主要研究成果

1樓：中地數媒

由於我國煤盆地構造-熱演化的複雜性和煤儲層的特殊性,煤層氣排採過程中普遍存在煤粉產出問題,煤粉問題是制約煤層氣井產能的主控因素之一。本書以鄂爾多斯盆地東南緣煤層氣韓城區塊為研究區,在分析煤儲層地質背景的基礎上,採用典型煤層氣井現場監測、系統的煤粉和煤巖測試分析、專門物理模擬實驗和現場工程措施應用相結合的方法,從煤巖自身性質與工程擾動耦合效應入手,綜合分析了煤粉產出的影響因素及產出煤粉特徵,提出了煤粉的成因機制-產出位置綜合分類體系,**了煤粉**,揭示了煤粉產出機理,查明瞭煤粉產出規律,制定了適宜的煤粉管控措施,為實現煤層氣高效穩定排採奠定了基礎。主要取得了以下研究成果:

(一)煤粉產出的影響因素及綜合分類

採用井下煤層觀察、測井曲線解釋及室內測試分析等方法,結合煤層氣井生產現場實踐,分析了韓城區塊主力開發煤層3號、5號和11號煤層的煤巖組分、煤體結構、煤層結構、礦物含量和組成等和煤層氣井的鑽井工程、壓裂儲層改造、排採裝置及排採製度等及其對煤粉產出的影響。綜合考慮煤粉的成因機制、產出位置及其對煤層氣生產的影響等因素,提出了煤粉的綜合分類體系。

(1)煤粉的形成是多種因素的共同作用結果,從煤粉成因方面,將煤粉產出影響因素主要分為煤儲層靜態地質因素與煤層氣動態工程因素兩個方面,指出了煤儲層靜態地質因素(包括煤巖特徵、煤體結構特徵和煤層結構特徵等)是煤粉產出的基礎,煤層氣動態工程因素(包括鑽井工程、儲層改造工程和排採工程)是煤粉產出的誘因,而構造煤發育是煤粉產生的關鍵因素。

(2)從煤粉的成因機制角度,把煤粉劃分為煤層固有煤粉、機械破壞和應力條件改變產生的煤粉;從煤粉產出的位置出發,把煤粉劃分為煤儲層中的煤粉、井筒中殘留的煤粉和排採系統中的煤粉;綜合考慮煤粉成因機制、產出**及其對生產的影響等因素,提出了煤粉的成因機制-產出位置綜合分類體系。

(二)產出煤粉特徵

採用煤粉濃度監測儀、鐳射粒度測試儀、光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡和x射線衍射測試等手段,從煤粉的濃度、粒度、成分、磨圓度、形態、表面特徵和破裂方式等方面,對韓城區塊煤層氣井產出煤粉特徵進行了精細化描述。結合韓城區塊的煤巖特徵,分析了煤層氣井產出煤粉的主控因素,**了煤粉的**和煤粉成因,為揭示煤粉產出規律和採取合理管控措施提供基礎資料和依據。

(1)通過煤粉濃度特徵分析,發現韓城區塊煤層氣井煤粉產出與井型、完井工藝和煤體結構有關。下套管射孔壓裂完井的直井和定向井煤粉濃度一般小於裸眼完井的水平井的煤粉濃度,分析認為,水平井煤層裸眼段易遭受鑽具的研磨以及液流的沖蝕作用而產生煤粉。位於斷層附近的煤層氣井產出煤粉濃度大,分析認為,構造作用對煤層的破壞比較嚴重,易產生大量煤粉。

(2)通過煤粉粒度特徵分析,得出煤層氣井產出的煤粉顆粒的體積平均直徑基本都集中在100μm左右,具體到各個單井又有微小的差異。根據煤粉粒度分佈的形態,將產出煤粉粒度分佈曲線型別劃分為單峰型和雙峰型,單峰型煤粉顆粒直徑一般分佈範圍在0.1～1000μm,雙峰型煤粉顆粒直徑一般分佈範圍在0.

1～2000μm。韓城區塊煤層氣井產出煤粉顆粒大小與煤巖特徵和力學性質、煤體結構以及液流的攜粉能力相關。

(3)通過煤粉成分特徵分析,煤粉成分以無機礦物為主,其平均含量大於50%,運用x射線衍射儀對煤粉無機礦物成分分析,結果顯示,煤粉中無機礦物以黏土礦物為主,平均含量約佔無機礦物的50%。而煤巖成分以有機質為主,無機礦物含量較少,佔10%左右。與煤巖相比,煤粉中含有大量的黏土礦物。

這是由於黏土礦物集合體對骨架顆粒附著力很差,在高速流體的剪下應力作用下,黏土礦物集合體容易從骨架顆粒上脫落,易形成煤粉。分析發現,產出煤粉的成分與煤巖特徵和煤層結構特徵有關。

(4)通過煤粉形態特徵分析,認為煤粉的形態特徵與煤粉的**及煤體結構有關。從磨圓度分析,認為煤層中的固有煤粉由於搬運過程中的磨蝕而容易成為圓狀、次圓狀;稜角狀、次稜角狀煤粉主要是受力脆性破壞的結果,這些煤粉主要**於鑽井、壓裂、排採工程造成的機械破壞與應力改變,屬於後期形成的次生煤粉。從球度分析,認為柱狀煤粉可能是由原生結構或碎裂煤受破壞而形成的煤粉;片狀煤粉可能是來自鱗片煤或片煤的片狀剝落而形成;粒狀煤粉可能是碎粒煤形成的。

從破裂方式分析,認為片狀剝落的煤粉主要是鱗片煤或片煤脫落所致,而塊狀破裂的煤粉主要是原生結構煤或碎裂煤遭受沖蝕形成的。從表面特徵分析,將煤粉顆粒表面特徵分為粗糙型表面和光滑型表面兩種,認為粗糙型表面的煤粉顆粒以無機礦物質為主,而光滑型表面的煤粉顆粒以有機質為主。

(5)從產出煤粉形態出發,分析了原生結構煤、碎裂煤、碎粒煤和鱗片煤產生煤粉的破壞形式、產出煤粉特徵以及產出煤粉傾向性。其中,原生結構煤和碎裂煤以塊狀斷裂的方式形成以柱狀或粒狀為主的煤粉,顆粒較大,稜角較分明,煤粉產出的傾向性較小;碎粒煤形成以粒狀為主的煤粉,粒度較小,煤粉產出的傾向性較大;鱗片煤以片狀剝落的方式形成片狀煤粉,產生煤粉的傾向性也較大。

(6)通過煤粉濃度、粒度和成分特徵分析,結合煤層氣主力開發煤層特徵分析,指出了煤粉產出的主控因素有煤巖特徵、煤體結構和煤層結構特徵、井型、完井工藝、儲層改造、排採製度等。而煤體結構是煤粉產出的首要控制因素。

(三)煤粉產出物理模擬

從驅替流速、圍壓、煤巖組分和煤體結構等4個方面進行了煤粉產出物理模擬實驗。以不同驅替流速模擬煤層氣排採過程中產水強度,查明瞭驅替流速的變化對煤粉產出的影響;以不同圍壓強度模擬煤層氣排採過程中煤儲層壓力,查明瞭圍壓的變化對煤粉產出的影響;以不同煤巖組分特徵的煤樣模擬不同煤儲層,分析了煤儲層組分對煤粉產出的影響;以不同煤體結構的煤樣模擬不同煤儲層,分析了煤體結構型別對煤粉產出的影響。通過煤粉產出物理模擬與煤層氣井煤粉產出對比分析,揭示了不同煤儲層、不同排採條件下流壓、流速對煤粉產出的動態影響規律。

(1)通過驅替流速對煤粉產出影響的物理模擬實驗,分析了驅替流速對煤粉產出的影響。結果表明,在一定圍壓及驅替流速作用下,煤粉將會被驅替液攜帶產出。圍壓穩定不變,驅替流速越大,煤粉產出量越多,即煤粉產出量與驅替流速之間具有正相關關係。

驅替流速低,產出煤粉粒度偏小,流速提高,沖蝕作用增強,產出的煤粉粒度分佈範圍擴大,粒度值增大。驅替液的沖蝕作用會攜帶堵塞裂隙通道的煤粉運移排出,進而擴大有效裂隙系統的展布空間,故隨著驅替流速的逐步增大,裂隙導流系統的滲透率將會相應提高。

(2)通過圍壓與煤粉產出的物理模擬實驗,分析了圍壓對煤粉產出的影響。結果表明,驅替流速穩定不變,圍壓越大,煤粉的產出量有所降低,表明其產出量與圍壓之間具有負相關關係。圍壓越大,實驗煤樣所受的擠壓力越大,實驗煤樣的破損程度越大,將會產出粒度較大的煤粉,同時,造成煤樣內裂隙系統的有效應力增大,開放程度降低,煤粉不易隨排出液產出,導致其產出量降低。

圍壓增大,將會導致煤粉堵塞裂隙通道,煤粉隨排出液運移不暢會降低有效裂隙系統的聯通空間,故滲透率會隨圍壓的提高而降低。

(3)通過不同煤巖組分與煤粉產出的物理模擬實驗,分析了不同煤巖組分對煤粉產出的影響。結果表明,圍壓不變,隨著驅替流速增大,不同煤巖組分的煤巖中煤粉產出量均有增大的趨勢,煤巖滲透率有增大趨勢,且流速越大,不同煤巖組分的煤樣滲透率變化趨勢越接近,但不同煤巖組分的煤巖中煤粉產出量差異顯著,黏土礦物含量高、鏡質組含量低的煤樣產出煤粉量大。驅替流速不變,隨著圍壓增大,不同煤巖組分的煤樣煤粉產出量均有增大的趨勢,而煤巖滲透率有下降趨勢。

但不同煤巖組分的煤巖中煤粉產出量和滲透率差異顯著,黏土礦物含量較高的煤樣隨圍壓增大,煤粉產出速率增大。圍壓的增大可造成性脆易碎的鏡質組破裂,導致鏡質組含量高的煤樣形成更多的煤粉,逐漸堵塞有效導流裂縫,導致滲透率持續降低。

(4)通過不同煤體結構對煤粉產出影響的物理模擬實驗,分析了煤體結構差異對煤粉產出的影響。結果表明,碎粒煤在同一實驗條件下產出煤粉量要遠遠大於原生結構煤產出煤粉量,原生結構煤產出煤粉平均粒度比碎粒煤大,碎粒煤實驗產出煤粉對流速條件變化敏感性強。原生結構煤產出煤粉一般稜角明顯,分選性差,煤粉表面相對光滑;碎粒煤產出煤粉圓度大,煤粉表面相對粗糙。

產出煤粉的組分型別與實驗前煤巖樣品一致,但不同顯微組分的含量比例出現了分異性:產出煤粉中鏡質組及黏土礦物含量明顯增大。隨煤粉產出,煤巖滲透率均呈現前期逐漸增大,後期趨於穩定的現象,但原生結構煤的滲透率遠大於碎粒煤的滲透率。

(5)間斷-重啟實驗,煤粉產出量瞬間增多,表明驅替流速的瞬間提高將擾亂煤儲層原有平衡狀態,使得煤粉大量產出;而驅替流速突然增大,會造成裂隙系統內流體壓力降低,有效應力增大,導致部**隙出現一定程度的閉合,若煤粉無法暢通排出,則會堵塞裂隙。

(6)在煤層氣井排採過程中,煤粉產出受多種作用力的綜合影響。類似碎屑物的搬運規律,煤粉的運移存在臨界啟動速率與臨界沉積速率。當液體流速大於煤粉的啟動運移速率時,煤粉發生移動;當流速降低至煤粉臨界沉積速率時,煤粉將停止運移而沉積。

(四)煤粉產出規律

通過對韓城區塊煤層氣井煤粉監測、室內煤粉特徵測試及煤粉物理模擬實驗,結合煤層氣排採實踐,分析了煤粉產出隨排採階段的變化情況及煤粉產出的運移情況,揭示了煤粉產出規律,劃分了煤粉產出階段,總結了不同煤粉產出階段的煤層氣井生產特徵和煤粉產出特徵。

(1)韓城區塊在各排採階段內產出煤粉粒度和濃度均具有明顯的階段變化特徵,煤粉濃度整體趨勢隨排採階段遞增而變小,呈產出煤粉濃度在排水降壓階段低、在起套壓階段和放產階段高、在穩定產氣階段低的總體趨勢。通過進行井口產出的煤粉特徵與修井採得的井底煤粉特徵對比分析,發現井口產出的煤粉形態大部分呈球狀、片狀,稜角不明顯,磨圓度好,且粒度較小;井底的煤粉大部分呈塊狀、粒狀,稜角明顯,磨圓度差,粒度大,揭示了煤粉在通道和排採系統中的運移規律。

(2)通過煤層氣井排採實踐、煤層氣井的現場監測和煤巖煤粉測試分析,從煤粉產出濃度與煤層氣井排採關係分析,提出了煤粉產出四段式劃分方案,總結了不同煤粉產出階段的煤層氣井生產特徵、煤粉主要**和煤粉特徵。指出了排採初期和產氣量快速上升期是煤層氣井卡泵的高峰期,排採初期主要是大顆粒進入排採系統造成的卡泵,而產氣量快速上升期是煤粉產出的高峰期,主要是大量煤粉聚集造成的卡泵。

(五)煤粉產出管控措施

在綜合分析韓城區塊煤層氣井煤粉產出的影響因素、煤粉產出機理及煤粉產出規律的基礎上,從地質、工程、裝置工藝及排採製度等方面提出了煤層氣生產井煤粉產出的管理和控制措施。

(1)根據導致煤層氣井煤粉產出問題的具體因素,提出了一套包括地質預防、儲層改造、裝置優選、生產預警、排採控制和工藝治理等方面的煤粉管控措施體系。

(2)根據對韓城區塊原煤樣的詳細觀察,以巨集觀形態與內部結構的差異,劃分了韓城區塊煤體結構型別,總結了韓城區塊不同煤體結構型別煤的測井響應特徵,確立了密度測井、自然伽馬測井、電阻率測井及井徑測井4組測井響應組合值。通過對韓城區塊3號、5號、11號煤的測井曲線的煤體結構型別識別解釋,查明瞭各煤層的煤體結構型別在橫向和縱向上的分佈特徵,在佈設煤層氣井位置及開發層段時,應避開ⅲ類構造煤層發育段,為地質方面預防煤粉產出提供基礎。

(3)為了有效預防煤粉產出導致的煤層氣井排水不暢、抽油泵漏失、卡泵等井下故障的發生,可採用示功圖來預警煤粉產出強度,建立了示功圖預警煤粉相關井下故障的定量化指標,選取了井下故障例項,分析了故障過程中示功圖形態特徵的變化規律,隨著井底煤粉產出與聚集程度加重,示功圖形態變化明顯,具有較強的指示作用。因此,示功圖監測可起到有效的煤粉預警措施。

(4)以韓城區塊現場生產為基礎,提出了韓城區塊煤層氣井不同排採階段煤粉產出的精細化排採製度,總結了自潔泵、射流泵、電潛螺桿泵、杆式泵等排採裝置及常規注水洗井、井筒酸化洗井和空心抽油杆洗泵等工藝的適用性。

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