薄互层煤层气井出砂综合治理研究

张 越 ，于姣姣 ，李又武 ，吴晓丹 ，蒋时馨 ，谷 峰 ，崔景云 ，高 英

（中海石油气电集团技术研发中心，北京 100028）

由于煤岩的脆性和易碎性，煤层气开发过程中容易产生煤粉，这使得原有产气通道被破坏，阻碍煤层气开采。薄互层煤层由于与围岩的接触面积大，除了煤粉，还会产生大量的砂粒；这使得孔眼堵塞、泵效降低、泵故障频繁、作业次数和维修费用增加；更严重的是，即使维修复产，煤层气产量也会大幅下降。薄互层煤层出砂（煤粉）问题已经突出地影响了煤层气开发的经济效益。我国的薄互层煤层资源分布广泛[1]，开发中已经或即将面临出砂问题，如何治理出砂（煤粉）是高效开发薄互层煤层气资源必须面临的重要问题。现有的研究侧重于在大段均质煤层中煤粉颗粒产生与运移机理的基础上构建预测模型、优化钻井与压裂技术、完善排采工艺与制度[2-3]。尚未见使用系统工程学方法综合治理薄互层煤层出砂（煤粉）问题研究或成功案例的报道。为此，提出从完井阶段开始的涉及井筒内外和生产过程的系统性的煤层气井出砂综合治理措施，分析颗粒沉降规律，对比不同的防砂、携砂方式，结合苏拉特盆地地质特征和生产现状形成了“防排砂一体化”的综合方法，阶段性地解决了苏拉特盆地薄互层煤层气井出砂（煤粉）问题。

1 地质特征与煤层气井出砂问题

苏拉特盆地位于澳大利亚昆士兰州的中东部，煤层气资源丰富，资源量约8 507×108m3。该盆地煤层气年产气量达315×108m3，占澳大利亚煤层气总产量91%。含煤地层为中侏罗统Walloon 组，厚度300～450 m，该组段纵向上隔夹层多，有效厚度低，煤储层占比仅10%。Walloon 组由多种岩性组成，主要包括煤层（10%）、高密度碳质泥岩产层（2%～5%）、砂岩（40%～60%）、粉砂岩（20%～40%）、泥岩或凝灰质岩（10%～30%）等，发育10 个煤层组，煤层单层厚度较薄，集中在0.01～3.92 m 之间，并与薄的高密度碳质泥岩产层互层发育[4-8]。苏拉特盆地煤层气井岩性及沉积相划分示意图[9]如图1。

图1 苏拉特盆地煤层气井岩性及沉积相划分示意图Fig.1 Lithology and sedimentary facies division of coalbed methane wells in Surat Basin

目前苏拉特盆地煤层气井单井产气量超1×104m3/d 占比90%、超3×104m3/d 占比70%[10]。气体流速高导致的对煤岩和围岩的剪切、压实和滑移破坏的程度大、颗粒携带能力大。随着开发的进行，出砂问题日益严重，在统计的352 口煤层气生产井中，100%存在不同程度的出砂问题，严重出砂井占33.5%。出砂不仅会堵塞地层流体的流动通道，还会造成卡泵、埋泵、抽油杆断裂等井下故障。这导致生产设备无法正常运行，出现大量出砂关停井[11]，修井作业频繁使开采成本居高。因此有效治理出砂是保证苏拉特盆地煤层气井高效生产的关键。

基于苏拉特盆地地层产出砂粒度分布范围广，且所有岩性种类都存在不同程度出砂，单一的完井防砂或携砂无法做到有效治砂。为此，在苏拉特盆地经历一系列探索，逐渐过渡形成一套“防携一体化”的综合治砂技术。该方法套管外“以防为主”，通过机械防砂或化学胶结等完井方式，阻止地层砂进入井筒，完井防砂方式的选择需结合区块特征、防砂工艺适用条件及现场实验对比等进行综合决策；油管内以“携砂为主”，将小颗粒无法阻挡的地层砂随流体产出，同时利用井下工具降低出砂对井下设备的影响；井筒内“控砂结合”，在采用特殊井下工具阻止大粒径砂进入生产管柱基础上，辅助小粒径砂携带产出，同时预留足够沉砂口袋，尽可能减小出砂对生产的影响。通过“防携一体化”方法，解决苏拉特盆地煤系地层出砂问题。

2 套管外防砂方式

在薄互层煤层气井的完井阶段就要充分考虑后期开发的出砂问题，做到“以防为主”。苏拉特盆地Walloon 组出砂风险预测和评估结果表明：煤储层和夹层均存在B指数≤2.0×104MPa，声波时差值≥105 μs/ft 区间，这说明产层与夹层都具有极高的出砂风险。

依照传统方法，预防Walloon 组出砂最直接的方法是将超过300 m 的裸眼段全井段固井，同时避开易出砂夹层仅对煤储层进行射孔，但是因煤层敏感性强，该区射孔完井平均单井产量仅为裸眼完井产量的1/5，会使产能受到严重影响。因此，结合苏拉特盆地煤层气井的特征和需求，综合对比多种完井防砂方式，得到适合苏拉特盆地煤层气井的防砂方式为：砾石充填、ECP（膨胀式封隔器，下同）+盲管、表皮压裂。苏拉特盆地中侏罗统Walloon 组煤层气井完井防砂技术对比见表1。

表1 苏拉特盆地中侏罗统Walloon 组煤层气井完井防砂技术对比Table 1 Grain size and composition analysis of interbed minerals in Walloon formation of middle Jurassic in Surat Basin

进一步筛选分析，若超过300 m 的Walloon 储层全部采用砾石充填防砂，储层跨度大、经济成本高，且煤层气单井产能有限，投入产出比低，因此并不适用。表皮压裂是为了缓解近井地带储层伤害，仅对煤层进行射孔作业，并采用小排量压裂对煤层进行解堵，在降低夹层出砂可能性的同时，保证井的产能，但是压裂费用高，不适合规模作业[12]。

ECP+盲管，即非产层段主要使用ECP+盲管进行封堵，生产层段以打孔管支撑井壁，预防煤层坍塌。打孔管较筛管而言具有不易堵塞的优点，采用打孔管主要是由于Walloon 组夹层和煤层胶结疏松，强度低，分选差，粒径分布范围主要集中在0.1～2 000 μm 之间，黏土含量高，极易造成堵塞。ECP 在使用前要先确认生产层位，对大段的砂岩夹层、泥岩夹层进行封堵。综合对比研究认为，ECP+盲管完井作业风险合理、生产成本较低，适合苏拉特盆地煤层气井。苏拉特盆地煤层气井ECP+盲管完井方式示意图如图2。

图2 苏拉特盆地煤层气井ECP+盲管完井方式示意图Fig.2 Schematic diagrams of ECP+ blind pipe completion mode of coalbed methane wells in Surat Basin

3 油管内携砂方式

油管内主要“以携为主”，目的是在生产过程中将进入油管砂粒携带出井筒，同时尽可能降低出砂对井下设备的影响。携砂方式的选择需结合井身结构、生产要求及井下复杂工况等共同确定。

3.1 排砂生产

苏拉特盆地煤层气井以直井为主，采用二开的井身结构，生产井油管尺寸为φ88.9 mm，部分小产水量煤层气井使用φ73.0 mm 油管。根据沉降末速计算地层出水对地层砂的携带能力[13-14]：

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

由于水的黏度低，因此携砂所需要的沉降末速较大。沉降末速与砂粒粒径成正相关关系，选取粒径中值140 μm 进行计算，得沉降末速0.014 m/s，但事实上为了携带直径更大的砂粒，所需要的沉降末速更大。直井液体的环空上返速度应是砂粒沉降末速的2 倍，即0.028 m/s，那么对于φ88.9 mm 油管，产水量大于15 m3/d 时，砂粒不会发生沉降。目前的产水量无法将全部砂粒携带出井筒，井筒内存在沉砂风险。

3.2 增大携砂能力

苏拉特盆地目前采用螺杆泵为排采设备，其本身具有部分排砂功能。通过对比国内外螺杆泵携砂的常规做法，结合苏拉特盆地煤层气井的生产现状，进一步提出综合使用浆式转子、自动分流阀和螺杆泵反循环来进一步增强螺杆泵携排砂能力的改进措施[15]：①浆式转子是将螺杆泵的转子进一步加长，长度超过油管2～3 m，在正常生产时，浆式转子随螺杆泵转子旋转，在井底产生扰动，从而将水与细粉砂充分搅拌，增强携砂能力；②自动分流阀安装在油管内螺杆泵的上部，当正常生产时，地层产出流体与砂可穿过自动分流阀流动到井口，当因井下故障或生产维护等临时关停时，在重力的作用下砂粒会在井筒内沉降，自动分流阀可阻止砂粒沉降到螺杆泵泵筒内，对泵起到保护作用；③螺杆泵反循环就是利用双油管建立循环，注入经地面处理过的采出水，以达到携砂和冲洗的目的。

4 套管内控砂方式

套管内控砂方式需兼顾完井防砂方式、生产携砂方式和区块地质生产特征等综合确定。在井筒内既要利用井下工具辅助地层小粒径砂进入生产管柱携砂，也要阻止大粒径地层砂粒进入生产管柱防砂，因此井底需预留足够空间降低出砂对生产的影响[16]。苏拉特盆地煤层气生产统计数据表明，沉砂空间大小与有效生产时间呈成正相关关系。为了延长有效生产时间，应适当增加沉砂空间；共有2 种途径可实现：①优化管柱下深，即上提管柱；②钻穿套管鞋，增大沉砂口袋。

优化管柱下深是增加井底沉砂空间最直接的方式，生产管柱下入深度示意图如图3。

图3 生产管柱下入深度示意图Fig.3 Schematic diagrams of running depth of production string

苏拉特盆地煤层气井对管柱下深历经了一系列探索：初期将管柱下至煤层顶板附近，由于煤层气需要排水降压才能达到解吸产气的目的，产能受到了严重的制约；随后将油管底部下至距套管鞋30 m 处，此时煤层气井产量虽较高，但频繁出现卡泵、埋泵等井下事故；接着尝试将油管下降至煤层中部，虽然事故率低，但产能依旧受到较大影响；最后将油管降至距套管鞋60～90 m 处，此时产能未受影响，且事故较30 m 时有所缓解。管柱下深可增加的空间有限，钻穿套管鞋至人工井底的方法可获得更大的沉砂空间。而苏拉特盆地中83%的煤层气井，套管鞋距人工井底距离大于10 m，利用该空间可进一步降低出砂对生产的影响。

经过现场实验数据统计，优化管柱下深和钻穿套管鞋均可增加煤层气井的连续生产时间，目前这2 种方式已在苏拉特盆地推广使用。

5 应用效果

出砂治理前后井故障率对比如图4，出砂综合治理效果如图5。

图4 出砂治理前后井故障率对比Fig.4 Comparison of failure rate after sand production treatment

图5 出砂综合治理效果Fig.5 Comprehensive control effect of sand production

苏拉特盆地在应用上述方式对出砂问题进行综合治理后，出砂得到有效控制，通过现场取水样表明应用防砂措施治理后井的水质较清，因出砂导致的关井修井现象得到有效缓解，生产相对稳定。井的故障率大幅降低，在500 d 的生产时间内，井的故障率由66%降至38%，降幅达28%。全区单井平均连续生产时间也由275 d 增至近400 d，井的有效利用率提高，年修井费用大幅降低。

6 结 语

在系统分析苏拉特盆地储层特征、出砂特点和生产规律的基础上，根据颗粒沉降规律研究，结合出砂层位预测和防砂工艺优选，采用“膨胀式封隔器+盲管”与“螺杆泵+浆式转子+自动分流阀+钻穿套管鞋”结合的综合防排砂技术，阶段性地解决了苏拉特盆地煤系地层出砂问题。通过苏拉特盆地现场实践与应用，成功探索出一套防排砂一体化的综合治砂措施。该方法有效增加了连续生产时间，降低了修井成本。