient development of CBM wells. Key words well ing with compressed air; equipment; technology; parameters of air injection；effect test 在煤层气井生产中由于支撑剂、煤岩粉沉淀包 结，滤水管强烈氧化，地下水水化学沉淀胶结，电 化学腐蚀等因素会造成开发井堵塞。目前煤层气井 洗井方法包括清水洗井、泡沫洗井、泥浆洗井和高 速气流洗井。清水洗井优点是经济，对于地层有黏 性土或较密实岩层时，靠抬高井内洗井介质水位也 可起到护壁作用；缺点是压力和排量控制不好可能 导致洗井失败甚至造成近井地层污染[1]。泡沫洗井 由于密度低，黏度高，摩阻低，携砂能力强，作为 入井液便于控制井底压力，减少漏失和地层污染， 广泛用于低压、漏失、水敏性地层；缺点是配制和 施工比较麻烦。泥浆洗井优点是具有独特的护壁作 第 2 期 王少雷等 空气动力洗井技术在煤层气井中的应用与评价 135 用，缺点是造价高、不易净化。高速气流洗井通常 用空气，优点廉价，能克服冬季结冰的问题[2]；缺 点是工序繁琐，需要多循环洗井。 我国煤层具有低渗透性、低压力、低饱和度等 特征，引起煤储层伤害的主要因素是应力敏感和水 锁，因此洗井介质尽量选择空气和泡沫[3]。空气动 力反循环洗井是在高速空气洗井的基础上加入了空 气动力对井筒周围煤储层的改造，不仅可以有效清 洗井筒而且对疏通煤层裂缝也具有较好的效果，对 煤层气高效开发具有重要意义。 1 空气动力洗井技术 空气动力洗井是以空气为介质，利用压缩空气 所具有的势能，在能量聚集和释放的过程中使煤储 层反复受压和卸压，对裂隙产生扩张作用，从而对 裂隙产生清洗作用，达到疏通裂隙、扩大裂隙的目 的。同时高压空气流对井筒冲洗，只要气流速度大 于岩屑的悬浮速度，岩屑就被气流举起，并随着气 流向上运动带出井筒。 由于空气进出井筒的通道不同，空气动力洗井 可分为两类一是空气动力正循环洗井，压缩空气 经钻杆和工作套管到达井底，并从井底携带煤岩 粉，从工作套管与井壁管间的环状间隙中排出。二 是空气反循环洗井，压缩空气经钻杆、工作套管与 井壁管间的环状间隙到达井底，从井底携带煤岩 粉，从工作套管中排出图 1。 图 1 反循环洗井 Fig.1 Well washing with reverse circulation 1.1 配套设备和洗井工艺 根据煤层瓦斯的爆炸性、高压气流激荡性和煤 储层结构强度等特点，洗井设备的设计主要可以分 为以下几个系统井口装置系统、供气系统、压力 释放系统、观测控制系统压力表、流量表、控制开 关及阀门和洗井系统图 2。洗井系统主要采用的 设备是车载钻机、潜空锤冲击器及锤头、空压机等。 试井过程中井口装置设计压力为 21 MPa， 供气系统 压力控制在 24 MPa。为增加安全性，压力释放系 统由液动平板阀门、手动平板阀门、液动控制装置、 压力释放管线组成。通过观测控制系统观测注气过 程中、闭压阶段井内压力和洗井后煤层气产出的套 压和产出量。 整个施工过程可分为 7 个阶段a. 试注阶段， 是在正式洗井之前检查各装置的工作情况；b. 初注 阶段，根据煤层的破裂压力选择合理的注气压力， 并掌握煤层气井初始条件；c. 注气阶段，向井内注 入高压空气， 并观测记录注气过程中井内气压变化； d. 闭压阶段，在注气结束之后关闭相关阀门使煤层 气井形成封闭体系，并观测井内气体压力变化；e. 压力释放阶段，通过打开阀门，使气体快速释放； f. 洗井阶段，利用空气泡沫产生负压，达到清洗 井内煤岩粉的目的；g. 洗井结果检验阶段，关闭 相关阀门使煤层气井形成封闭系统，观测一段时间 井内压力的变化后，开启相关阀门，测量产出气体 的流量， 并根据所获得的检验数据来改进施工参数。 由一次注气、闭压、压力释放、洗井到结果检验为 一个循环过程，重复这一过程，直到产气压力和产 气量随着循环作业不发生明显变化且达到设计要求 时，洗井即可结束。 1.2 空气动力清洗储层裂缝过程中注气量选择 空气动力洗井主要是对煤裂隙中煤粉的清洗， 而对煤裂隙中的砂粒不作清洗。空气改造假定煤基 块为弹性体， 裂隙充填物的强度远小于煤基块强度， 这一条件是空气改造的重要条件[4]。当空气压力大 于裂隙充填物的强度而小于煤基质块强度时，空气 只沿裂隙运移，压力释放时气流也只对裂隙中的充 填起冲洗作用，不影响煤基块的完整性[5]。 裂隙充填物煤粉在裂缝中流动时共受到流体 动力、自身重力 FG、与煤储层裂隙壁之间相互吸引 的范德华力 FA、布朗扩散力、双电层排斥力、波恩 短程斥力等力的作用[6]。 对裂隙表面煤层颗粒进行力学分析，并建立相 应的力学模型， 煤层骨架受力可简化为如图 3 所示。 假定半径为 Rs的煤颗粒与半径为 R 的裂隙煤层骨架 相接触，煤粉在表观流速为 v 的均匀流场作用下， 裂缝中填充物所受的重力应为 315 Gsfs 4 π10 3 FgR   1 式中 s 为煤粉密度，g/cm3； f 为流体密度， g/cm3；g 为重力加速度。 颗粒受到的气动力大小为 136 煤田地质与勘探 第 44 卷 图 2 设备组合联接图 Fig.2 Equipment connection 图 3 煤层孔壁上煤粉受力分析 Fig.3 Mechanical analysis of pulverized coal in wall of coal-bed methane borehole 2 s 6π1FR A HF H  2 流体动力可分解为水平推力 Fx和垂向推力 Fy 分别为 2 s 1 9πsin 1 s x R A v FHF H R   3 3 ss 2 9πcos 1 y R A v FHF H R   4 当 Fx≥μ0FG-Fy时，煤粉便从裂缝中洗出。 煤粉与煤储层之间的范德华力  2 14 As 22 22 ss 11 1.13 10FDRR DRRDRR       5 式中 μ0为煤粉的内摩擦因子[7]；Rs为煤颗粒半径， μm；R 为煤体骨架半径，μm；FG为煤颗粒重力，N； FA为范德华力，N；μ 为流体黏度，Pas；Hd/Rs， 其中 d 为两煤粉颗粒间的最短距离 m；As为与孔隙 度有关的常数； F1H[0.743 1/0.637 6–0.200 1lnH]/ H；F2H3.23；θ 为煤颗粒水平方向与骨架径向轴 方向的夹角；DRRsd； 22 πAq，A 为 Hamaker 常数。 通过孔隙表面固体颗粒受力分析可知颗粒在 地层孔道中粘附或者沉积， 主要受到气流水动力、 重 力和范氏力的影响[6]。 当地层中气流速度 v 大于 ν1固 体颗粒受气流剪切作用从骨架上脱落的最小速度 时， 遭受地层剪切作用之后在孔隙骨架表面的固体颗 粒将因为气流的拉伸作用而从孔隙骨架表面脱落[7]   s 2 GA 1 222 ss12 cos 9π1 sin1cos RFF v μR AHF H RR HF H        6 在洗井过程中，气流速度 ν 大于 ν1时，可使 骨架上附着的固体颗粒脱落被清洗。由于颗粒分 为煤粉和砂粒，需要分别分析求取从骨架上脱落 的最小速度 νc煤粉脱落的风速和 νs砂粒脱落的 风速，利用贝努利方程[8-9]估算的压力释放初速 度式7，求得需要的最小井底压力见式8。 2/vp 7 得到 2 2 v p   8 式中 ρ 为井内气体密度，kg/m3，由注气量和井内 体积计算；p 为闭井基本稳定时的井内压力，MPa； v 为压力释放初速度，m/s； 因为在空气洗井过程中很难观测到井底气体压 力，只能观测到井口压力，所以必需进行井底压力 校正。因之前注入气体并没有开始向储层中产生渗 流， 所以采用静压条件下的井底压力计算方法[10-11]， 井底压力计算公式为 p p 0.03845 dk L Z T ppe   9 式中 d p为储层中部压力，MPa； k p为井口观测压 力，MPa；γ 为气体相对密度，kg/m；L 为储层中 第 2 期 王少雷等 空气动力洗井技术在煤层气井中的应用与评价 137 部深度，m；Zp为井内气体的偏差系数；Tp为施工 时井内平均温度，KTp TcT0/2 确定，Tc为实测 储层温度，T0为注气时地面温度。 压缩空气应满足理想气体条件，根据理想气体 方程可得到以下平衡方程 mol M PVRTnRT M  10 由 n、R 相同，则 0 0 p k 0 k PV T V T P  11 式中 V0为标准状态下需要的空气体积，m3；Vk为 井内容积，m3；T0为标准状态下的温度，K；P0为 标准状态下的压力，MPa。 通过式10和式11可以计算两个指标，一是井 内容积，二是井内气体密度。 1.3 清洗井筒过程中注气量的选择 空气动力清洗储层之后，井筒中残存很多煤岩 粉，仍需要对井筒进行清洗，这里采用高速气流洗 井的方法。洗井效果取决于流经工作面的洗井流体 的流速及流线状态，即管道中流体的上升速度要大 于最大块岩碴在流体中下沉的速度[12]。根据流体力 学相关理论，洗井气流上返速度可按下式计算 1 1 2 2 5.45 rd vk r  12 式中 ν2为最小上返速度，m/s；d1为岩碴直径，m； 取 d1≤0.02 m；r1为岩屑比重，kg/m3；r2为空气比 重，kg/m3；k 为矫正系数，k≥1，由岩屑形状，井 筒漏气等因素决定。 选择和确定洗井所需供风量 Q 的主要依据是 排屑速度的高低及流通断面的大小。其计算公式  22 zz2 0.785-60QDdv 13 式中 Q 为洗井供风量， m3/min； Dz为钻孔直径， m； dz为钻杆直径，m； 2 洗井效果检验 2.1 渗透率 注气初始阶段注入的气体主要用于充填井筒， 只有当井内压力大于储层压力时注入气体才开始向 储层运动，因压力随注气时间发生变化，所以是非 稳定气体渗流。根据气体渗流原理[13-14]，每一次洗 井前的储层渗透率 K 3 scp p 7.3 10 g qTB mhP    14 式中 K 为渗透率，10–3 μm2；qsc为标准状态下气体 流量，104m3/d；μp为空气黏度，MPas；T 为储层温 度，K；Bg为体积压缩系数；m 为压力时间单对数 曲线上拐点压力前切线斜率； h 为改造储层厚度， m； Pp为储层平均压力，MPa。 2.2 表皮系数 每次洗井都会引起井周扩大。在相同注气流量 的情况下，对于时间压力曲线上同一压力水平，所 对应的时间是不一致的，这种情况表示了洗井的效 果。达到同一压力水平所用时间越长，说明上一次 改造效果越好。 s e就是不同回次注气所产生的井内 容积增量，直接反映了相邻两次施工对煤储层改造 的结果。 s e反映了总施工对储层改造所增加的有效 通道体积，叫做绝对容积增量。 井的折算半径求取公式 rz π i Dv h 15 式中 i v为第 i 次注入井内气体的体积，m3。 因为 rz＝rw s e，表皮系数求取公式 [13]有 w z ln r s r  16 式中 rz为井的折算半径，m；rw为井半径，m；s 为 表皮系数。 3 空气动力洗井技术在 ZM-1 井中的应用 3.1 ZM-1 井概况 ZM-1 井组是一组煤层气地面开发井的 U 型试 验井，位于焦作某矿。直井采用套管完井煤层段采 用玻璃钢套管，在煤层顶面以上，即 476480 m 处 造直径约 400 mm 的洞穴。 水平井钻达着陆点煤层 顶面以上5 m左右进入水平段， 连接直井洞穴完井。 水平井平直段长约 300 m，平直段轨迹位于煤层以 上 5 m 左右的顶板内。完井方法采用套管固井完井 图 4，并对水平井平直段定向射孔、分段压裂以释 放煤层应力、增加导流能力。直井后期作为排采井 安装抽采设备，开展瓦斯抽采试验。ZM-1 井在前期 排采过程中由于排采制度、排采设备等诸多问题导 致 ZM-1-H 井产气量降低，而与之连通的 ZM-1-V 井没有气量显示。分析其原因可能是由于煤岩粉沉 淀堵塞井壁、压裂裂缝，故利用空气动力反循环洗 井技术对 ZM-1-V 井洗井，并对效果进行检验。 储层参数如表 1 所示，ZM-1-V 井的井内容积 为 13.90 m3。 3.2 空气动力洗井过程 在洗井时，采用空气/泡沫反循环负压洗井工艺 进行施工作业，选择合适的注气压力是本次洗井成 138 煤田地质与勘探 第 44 卷 败的关键。选择的激动压力一方面要尽量减少井内 吐砂，另一方面要能够最大限度对井筒产生激动。 为了保护煤壁在洗井时不坍塌，根据该井地层的地 质属性，利用式6计算的最大脱落初速度 νc为 0.41 m/s，砂粒脱落初速度 νs为 0.44 m/s；利用式8得到 冲洗裂缝中煤粉保留砂粒的井底压力为 1.023.33 MPa。因为初期储层渗透率极差，阻力就大，所以 洗井注入空气压力从 3 MPa 开始，视产气效果和洗 出物情况进行不断优化调整具体数据如表 2 所示。 为了不引起空气激动带入井筒中的煤粉再次进入储 层，在洗井时采用空气反循环方法洗井。 3.3 洗井效果检验 通过对 4 次的洗井数据进行收集，做出压力和 时间单对数图图 5，求取注气初期的煤层渗透性 求取直线的斜率 m，并对洗井数据进行分析。 图 4 ZM-1 井组结构示意图 Fig.4 The structure of wells ZM-1 表 1 ZM-1 井煤储层参数 Table 1 The reservoir parameters of wells ZM-1 煤 层 煤层深度 /m 含气量 /m3t–1 破裂压力 /MPa 破裂压力梯 度/MPam–1 闭合压力 /MPa 临界解吸 压力/MPa 储层压力 /MPa 压力梯度 /kPam–1 渗透率 /10–3 m 2 储层温度 /℃ 地应力梯度 /MPam–1 山西组二1煤 482489.8 1820 13 0.025 6.5 2 4 8.75 0.002 3 20.46 0.013 表 2 空气动力清洗储层注气质量表 Table 2 Quality of injected air of ing with compressed air 洗井次数 循环 次数 气温 /K 气压 /MPa 注气体积 /m3 注气时间 /min 注入速度 /m3min–1 井筒内气压 /MPa 井内平均温度 /K 井内计算体积 /m3 注入地层体积 /m3 初循环 293.15 0.1 4 484 59 76 2.60 341.15 200.70 187 第2循环 297.15 0.1 7 524 99 76 2.00 334.15 423.04 409 第3循环 300.15 0.1 3 192 42 76 1.96 331.15 179.68 166 第4循环 298.15 0.1 4 104 54 76 2.00 333.15 229.29 215 第5循环 295.15 0.1 4 560 60 76 2.02 335.15 256.97 243 第1次 第6循环 294.15 0.1 4 560 60 76 1.98 332.15 260.05 246 第1循环 295.15 0.1 5 168 68 76 1.77 336.15 332.54 319 第2循环 294.15 0.1 4 560 60 76 1.73 335.15 300.32 286 第3循环 294.15 0.1 4 408 58 76 1.70 335.15 296.13 282 第2次 第4循环 293.15 0.1 3 420 45 76 1.97 332.15 196.70 183 第1循环 293.15 0.1 3 876 51 76 2.01 338.15 222.03 208 第2循环 294.15 0.1 3 192 42 76 2.00 337.15 182.93 169 第3循环 295.15 0.1 4 104 54 76 2.03 339.15 232.31 218 第4循环 296.15 0.1 3 192 42 76 1.95 337.15 186.35 172 第5循环 300.15 0.1 1 368 18 76 1.70 336.15 90.12 76.2 第6循环 302.15 0.1 1 824 24 76 1.66 332.15 120.79 107 第7循环 300.15 0.1 1 976 26 76 1.66 334.15 132.68 119 第3次 第8循环 295.15 0.1 1 368 18 76 1.60 330.15 95.64 81.7 第1循环 299.15 0.1 3 180 30 106 2.20 334.15 161.46 148 第4次 第2循环 300.15 0.1 10 282 97 106 2.20 340.15 529.65 516 第 2 期 王少雷等 空气动力洗井技术在煤层气井中的应用与评价 139 图 5 4 次洗井注气压力和时间单对数曲线图 Fig.5 Logarithmic curves of pressure and time of air injection for four times of well washing 利用注气资料对渗透率和表皮系数进行计算， 结果如表 3 所示。 表 3 洗井效果检验参数 Table 3 Parameters of effect test of well washing 洗井 斜率 井底压力 /MPa 渗透率 /10–3 m 2 折算半径 /m 表皮 系数 初循环 0.92 2.26 0.48 2.80 –3.45 第1次 0.44 2.02 1.17 3.24 –3.59 第2次 0.25 1.84 2.34 3.34 –3.62 第3次 0.21 1.86 2.73 2.41 –3.28 第4次 0.12 2.12 3.93 3.57 –3.64 从表 3 中可知， 每次洗井都会提高地层渗透率图 6，表明这 4 次空气反循环洗井效果是很显著的，洗 井后的渗透率至少是洗井前的 8 倍。表皮系数为负数 时，说明具有增产效果，负数的绝对值越大增产效果 越好，说明第 4 次洗井后井筒影响半径显著增大。 图 6 渗透率随洗井次数变化曲线 Fig.6 Curve of permeability variation with the times of well washing 4 结 论 a. 空气动力反循洗井具有清洗能力强，受掏穴 所形成的“大肚”的影响较小；采用空气洗井较大地 减小洗井液对储层的伤害，利用廉价的空气洗井还 140 煤田地质与勘探 第 44 卷 能克服了冬季洗井难的难题。 b. 空气动力反循环减少了重复起下套管和钻 具，减少了工序、降低了职工劳动强度，并缩短了 每一循环的周期。在施工时采用反循环操作，解决 了正循环因空气湍流所引起的储层顶板坍塌、 钻具 撞击井壁管所造成的施工问题和安全问题等制约 因素。 c. 空气动力反循洗井不仅清洗井筒，更重要的 是清洗、疏通了煤储层中的裂缝，这为裂缝的高效 长时间利用提供了技术支持。对 ZM-1-V 的洗井检 验中洗井后的渗透率是洗井前 8 倍以上。 ZM-1 井采 用空气动力反循环洗井的成功，为空气动力煤储层 改造开辟了新的途径。 参考文献 [1] 王大睿. 油田注水井洗井方法的研究[J]. 内蒙古石油化工， 20141129-131. WANG Darui. The research of water injection wells ing [J]. Inner Mongolia Petrochemical Industry，20141 129-131. [2] 曹钧， 王定贤， 陈昌明. 空气洗井技术在硬岩大直径钻井工程 中应用的探讨[J]. 矿山机械，2010,38111-4. CAO Jun， WANG Dingxian， CHEN Changming. Disscussion of shaft ing with compressed air during large-diameter on hard rock[J]. Mining Machinery，2010，38 111-4. [3] 孟尚志， 王竹平， 鄢捷年. 钻井完井过程中煤层气储层伤害理 论与控制措施[J]. 中国煤层气，2007134-36. MENG Shangzhi，WANG Zhuping,，YAN Jienian. ation damaage factor analysis and control measures for coalbed meth- ane reservoirs during drilling process[J]. China Coalbed Meth- ane，2007134-36. [4] 王生维， 张明， 庄小丽. 煤储层裂隙形成机理及其研究意义[J]. 地球科学-中国地质大学学报，1996，216637-640. WANG Shengwei，ZHANG Ming，ZUANG Xiaoli. The mechanism of microfractures and cleats of coal reseavoirs and their implication for methsne recovery [J]. Earth Science-Journal of China University of Geosciences，1996，216637-640. [5] NEUZIL C E. Abnormal pressures as hydrodynamic phenom- ena[J]. Amercian Journal of Science，1995742-786. [6] 蒲春生. 液固体系微粒表面沉积分散运移微观动力学[M]. 北 京石油工业出版社，2008123-126. [7] 张芬娜， 綦耀光， 莫日和. 单相流煤层气井裂隙煤粉受力分析 及启动条件[J]. 煤矿开采，2011，16611-13. ZHANG Fenna， QI Yaoguang， MO Rihe， et al. Force analysis of uniflow coal-dust in cracks of mine for CBM and starting condi- tion[J]. Coal Mining Technology，2011，16611-13. [8] 吴望一. 流体力学[M]. 北京北京大学出版社，1982 144-199. [9] 钱翼稷. 空气动力学[M]. 北京北京航空航天大学出版社， 20043-22. [10] 张荣军，孙卫. 垂直管流中的气液两相流压力计算[J].西北大 学学报自然科学版，2007，371123-126. ZHANG Rongjun， SUN Wei. The calculation on flow pressure of two-phase[J]. Journal of Northwest UniversityNatural Science Edition，2007，371123-126. [11] 杨焦生，王一兵，王宪花. 煤层气井井底流压分析及计算[J]. 天然气工业，2010，30266-68. YANG Jiaosheng， WANG Yibing， WANG Xianhua. Analysis and calculation of flowing bottomhole pressure in CBM well[J]. Natural Gas Industry，2010，30266-68. [12] 李大用. 空气洗井上返风速的确定及计算[J]. 探矿工程， 1984411-13. LI Dayong. Determination and calculation of air returning ve- locity of air well washing[J]. Exploration Engineering，19844 11-13. [13] 刘能强. 现代试井解释方法[M]. 北京石油工业出版社， 200842-63. [14] 黄炳光. 气藏工程分析方法[M]. 北京石油工业出版社， 200495-140. 责任编辑 宋震炎