薄互層煤層氣井出砂綜合治理研究

張 越 ，于姣姣 ，李又武 ，吳曉丹 ，蔣時馨 ，谷 峰 ，崔景云 ，高 英

（中海石油氣電集團技術研發中心，北京 100028）

由于煤巖的脆性和易碎性，煤層氣開發過程中容易產生煤粉，這使得原有產氣通道被破壞，阻礙煤層氣開采。薄互層煤層由于與圍巖的接觸面積大，除了煤粉，還會產生大量的砂粒；這使得孔眼堵塞、泵效降低、泵故障頻繁、作業次數和維修費用增加；更嚴重的是，即使維修復產，煤層氣產量也會大幅下降。薄互層煤層出砂（煤粉）問題已經突出地影響了煤層氣開發的經濟效益。我國的薄互層煤層資源分布廣泛[1]，開發中已經或即將面臨出砂問題，如何治理出砂（煤粉）是高效開發薄互層煤層氣資源必須面臨的重要問題?，F有的研究側重于在大段均質煤層中煤粉顆粒產生與運移機理的基礎上構建預測模型、優化鉆井與壓裂技術、完善排采工藝與制度[2-3]。尚未見使用系統工程學方法綜合治理薄互層煤層出砂（煤粉）問題研究或成功案例的報道。為此，提出從完井階段開始的涉及井筒內外和生產過程的系統性的煤層氣井出砂綜合治理措施，分析顆粒沉降規律，對比不同的防砂、攜砂方式，結合蘇拉特盆地地質特征和生產現狀形成了“防排砂一體化”的綜合方法，階段性地解決了蘇拉特盆地薄互層煤層氣井出砂（煤粉）問題。

1 地質特征與煤層氣井出砂問題

蘇拉特盆地位于澳大利亞昆士蘭州的中東部，煤層氣資源豐富，資源量約8 507×108m3。該盆地煤層氣年產氣量達315×108m3，占澳大利亞煤層氣總產量91%。含煤地層為中侏羅統Walloon 組，厚度300～450 m，該組段縱向上隔夾層多，有效厚度低，煤儲層占比僅10%。Walloon 組由多種巖性組成，主要包括煤層（10%）、高密度碳質泥巖產層（2%～5%）、砂巖（40%～60%）、粉砂巖（20%～40%）、泥巖或凝灰質巖（10%～30%）等，發育10 個煤層組，煤層單層厚度較薄，集中在0.01～3.92 m 之間，并與薄的高密度碳質泥巖產層互層發育[4-8]。蘇拉特盆地煤層氣井巖性及沉積相劃分示意圖[9]如圖1。

圖1 蘇拉特盆地煤層氣井巖性及沉積相劃分示意圖Fig.1 Lithology and sedimentary facies division of coalbed methane wells in Surat Basin

目前蘇拉特盆地煤層氣井單井產氣量超1×104m3/d 占比90%、超3×104m3/d 占比70%[10]。氣體流速高導致的對煤巖和圍巖的剪切、壓實和滑移破壞的程度大、顆粒攜帶能力大。隨著開發的進行，出砂問題日益嚴重，在統計的352 口煤層氣生產井中，100%存在不同程度的出砂問題，嚴重出砂井占33.5%。出砂不僅會堵塞地層流體的流動通道，還會造成卡泵、埋泵、抽油桿斷裂等井下故障。這導致生產設備無法正常運行，出現大量出砂關停井[11]，修井作業頻繁使開采成本居高。因此有效治理出砂是保證蘇拉特盆地煤層氣井高效生產的關鍵。

基于蘇拉特盆地地層產出砂粒度分布范圍廣，且所有巖性種類都存在不同程度出砂，單一的完井防砂或攜砂無法做到有效治砂。為此，在蘇拉特盆地經歷一系列探索，逐漸過渡形成一套“防攜一體化”的綜合治砂技術。該方法套管外“以防為主”，通過機械防砂或化學膠結等完井方式，阻止地層砂進入井筒，完井防砂方式的選擇需結合區塊特征、防砂工藝適用條件及現場實驗對比等進行綜合決策；油管內以“攜砂為主”，將小顆粒無法阻擋的地層砂隨流體產出，同時利用井下工具降低出砂對井下設備的影響；井筒內“控砂結合”，在采用特殊井下工具阻止大粒徑砂進入生產管柱基礎上，輔助小粒徑砂攜帶產出，同時預留足夠沉砂口袋，盡可能減小出砂對生產的影響。通過“防攜一體化”方法，解決蘇拉特盆地煤系地層出砂問題。

2 套管外防砂方式

在薄互層煤層氣井的完井階段就要充分考慮后期開發的出砂問題，做到“以防為主”。蘇拉特盆地Walloon 組出砂風險預測和評估結果表明：煤儲層和夾層均存在B指數≤2.0×104MPa，聲波時差值≥105 μs/ft 區間，這說明產層與夾層都具有極高的出砂風險。

依照傳統方法，預防Walloon 組出砂最直接的方法是將超過300 m 的裸眼段全井段固井，同時避開易出砂夾層僅對煤儲層進行射孔，但是因煤層敏感性強，該區射孔完井平均單井產量僅為裸眼完井產量的1/5，會使產能受到嚴重影響。因此，結合蘇拉特盆地煤層氣井的特征和需求，綜合對比多種完井防砂方式，得到適合蘇拉特盆地煤層氣井的防砂方式為：礫石充填、ECP（膨脹式封隔器，下同）+盲管、表皮壓裂。蘇拉特盆地中侏羅統Walloon 組煤層氣井完井防砂技術對比見表1。

表1 蘇拉特盆地中侏羅統Walloon 組煤層氣井完井防砂技術對比Table 1 Grain size and composition analysis of interbed minerals in Walloon formation of middle Jurassic in Surat Basin

進一步篩選分析，若超過300 m 的Walloon 儲層全部采用礫石充填防砂，儲層跨度大、經濟成本高，且煤層氣單井產能有限，投入產出比低，因此并不適用。表皮壓裂是為了緩解近井地帶儲層傷害，僅對煤層進行射孔作業，并采用小排量壓裂對煤層進行解堵，在降低夾層出砂可能性的同時，保證井的產能，但是壓裂費用高，不適合規模作業[12]。

ECP+盲管，即非產層段主要使用ECP+盲管進行封堵，生產層段以打孔管支撐井壁，預防煤層坍塌。打孔管較篩管而言具有不易堵塞的優點，采用打孔管主要是由于Walloon 組夾層和煤層膠結疏松，強度低，分選差，粒徑分布范圍主要集中在0.1～2 000 μm 之間，黏土含量高，極易造成堵塞。ECP 在使用前要先確認生產層位，對大段的砂巖夾層、泥巖夾層進行封堵。綜合對比研究認為，ECP+盲管完井作業風險合理、生產成本較低，適合蘇拉特盆地煤層氣井。蘇拉特盆地煤層氣井ECP+盲管完井方式示意圖如圖2。

圖2 蘇拉特盆地煤層氣井ECP+盲管完井方式示意圖Fig.2 Schematic diagrams of ECP+ blind pipe completion mode of coalbed methane wells in Surat Basin

3 油管內攜砂方式

油管內主要“以攜為主”，目的是在生產過程中將進入油管砂粒攜帶出井筒，同時盡可能降低出砂對井下設備的影響。攜砂方式的選擇需結合井身結構、生產要求及井下復雜工況等共同確定。

3.1 排砂生產

蘇拉特盆地煤層氣井以直井為主，采用二開的井身結構，生產井油管尺寸為φ88.9 mm，部分小產水量煤層氣井使用φ73.0 mm 油管。根據沉降末速計算地層出水對地層砂的攜帶能力[13-14]：

式中：us0為砂粒沉降末速，m/s； ρs為砂粒密度，kg/m3； ρl為水的密度，kg/m3； μ為水的黏度，mPa·s；ds為砂粒粒徑，μm。

由于水的黏度低，因此攜砂所需要的沉降末速較大。沉降末速與砂粒粒徑成正相關關系，選取粒徑中值140 μm 進行計算，得沉降末速0.014 m/s，但事實上為了攜帶直徑更大的砂粒，所需要的沉降末速更大。直井液體的環空上返速度應是砂粒沉降末速的2 倍，即0.028 m/s，那么對于φ88.9 mm 油管，產水量大于15 m3/d 時，砂粒不會發生沉降。目前的產水量無法將全部砂粒攜帶出井筒，井筒內存在沉砂風險。

3.2 增大攜砂能力

蘇拉特盆地目前采用螺桿泵為排采設備，其本身具有部分排砂功能。通過對比國內外螺桿泵攜砂的常規做法，結合蘇拉特盆地煤層氣井的生產現狀，進一步提出綜合使用漿式轉子、自動分流閥和螺桿泵反循環來進一步增強螺桿泵攜排砂能力的改進措施[15]：①漿式轉子是將螺桿泵的轉子進一步加長，長度超過油管2～3 m，在正常生產時，漿式轉子隨螺桿泵轉子旋轉，在井底產生擾動，從而將水與細粉砂充分攪拌，增強攜砂能力；②自動分流閥安裝在油管內螺桿泵的上部，當正常生產時，地層產出流體與砂可穿過自動分流閥流動到井口，當因井下故障或生產維護等臨時關停時，在重力的作用下砂粒會在井筒內沉降，自動分流閥可阻止砂粒沉降到螺桿泵泵筒內，對泵起到保護作用；③螺桿泵反循環就是利用雙油管建立循環，注入經地面處理過的采出水，以達到攜砂和沖洗的目的。

4 套管內控砂方式

套管內控砂方式需兼顧完井防砂方式、生產攜砂方式和區塊地質生產特征等綜合確定。在井筒內既要利用井下工具輔助地層小粒徑砂進入生產管柱攜砂，也要阻止大粒徑地層砂粒進入生產管柱防砂，因此井底需預留足夠空間降低出砂對生產的影響[16]。蘇拉特盆地煤層氣生產統計數據表明，沉砂空間大小與有效生產時間呈成正相關關系。為了延長有效生產時間，應適當增加沉砂空間；共有2 種途徑可實現：①優化管柱下深，即上提管柱；②鉆穿套管鞋，增大沉砂口袋。

優化管柱下深是增加井底沉砂空間最直接的方式，生產管柱下入深度示意圖如圖3。

圖3 生產管柱下入深度示意圖Fig.3 Schematic diagrams of running depth of production string

蘇拉特盆地煤層氣井對管柱下深歷經了一系列探索：初期將管柱下至煤層頂板附近，由于煤層氣需要排水降壓才能達到解吸產氣的目的，產能受到了嚴重的制約；隨后將油管底部下至距套管鞋30 m 處，此時煤層氣井產量雖較高，但頻繁出現卡泵、埋泵等井下事故；接著嘗試將油管下降至煤層中部，雖然事故率低，但產能依舊受到較大影響；最后將油管降至距套管鞋60～90 m 處，此時產能未受影響，且事故較30 m 時有所緩解。管柱下深可增加的空間有限，鉆穿套管鞋至人工井底的方法可獲得更大的沉砂空間。而蘇拉特盆地中83%的煤層氣井，套管鞋距人工井底距離大于10 m，利用該空間可進一步降低出砂對生產的影響。

經過現場實驗數據統計，優化管柱下深和鉆穿套管鞋均可增加煤層氣井的連續生產時間，目前這2 種方式已在蘇拉特盆地推廣使用。

5 應用效果

出砂治理前后井故障率對比如圖4，出砂綜合治理效果如圖5。

圖4 出砂治理前后井故障率對比Fig.4 Comparison of failure rate after sand production treatment

圖5 出砂綜合治理效果Fig.5 Comprehensive control effect of sand production

蘇拉特盆地在應用上述方式對出砂問題進行綜合治理后，出砂得到有效控制，通過現場取水樣表明應用防砂措施治理后井的水質較清，因出砂導致的關井修井現象得到有效緩解，生產相對穩定。井的故障率大幅降低，在500 d 的生產時間內，井的故障率由66%降至38%，降幅達28%。全區單井平均連續生產時間也由275 d 增至近400 d，井的有效利用率提高，年修井費用大幅降低。

6 結 語

在系統分析蘇拉特盆地儲層特征、出砂特點和生產規律的基礎上，根據顆粒沉降規律研究，結合出砂層位預測和防砂工藝優選，采用“膨脹式封隔器+盲管”與“螺桿泵+漿式轉子+自動分流閥+鉆穿套管鞋”結合的綜合防排砂技術，階段性地解決了蘇拉特盆地煤系地層出砂問題。通過蘇拉特盆地現場實踐與應用，成功探索出一套防排砂一體化的綜合治砂措施。該方法有效增加了連續生產時間，降低了修井成本。