煤层气井产能影响因素分析和解决对策探讨

秦大鹏 杜世涛

(新疆维吾尔自治区煤田地质局一六一煤田地质勘探队,新疆 830046)

以目前的国内外技术设备条件，煤层气开采投入较大，怎样缩减投入和增大产出，一直以来都是业内专家学者探索的焦点。张建军研究了在应力作用下煤层渗透率动态变化趋势，证实在引力增加时煤层渗透率明显降低，对生产井产能影响较明显；伊永祥研究沁水盆地柿庄南区块煤层气井排采控制要素，认为在排采的不同阶段设置相应的排水量对于控制煤粉和保护储层，提高产能具有显著效果；王鹏飞通过煤层气生产井数值模拟结果认为煤层气生产井排采初期大幅降水会对储层造成损伤，产气量降低，而对扩大压降漏斗和提高后期产气量帮助较大；彭冠铭在总结鄂尔多斯柳林区块煤层气井压裂数值模拟中认为压裂液黏度是控制产气量的主要因素之一。找准煤层气井产能影响因素，阶段性做出针对性的解决方案，以降低致因对产能的影响，对于降低钻、压、排环节的投入，提高生产效益有很大帮助。

1 煤层空隙特征

在探讨中收集了国内煤层气勘探开发较成熟的五个区块的泊松比和弹性模量数据(表1)与岩石硬度划分参考表(表2)进行对比可知，煤层的泊松比和弹性模量处于多孔、松散至微胶结的岩石硬度范围，煤层都偏向于多孔、松散至弱胶结状态。

表1 煤层气勘探开发成熟区块泊松比和弹性模量数据统计表

表2 岩石硬度划分参考表

受煤层“多孔、松散、弱胶结”的力学特性影响，煤层气井生产过程中在各种因素的共同作用下，往往表现为产量的降低，压力的下降。依据煤层的自有特性和增产工艺特点,分析煤层气井产量下降的原因，针对性的采取治理措施，是保持煤层气井稳产高产的基础。

2 影响煤层气井高产稳产的因素

钻井阶段钻井液的入侵，会堵塞井筒周围煤层空隙及钻井液与地层水混合后引起正负电荷失衡而产生凝胶；压裂阶段对煤层原地层压力的扰动、煤层破裂产生的煤粉、压裂致使一些裂缝的扩张的同时也伴随这原始煤层裂缝的闭合以及压敏效应等，都是对煤层直观的伤害。

2.1 外来液体污染

外来液体污染主要包括钻井液/压裂液对煤层的污染，其形成的水锁、煤体吸附聚合物造成煤体渗透率下降，聚合物浓缩形成的泥饼造成的表皮系数增大。钻井液侵入井筒周围(压裂液随裂缝的延伸，致使裂缝周围煤层受污染)，会堵塞井筒周围煤层空隙及钻井液与地层水混合后引起正负电荷失衡而产生凝胶；

2.2 压敏效应

在压裂过程中，由于煤层泊松比值高的特征，可塑形大，压敏性强。当压裂液在巨大压力的作用下进入地层，作用力的效果首先改造煤层，致使煤层原有压力环境破坏，新裂缝的延展因煤层理化参数的差异，一定范围内其方向和高度基本不受控，新造裂缝产生的同时，压力作用使其附近岩层收到强烈挤压，煤层空隙内原地层水被挤出、宏-微观裂隙被压缩导致渗透率的降低、产生大量煤粉(图1)。此外，压敏实验表明：这些区块煤比较易于压缩，且压后渗透率不能完全恢复，压敏性较强，是对煤层的永久性伤害。

图1 煤层煤样应力敏感实验曲线图

2.3 煤粉堵塞

压裂过程中高速流对煤层的冲刷以及携砂液的磨蚀会产生大量的煤粉(目前煤层条件下，9m3/min排量，孔眼处流速1184.4m/min, 而5m3/min排量，孔眼处流速降为658.2m/min)，排采中煤层压力降低，受上覆岩层的压力产生煤粉。这些煤粉理论上可以滞留在煤层空间允许的任何部位。在后期排采中很容易堵塞气-水通道，随水流至井筒的一部分煤粉沉淀于井筒，长时间的积累堆积可直接导致堵塞套管压裂孔和生产油管进水孔；另一部分煤粉随水进入泵通导致抽水泵的效率降低甚至卡死停机。

2.4 频繁关井和游梁式抽油机

频繁关井和游梁式抽油机，加剧煤粉的产生和运移并使支撑剂导流能力下降。初始时的裂缝导流能力可以满足生产需要，当生产井运行到一定阶段，气液两相流使支撑剂导流能力下降,煤粉运移、支撑剂嵌入、压敏效应和裂缝导流能力的下降，进一步加剧了煤粉堵塞的伤害 。煤层也会因地层压力的释放，煤层间支撑力逐渐减弱而，因压裂而产生的裂缝空间变小，渗流能力下降。大量的微地震监测也证明，活性水压裂会造成更加复杂的裂缝 (与储藏有更多的接触)。但由于煤层塑性特征，大量缺乏有效支撑缝会随着时间推移而闭合(图2)。

图2 煤层内压力变化效果对比模拟图

2.5 套管填砂压裂

套管填砂压裂因施工周期长,大段冲砂造成污染。填砂压裂可满足大排量要求，工艺简单，但投产下泵时，需冲出大段的填砂，这一过程易造成冲砂液漏失，污染煤层。最终导致的都是裂缝导流能力的降低，其表现就是产量的下降。

3 解决方案

针对影响煤层气产出的主要因素，制定合理的解决方案，探寻提高生产井产能的方案，以达到效益最大化的目的，是每个开发区块着力探索的方向。

3.1 针对外来液体污染的解决方案

针对煤层气井钻井液和压裂液造成的煤层近井地带污染(宏-微观裂隙堵塞)，其高效解堵技术目前国内成功案例有以下几种。

(1)氮气泡沫解堵，即：解堵剂+导水剂+起泡剂+氮气，以上述配方，配制洗井 液,以期解除近井地带水锁伤害和压裂液、钻井液形成的滤饼(泥饼)。开展的研究有解堵剂筛选与评价、导水剂研究与评价和施工工艺研究。

(2)自生热煤层解堵技术： 通过向煤层注入可以生成大量的热和气体的配方体系，与具有降解作用的解堵剂相配合，利用热能提高解堵剂的解堵效果。达到清除近井地带污染的目的。开展的研究有自生热体系筛选与评价、解堵剂研究与评价、高温稳泡剂研究与评价、施工工艺研究。

3.2 针对压敏效应的解决方案

压敏效应主要是由于煤层松散、多孔、弱胶结的特性决定的。而在压裂过程中，地层的破裂压力必定大于储层压力，常常出现压裂过程中的压敏效应，使煤层还未排采就受到压敏的伤害。借鉴常规油气田超前注水的做法，压裂时缓慢提高施工排量，在煤层破裂前向煤层孔隙注入一定的气体和活性水，减缓多孔结构受外力的挤压变形，减少压敏的产生。

煤层自身的特性，决定了其产生压敏的可能性，一般通过对煤层相关参数的预处理、压裂液性能及压裂工艺的优化，较大限度的减少压敏的产生。其主要的技术要点有：(1)通过压裂规模优化,确定裂缝波及范围,从而确定注入氮气的量以及活性水的量；(2)向地层注入预定量的氮气后小排量注入优化量的活性水。依此方法使煤层得到有效的支撑，减缓压敏的产生。(3)小阶梯提排量至压裂施工排量的50%，向地层注入处理液，配方如下：KCL+导水剂+破胶剂，以利于后续压裂液的破胶和煤层排采时水的排出，减少水锁发生；(4)缓慢提排量至设计排量，注入高粘压裂液体系，由于高粘压裂液的使用，施工排量可较活性水压裂液大大降低(50%)，流速降低，减少对煤层的冲刷，减少煤粉产生。通过以上综合治理，减少压裂造成的压敏和煤粉产生。

3.3 针对煤粉堵塞的解决方案

解决煤粉堵塞就是要减少煤粉产生，适当控制施工排量是减少煤粉产生的重要条件。其次，避免长时间的停井导致悬浮于井筒及地层裂隙中的煤粉沉降。在外来液体方面，要求钻井液/压裂液具有低伤害,与地层水及岩层的配伍性在合理区间。压裂液携砂能力强，使得在井筒周围堆积的压裂砂尽可能的少，并尽可能的利用压裂液将压裂砂携带至人造裂缝的远端。

3.4 针对频繁关井和游梁式抽油机的解决方案

采用携砂能力强的低伤害压裂液，增加支撑裂缝宽度，将支撑剂携带的更远，减缓裂缝闭合。既增加了近井支撑裂缝的宽度，又使常规活性水压裂只破裂未支撑的人工裂缝得到有效支撑，使支撑裂缝的距离增长，大幅减缓了人工裂缝的闭合，提高产量，增加有效期。

3.5 针对套管填砂压裂问题

利用具有低伤害性能的较高粘度压裂液体系,可以引进一趟管柱分压多层的压裂工艺施工。管柱组合为：由下至上为直喷节流器+水力锚+K344封隔器+滑套喷砂(分酸)器+间管+中间级K344封隔器+滑套喷砂器+间管+顶部K344封隔器+水力锚+安全丢手+校深短节+油管+悬挂器。通过增减中间级封隔器及喷砂器的级数即可组构2-5级分层压裂(酸压)管柱；其技术指标：耐温100℃、耐压差80MPa、施工排量2-5m3/min，适用套管完井的直、斜、水平井,多级封隔器分层(分段)水力加砂压裂。此工艺包括满足较大排量的封隔器、水力锚、安全接头和喷砂滑套的设计和优化。在压裂液选用方面，采用携砂能力强的低伤害压裂液，增加支撑裂缝宽度，将支撑剂(压裂砂)携带至人造裂缝的的远端。水力喷射也是减少套管填砂伤害煤层的重要措施之一，分层压裂集中射孔、压裂、封隔一体化的增产措施，专用喷射工具产生高速流体穿透套管、岩石，形成孔眼，高速射流孔口产生抽吸作用，强化封隔效果。孔眼底部流体压力增高，超破裂压力起裂，产生裂缝(图3)。

图3 封隔器+滑套分层压裂工艺结构图

4 结论

(1)煤层弹性模量3500～10400MPa，平均值7000，泊松比0.2～0.3，偏向于多孔、松散至弱胶结状态；

(2)影响煤层气产能的因素主要有外来液体污染、压敏效应、煤粉堵塞、频繁关井和游梁式抽油机、套管填砂压裂工艺的使用；

(3)对煤层的伤害伴随钻孔至一口井产能枯竭的全过程，人工干预的只是在每个阶段采用合理的方案减少伤害程度，以达到投入和产出相匹配的目的。