高煤阶煤层气不正常井类型及治理技术_贾慧敏.pdf

第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．2 Feb． 2020 高煤阶煤层气不正常井类型及治理技术 贾慧敏， 胡秋嘉， 祁空军 （中石油华北油田山西煤层气勘探开发分公司， 山西 长治 046000） 摘要 基于沁水盆地南部煤层气不正常井数据， 通过大数据分析研究了不正常井定量识别指 标体系、 表现形式及治理方法和预防技术。结果表明 流压回升型不正常井表现为套压和日产气 量同时快速或缓慢下降， 可以采用提高排水设备运行频率、 碰泵、 洗泵和检泵作业等方法提高排 水效率； 套压回升型不正常井表现为流压、 套压同时、 同幅度增加， 日产气量持续下降， 可以通过 加强管线保温或采用低恒套压排采控制方式来治理； 间抽不正常井表现为， 开井后套压、 气量上 升， 停井一段时间后， 套压、 气量下降， 可提高排采冲次， 增加抽油机冲次、 延长开井时间或者提 高泵效等方法治理。 关键词 高煤阶； 煤层气； 不正常井； 识别技术； 治理技术 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003－496X （2020 ） 02－0080-04 Abnormal Well Types and Management Techniques of High Rank Coalbed Methane JIA Huimin, HU Qiujia, QI Kongjun （Petrochina Huabei Oilfield Shanxi CBM Branch Company, Changzhi 046000, China） Abstract Based on the abnormal well data from southern Qinshui Basin, the quantitative identification index system, the type, the treatment and the prevention technology are studied through big data analysis． The results show that the casing pressure and daily gas production decrease rapidly or slowly at the same time, and the drainage efficiency can be improved by raising the running frequency of drainage equipment, touching pump, washing pump and checking pump; the abnormal well with casing pressure rising is characterized by the increase of flow pressure and casing pressure at the same time and in the same range, and the continuous decline of daily gas production, which can be cured by strengthening pipeline insulation or adopting the control of low constant casing pressure, drainage and production; in the case of abnormal inter-pumping wells, the casing pressure and gas volume increase after the well is opened, and decrease after the well is stopped for a period of time, which can improve the discharge and production ing times, increase the pumping unit ing times, extend the well opening time or improve the pump efficiency． Key words high coal rank; coalbed methane; abnormal well; recognition technology; countermeasure technology 目前我国煤层气呈现单井产量偏低、井间产量 差异大的特征[1]。煤层气开发通过持续排水， 将储层 压力降至甲烷解吸压力以下，使甲烷通过解吸、 扩 撒、渗流产出井筒，排水降压是煤层气开发的基本 方法[2]。因此， 排采对煤层气井产量具有重要影响， 目前对储层伤害及合理排采制度等研究较多[3]， 但 对排采保障技术研究较少。煤层气不正常井指所有 受产能以外因素影响，不能连续有效排水，产量已 经下降或将要下降的井。煤层气不正常井识别与治 理是保障煤层气井排采，实现煤层气井产量稳定的 重要保障技术。目前关于煤层气不正常井的研究较 少，魏迎春等以韩城区块为例研究了煤粉产出机理 及预防措施[4]； 梁春红等从示功图角度研究了煤层 DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．02．018 贾慧敏， 胡秋嘉， 祁空军．高煤阶煤层气不正常井类型及治理技术 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （2） 80-83， 96． JIA Huimin,HU Qiujia, QI Kongjun． Abnormal Well Types and Management Techniques of High Rank Coalbed Methane ［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （2） 80-83, 96． 基金项目中国石油天然气股份有限公司重大科技专项资助项目 （2017E- 1405） 移动扫码阅读 80 ChaoXing Vol.51No.2 Feb. 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 表 1高煤阶煤层气不正常井识别指标体系 Table 1Identification index system of abnormal well of high-rank CBM wells 图 1流压回升型不正常井主要参数相互关系图 Fig.1Diagram of the relationship between the main para- meters of the abnormal wells with bottom-hole pressure rising 参数类型指标范围 日产气量/m3 日下降幅度超过 100 m3， 或 10 d 以上呈连续下降 趋势 井底流压/MPa 日增加幅度在 0.03 MPa 以上， 或 10 d 以上持续 回升 套压/MPa 日变化幅度 0.03 MPa 以上， 或 10 d 以上持续回升 或下降 日产液量/m3日产液量下降 20以上， 或产出水煤粉含量增加 动液面/m日升高幅度 1 m 以上， 或 10 d 以上持续回升 管压/MPa升高 0.01 MPa 以上 示功图 示功图充满度降低超过 10， 示功图线条变为不 规则 泵效/泵效降低超过 20 气井异常类型及治理技术[5]； 刘世奇等针对排采各 个阶段，从排采机理角度研究煤层气井排采过程中 的储层伤害[6]； 程林峰研究了煤层气机械排采井生 产中常见故障及处理措施[7]； 张卫东等首次提出了 排采惯性的概念，认为区块内煤层气井排采的非连 续性严重制约煤层气井的产能[8]。上述研究对煤层 气不正常井进行了不同程度的研究，但未能系统提 出不正常井类型、识别方法及治理措施，没有形成 完整的技术系列。通过沁水盆地南部 1 000 余不正 常井不正常前关键排采参数进行大数据分析，提出 了煤层气不正常井定量识别指标体系，总结出 3 类 常见不正常井表现形式，并提出针对性治理对策， 以期形成不正常井识别、 治理技术系列。 1煤层气不正常井识别指标 通过对沁水盆地南部 1 000 余口不正常煤层气 井在不正常前关键参数变化情况进行统计，建立了 高煤阶煤层气不正常井识别指标体系，高煤阶煤层 气不正常井识别指标体系见表 1。 日产气量、 井底流压、 套压为不正常井直接判断 参数，可以通过单一参数指标判定不正常井；其余 为间接判断参数， 必须以 2 个以上参数组合来判定。 即如果煤层气单井日产气量、井底流压、套压变化 满足表 1 指标范围， 则为不正常井。如果日产液量、 动液面等其余参数中 2 个以上参数满足表 1 指标范 围， 则可以确定为不正常井。现场实践表明， 表 1 指 标体系能够覆盖全部不正常井。 2煤层气不正常井类型及治理 2.1流压回升型不正常井 1） 表现形式。流压回升型不正常井主要参数相 互关系如图 1。 由图 1 （a） 可知， 套压和日产气量均快 速下降， 表明储层供气能力下降， 这是因为流压回升 导致已经解吸煤层气重新吸附，未解吸煤层气停止 解吸， 进而导致储层供气能力下降。数据统计表明， 当单井套压下降速度大于 0.04 MPa/d、日产气量下 降 100 m3以上时， 90以上井的流压处于回升状 态，对于没有流压力计实时监测流压的井，应该首 先核水量，如果由产水量明显降低或不产水，则可 以确定流压回升； 若产水量变化不大， 则核实动液面 位置， 确定流压是否回升。 由图 1 （b） 可知， 与流压快 速回升井相比，最大的区别在于流压回升速度很慢 导致套压、 日产气量下降速度很慢， 短期内通过日对 比不易发现， 需要通过长期对比才能发现， 因此该类 流压回升井隐蔽性更强，需要进行关键参数长期对 比才能发现。 2） 流压回升原因及治理。排水降压是煤层气开 81 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．2 Feb． 2020 图 2套压回升型不正常井主要参数相互关系 Fig．2Relationship between the main parameters of the abnormal wells with casing pressure rising 图 3针形角阀结构及煤粉堵塞示意图 Fig．3Schematic of the structure of needle angle valve and coal plug 发的基本原理，即通过持续排水将煤层气储层压力 降至解吸压力以下，使甲烷通过解吸、渗流产出井 筒，因此，流压回升会中断煤层气解吸并使已经解 吸煤层气重新吸附，导致煤层气井产量下降或不产 气， 甚至会造成储层伤害[9]。煤层气井流压回升主要 是由于煤层气井排水系统排水效率降低，导致排水 量小于煤层向井筒供水量，进而导致井筒中动液面 上升。因此，治理流压回升型不正常井的核心是提 高排水系统的排水效率，治理措施依次为提高排 水设备 （抽油机、 射流泵等） 运行频率， 抽油泵碰泵、 射流泵等洗泵， 检泵作业。 2．2套压回升型不正常井 1） 表现形式。套压回升型不正常井主要参数相 互关系如图 2， 流压随套压增加而增加， 即流压和套 压同时增加，且增加幅度基本一致，同时日产气量 持续下降。该类井多发生于冬季气温较低的夜晚。 由图 2 （b） 可知， 套压一般在 2200 后开始回升， 引 起流压回升、 日产气量下降； 在 1100 后开始下降， 引起流压下降、 日产气量上升， 如此往复循环， 导致 产量降低，甚至造成储层伤害。套压回升必然会导 致流压回升，但本质上是因为套压回升导致的， 为 了便于治理，将这类井单独归类为套压回升型不正 常井，该类井与流压回升型井的区别在于，这类井 套压和流压同时回升，且增加的幅度基本一致。针 形角阀结构及煤粉堵塞示意图如图 3。煤层气井排 采过程中，日产气量大小通过针形角阀调节，气体 从 P1口进入经过针形阀后从 P3口产出，当顺时针 调紧手柄时， 弹簧压缩， 推动阀杆、 阀座带动针形阀 向左移动， 则阀门开大， 产气量增加； 反之， 则产气 量降低。针形角阀会产生节流效应，导致阀之前的 压力大于阀门之后的压力，阀门之前压力等于套 压，阀门之后压力等系统管压。针形阀节流会吸收 大量热量，导致针型阀处温度骤降，将煤层气携带 出的水蒸汽和煤粉冻结在针型阀处，堵塞产气通 道， 导致套压持续升高。 2 ） 影响因素及治理方法。现场数据表明， 套压 回升井主要受单井套压和气温影响，套压回升井影 响因素如图 4。图 4 （a） 表明 单井套压越高， 套压回 升井产量下降幅度越大，这主要是由于套压越高， 针型阀节流效应越强，导致温度下降幅度越大， 冻 堵越严重； 图 4 （b ） 表明 气温越低， 套压回升井产量 下降幅度越大， 当气温低于-2 ℃时， 冬季影响开始 加剧。因此， 该类井的治理方法有 2 种， 一是加强管 线保温， 在角阀处增加伴热带， 提高角阀处温度； 另 一种是采用低恒套压排采控制方式， 降低套压， 降低 节流降温影响。 2．3间抽不正常井 1） 表现形式。煤层气井排采后期， 井筒中液柱 降至煤层以下， 大部分井日产液量小于 0．2 m3/d， 为 了降低能耗和抽油机系统损耗，一般采取间抽制 度。间抽机理为利用煤层底部至煤层气井井底之间 井筒空间存储煤层产出水，通过起停抽油机控制动 液面在煤层底部以下波动，保证动液面不回升至煤 层以上， 从而保正产量不受影响[10]。 但由于长时间停 井， 煤层水中的煤粉容易沉积至泵筒中， 尤其是凡尔 处， 导致泵效降低， 或者抽油机系统排水量低于煤层 82 ChaoXing Vol.51No.2 Feb. 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 图 4套压回升井影响因素 Fig.4Influencing factors of casing pressure recovery abnormal wells 图 5间抽不正常井主要参数相互关系 Fig.5Relationship between main parameters of pumping abnormal wells 供水量，二者关系不匹配都会导致间抽不正常井产 生。间抽不正常井是指由于间抽制度不合理或间抽 后煤粉沉积导致泵效降低，引起流压回升，进而造 成气量下降的井。其本质为流压回升型井，但由于 其成因和治理方法特殊，故将其单独作为一种不正 常井类型。 间抽不正常井主要参数相互关系如图 5。 开井后，套压和气量上升，停井一段时间后套压和 气量下降。使用流压计监测， 可明显发现 开井后， 流压下降， 套压上升， 直至二者相等； 关井后， 流压 回升、 套压下降直至下一次开井。 2） 原因及治理方法。这主要是由于冲次低、 泵 效降低或者开井时间短等因素，导致开井时排采系 统排水量不足以将井筒中的液体充分排出，经过多 次停井后，井筒中的液面逐渐上升至煤层以上， 导 致套压、 气量下降。应增加抽油机冲次、 延长开井时 间或者提高泵效等方法治理。 3煤层气不正常井预防 绝大多数煤层气不正常井形成会造成流压回 升，治理过程甚至会长时间停井，必然会造成储层 伤害。因此煤层气不正常井应该重在预防。 1） 预防性碰泵。预防性碰泵就是根据单井煤粉 产出及沉降规律，定期通过机械振动清除固定凡尔 和游动凡尔处的煤粉， 避免煤粉堵塞凡尔， 从而保持 泵效。但这种方法， 不能完全清除煤粉， 且长期机械 振动对泵筒具有损伤。 2） 预防性洗井。预防性洗井是指定期将清水注 入泵筒， 既能冲洗泵筒及凡尔， 又能将井筒液体中的 煤粉浓度稀释，并通过排采系统将携带煤粉的液体 排出井筒， 达到清除煤粉、 保持泵效的目的。该方法 成本低、 操作方便、 不会造成排采中断， 现场实施后 可以有效改善泵矿、 提高泵效。 3） 示功图连续监测。煤层气井泵效降低是渐变 的过程， 示功图能够有效反应抽油泵泵况变化， 可连 续监测煤层气井示功图， 根据其形状变化， 判定抽油 泵泵况， 采取相应的预防性措施。 4结论 1） 流压回升型不正常井表现为套压和日产气量 均快速或缓慢下降， 治理措施为 提高排水设备运行 频率， 抽油泵碰泵、 射流泵等洗泵， 检泵作业。 2） 套压回升型不正常井的表现为 流压和套压 同时增加， 且增幅度一致， 同时日产气量持续下降。 可通过加强管线保温、采用低恒套压排采控制方式 来治理。 3） 间抽不正常井表现为 开井后， 流压下降， 套 压、 气量上升； 停井一段时间后， 流压上升， 套压和 气量下降。可增加抽油机冲次、延长开井时间或提 高泵效等方法治理。 参考文献 ［1］ 赵贤正， 朱庆忠， 孙粉锦， 等．沁水盆地高阶煤层气勘 探开发实践与思考 ［J］ ．煤炭学报， 2015， 40 （9） 2131. （下转第 96 页） 83 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.2 Feb. 2020 ［2］ 胡秋嘉， 贾慧敏， 祁空军， 等．高煤阶煤层气井单相流 段流压精细控制方法 以沁水盆地樊庄－郑庄区块为 例 ［J］ ．天然气工业， 2018， 38 （9） 76－81． ［3］ 贾慧敏， 孙世轩， 毛崇昊， 等．基于煤岩应力敏感性的 煤层气井单相流产水规律研究 ［J］ ．煤炭科学技术， 2017， 45 （12） 189－193． ［4］ 魏迎春， 李超， 曹代勇， 等．煤层气开发中煤粉产出机理 及管控措施 ［J］ ．煤田地质与勘探， 2018， 46 （2 ） 68－73． ［5］ 梁春红， 王宝， 赵晨光， 等．煤层气井示功图影响因素、 异常类型及治理技术研究 ［J］ ．中国煤层气， 2018， 15 （2 ） 33－36. ［6］ 刘世奇， 赵贤正， 桑树勋， 等．煤层气井排采液面－套压 协同管控 以沁水盆地樊庄区块为例 ［J］ ．石油学报， 2015， 36 （增刊） 97－108． ［7］ 程林峰．煤层气排采井的生产管理 ［J］ ．中国煤层气， 2005 （4） 39－42． ［8］ 张卫东， 谭雷川， 任建华， 等．排采连续性对煤层气产 能的影响分析 ［J］ ．煤炭技术， 2015， 34 （12） 29－32． ［9］ 贾慧敏， 胡秋嘉， 祁空军， 等．煤层气流压回升型不正 常井储层伤害机理与治理 ［J］ ．煤田地质与勘探， 2019， 47 （4） 69－75． ［10］ 刘峰,罗天平， 杨春莉， 等．煤层气井间抽技术研究与 现场应用 ［J］ ．煤矿安全， 2017， 48 （3） 82－84． 作者简介 贾慧敏 （1989） ， 男， 工程师， 硕士， 2015 年 毕业于东北石油大学， 主要从事煤层气开发、 排采等方面的 研究工作。 （收稿日期 2019-02-22； 责任编辑 王福厚） （上接第 83 页） 计算方法研究 ［J］ ．煤炭学报， 2012， 37 （10 ） 1601－1605． ［10］ 陈超， 胡振琪．我国采动地裂缝形成机理研究进展 ［J］ ．煤炭学报， 2018， 43 （3） 810－823. ［11］ 杜子建， 高永涛， 邓代强， 等．水库下伏采空区渗流场 耦合模拟分析 ［J］ ．三峡大学学报 （自然科学版） ， 2010， 32 （4） 20－23． ［12］ 梁冰， 鲁秀生．裂隙岩体渗流场与应力场的耦合数值 分析 ［J］ ．水资源与水工程学报， 2009， 20 （4） 18－20． ［13］ 童立元， 邱钰， 刘松玉， 等．高速公路与下伏煤矿采空 区相互作用规律探讨 ［J］ ．岩石力学与工程学报， 2010， 29 （11） 2271－2276． ［14］ 童立元， 刘松玉， 邱钰， 等．高速公路下伏采空区问题 国内外研究现状及进展 ［J］ ．岩石力学与工程学报， 2004， 23 （7） 1198－1202． ［15］ 陈凯， 陈清通， 孙庆先， 等．大同采煤沉陷区光伏示范 基地建设采空区注浆治理技术应用 ［J］ ．煤矿安全 2018， 49 （8） 169－172． 作者简介 黄健丰 （1994） ， 男， 陕西西安人， 煤炭科学 研究总院在读硕士研究生，主要研究方向为矿山压力与岩 层控制。 （收稿日期 2019-07-19； 责任编辑 陈洋） 96 ChaoXing