Question

主要研究成果

Answer 1

由于我国煤盆地构造-热演化的复杂性和煤储层的特殊性,煤层气排采过程中普遍存在煤粉产出问题,煤粉问题是制约煤层气井产能的主控因素之一。本书以鄂尔多斯盆地东南缘煤层气韩城区块为研究区,在分析煤储层地质背景的基础上,采用典型煤层气井现场监测、系统的煤粉和煤岩测试分析、专门物理模拟实验和现场工程措施应用相结合的方法,从煤岩自身性质与工程扰动耦合效应入手,综合分析了煤粉产出的影响因素及产出煤粉特征,提出了煤粉的成因机制-产出位置综合分类体系,探讨了煤粉来源,揭示了煤粉产出机理,查明了煤粉产出规律,制定了适宜的煤粉管控措施,为实现煤层气高效稳定排采奠定了基础。主要取得了以下研究成果:

(一)煤粉产出的影响因素及综合分类

采用井下煤层观察、测井曲线解释及室内测试分析等方法,结合煤层气井生产现场实践,分析了韩城区块主力开发煤层3号、5号和11号煤层的煤岩组分、煤体结构、煤层结构、矿物含量和组成等和煤层气井的钻井工程、压裂储层改造、排采设备及排采制度等及其对煤粉产出的影响。综合考虑煤粉的成因机制、产出位置及其对煤层气生产的影响等因素,提出了煤粉的综合分类体系。

(1)煤粉的形成是多种因素的共同作用结果,从煤粉成因方面,将煤粉产出影响因素主要分为煤储层静态地质因素与煤层气动态工程因素两个方面,指出了煤储层静态地质因素(包括煤岩特征、煤体结构特征和煤层结构特征等)是煤粉产出的基础,煤层气动态工程因素(包括钻井工程、储层改造工程和排采工程)是煤粉产出的诱因,而构造煤发育是煤粉产生的关键因素。

(2)从煤粉的成因机制角度,把煤粉划分为煤层固有煤粉、机械破坏和应力条件改变产生的煤粉;从煤粉产出的位置出发,把煤粉划分为煤储层中的煤粉、井筒中残留的煤粉和排采系统中的煤粉;综合考虑煤粉成因机制、产出来源及其对生产的影响等因素,提出了煤粉的成因机制-产出位置综合分类体系。

(二)产出煤粉特征

采用煤粉浓度监测仪、激光粒度测试仪、光学显微镜、扫描电子显微镜和X射线衍射测试等手段,从煤粉的浓度、粒度、成分、磨圆度、形态、表面特征和破裂方式等方面,对韩城区块煤层气井产出煤粉特征进行了精细化描述。结合韩城区块的煤岩特征,分析了煤层气井产出煤粉的主控因素,探讨了煤粉的来源和煤粉成因,为揭示煤粉产出规律和采取合理管控措施提供基础数据和依据。

(1)通过煤粉浓度特征分析,发现韩城区块煤层气井煤粉产出与井型、完井工艺和煤体结构有关。下套管射孔压裂完井的直井和定向井煤粉浓度一般小于裸眼完井的水平井的煤粉浓度,分析认为,水平井煤层裸眼段易遭受钻具的研磨以及液流的冲蚀作用而产生煤粉。位于断层附近的煤层气井产出煤粉浓度大,分析认为,构造作用对煤层的破坏比较严重,易产生大量煤粉。

(2)通过煤粉粒度特征分析,得出煤层气井产出的煤粉颗粒的体积平均直径基本都集中在100μm左右,具体到各个单井又有微小的差异。根据煤粉粒度分布的形态,将产出煤粉粒度分布曲线类型划分为单峰型和双峰型,单峰型煤粉颗粒直径一般分布范围在0.1～1000μm,双峰型煤粉颗粒直径一般分布范围在0.1～2000μm。韩城区块煤层气井产出煤粉颗粒大小与煤岩特征和力学性质、煤体结构以及液流的携粉能力相关。

(3)通过煤粉成分特征分析,煤粉成分以无机矿物为主,其平均含量大于50%,运用X射线衍射仪对煤粉无机矿物成分分析,结果显示,煤粉中无机矿物以黏土矿物为主,平均含量约占无机矿物的50%。而煤岩成分以有机质为主,无机矿物含量较少,占10%左右。与煤岩相比,煤粉中含有大量的黏土矿物。这是由于黏土矿物集合体对骨架颗粒附着力很差,在高速流体的剪切应力作用下,黏土矿物集合体容易从骨架颗粒上脱落,易形成煤粉。分析发现,产出煤粉的成分与煤岩特征和煤层结构特征有关。

(4)通过煤粉形态特征分析,认为煤粉的形态特征与煤粉的来源及煤体结构有关。从磨圆度分析,认为煤层中的固有煤粉由于搬运过程中的磨蚀而容易成为圆状、次圆状;棱角状、次棱角状煤粉主要是受力脆性破坏的结果,这些煤粉主要来源于钻井、压裂、排采工程造成的机械破坏与应力改变,属于后期形成的次生煤粉。从球度分析,认为柱状煤粉可能是由原生结构或碎裂煤受破坏而形成的煤粉;片状煤粉可能是来自鳞片煤或片煤的片状剥落而形成;粒状煤粉可能是碎粒煤形成的。从破裂方式分析,认为片状剥落的煤粉主要是鳞片煤或片煤脱落所致,而块状破裂的煤粉主要是原生结构煤或碎裂煤遭受冲蚀形成的。从表面特征分析,将煤粉颗粒表面特征分为粗糙型表面和光滑型表面两种,认为粗糙型表面的煤粉颗粒以无机矿物质为主,而光滑型表面的煤粉颗粒以有机质为主。

(5)从产出煤粉形态出发,分析了原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤和鳞片煤产生煤粉的破坏形式、产出煤粉特征以及产出煤粉倾向性。其中,原生结构煤和碎裂煤以块状断裂的方式形成以柱状或粒状为主的煤粉,颗粒较大,棱角较分明,煤粉产出的倾向性较小;碎粒煤形成以粒状为主的煤粉,粒度较小,煤粉产出的倾向性较大;鳞片煤以片状剥落的方式形成片状煤粉,产生煤粉的倾向性也较大。

(6)通过煤粉浓度、粒度和成分特征分析,结合煤层气主力开发煤层特征分析,指出了煤粉产出的主控因素有煤岩特征、煤体结构和煤层结构特征、井型、完井工艺、储层改造、排采制度等。而煤体结构是煤粉产出的首要控制因素。

(三)煤粉产出物理模拟

从驱替流速、围压、煤岩组分和煤体结构等4个方面进行了煤粉产出物理模拟实验。以不同驱替流速模拟煤层气排采过程中产水强度,查明了驱替流速的变化对煤粉产出的影响;以不同围压强度模拟煤层气排采过程中煤储层压力,查明了围压的变化对煤粉产出的影响;以不同煤岩组分特征的煤样模拟不同煤储层,分析了煤储层组分对煤粉产出的影响;以不同煤体结构的煤样模拟不同煤储层,分析了煤体结构类型对煤粉产出的影响。通过煤粉产出物理模拟与煤层气井煤粉产出对比分析,揭示了不同煤储层、不同排采条件下流压、流速对煤粉产出的动态影响规律。

(1)通过驱替流速对煤粉产出影响的物理模拟实验,分析了驱替流速对煤粉产出的影响。结果表明,在一定围压及驱替流速作用下,煤粉将会被驱替液携带产出。围压稳定不变,驱替流速越大,煤粉产出量越多,即煤粉产出量与驱替流速之间具有正相关关系。驱替流速低,产出煤粉粒度偏小,流速提高,冲蚀作用增强,产出的煤粉粒度分布范围扩大,粒度值增大。驱替液的冲蚀作用会携带堵塞裂隙通道的煤粉运移排出,进而扩大有效裂隙系统的展布空间,故随着驱替流速的逐步增大,裂隙导流系统的渗透率将会相应提高。

(2)通过围压与煤粉产出的物理模拟实验,分析了围压对煤粉产出的影响。结果表明,驱替流速稳定不变,围压越大,煤粉的产出量有所降低,表明其产出量与围压之间具有负相关关系。围压越大,实验煤样所受的挤压力越大,实验煤样的破损程度越大,将会产出粒度较大的煤粉,同时,造成煤样内裂隙系统的有效应力增大,开放程度降低,煤粉不易随排出液产出,导致其产出量降低。围压增大,将会导致煤粉堵塞裂隙通道,煤粉随排出液运移不畅会降低有效裂隙系统的联通空间,故渗透率会随围压的提高而降低。

(3)通过不同煤岩组分与煤粉产出的物理模拟实验,分析了不同煤岩组分对煤粉产出的影响。结果表明,围压不变,随着驱替流速增大,不同煤岩组分的煤岩中煤粉产出量均有增大的趋势,煤岩渗透率有增大趋势,且流速越大,不同煤岩组分的煤样渗透率变化趋势越接近,但不同煤岩组分的煤岩中煤粉产出量差异显著,黏土矿物含量高、镜质组含量低的煤样产出煤粉量大。驱替流速不变,随着围压增大,不同煤岩组分的煤样煤粉产出量均有增大的趋势,而煤岩渗透率有下降趋势。但不同煤岩组分的煤岩中煤粉产出量和渗透率差异显著,黏土矿物含量较高的煤样随围压增大,煤粉产出速率增大。围压的增大可造成性脆易碎的镜质组破裂,导致镜质组含量高的煤样形成更多的煤粉,逐渐堵塞有效导流裂缝,导致渗透率持续降低。

(4)通过不同煤体结构对煤粉产出影响的物理模拟实验,分析了煤体结构差异对煤粉产出的影响。结果表明,碎粒煤在同一实验条件下产出煤粉量要远远大于原生结构煤产出煤粉量,原生结构煤产出煤粉平均粒度比碎粒煤大,碎粒煤实验产出煤粉对流速条件变化敏感性强。原生结构煤产出煤粉一般棱角明显,分选性差,煤粉表面相对光滑;碎粒煤产出煤粉圆度大,煤粉表面相对粗糙。产出煤粉的组分类型与实验前煤岩样品一致,但不同显微组分的含量比例出现了分异性:产出煤粉中镜质组及黏土矿物含量明显增大。随煤粉产出,煤岩渗透率均呈现前期逐渐增大,后期趋于稳定的现象,但原生结构煤的渗透率远大于碎粒煤的渗透率。

(5)间断-重启实验,煤粉产出量瞬间增多,表明驱替流速的瞬间提高将扰乱煤储层原有平衡状态,使得煤粉大量产出;而驱替流速突然增大,会造成裂隙系统内流体压力降低,有效应力增大,导致部分裂隙出现一定程度的闭合,若煤粉无法畅通排出,则会堵塞裂隙。

(6)在煤层气井排采过程中,煤粉产出受多种作用力的综合影响。类似碎屑物的搬运规律,煤粉的运移存在临界启动速率与临界沉积速率。当液体流速大于煤粉的启动运移速率时,煤粉发生移动;当流速降低至煤粉临界沉积速率时,煤粉将停止运移而沉积。

(四)煤粉产出规律

通过对韩城区块煤层气井煤粉监测、室内煤粉特征测试及煤粉物理模拟实验,结合煤层气排采实践,分析了煤粉产出随排采阶段的变化情况及煤粉产出的运移情况,揭示了煤粉产出规律,划分了煤粉产出阶段,总结了不同煤粉产出阶段的煤层气井生产特征和煤粉产出特征。

(1)韩城区块在各排采阶段内产出煤粉粒度和浓度均具有明显的阶段变化特征,煤粉浓度整体趋势随排采阶段递增而变小,呈产出煤粉浓度在排水降压阶段低、在起套压阶段和放产阶段高、在稳定产气阶段低的总体趋势。通过进行井口产出的煤粉特征与修井采得的井底煤粉特征对比分析,发现井口产出的煤粉形态大部分呈球状、片状,棱角不明显,磨圆度好,且粒度较小;井底的煤粉大部分呈块状、粒状,棱角明显,磨圆度差,粒度大,揭示了煤粉在通道和排采系统中的运移规律。

(2)通过煤层气井排采实践、煤层气井的现场监测和煤岩煤粉测试分析,从煤粉产出浓度与煤层气井排采关系分析,提出了煤粉产出四段式划分方案,总结了不同煤粉产出阶段的煤层气井生产特征、煤粉主要来源和煤粉特征。指出了排采初期和产气量快速上升期是煤层气井卡泵的高峰期,排采初期主要是大颗粒进入排采系统造成的卡泵,而产气量快速上升期是煤粉产出的高峰期,主要是大量煤粉聚集造成的卡泵。

(五)煤粉产出管控措施

在综合分析韩城区块煤层气井煤粉产出的影响因素、煤粉产出机理及煤粉产出规律的基础上,从地质、工程、设备工艺及排采制度等方面提出了煤层气生产井煤粉产出的管理和控制措施。

(1)根据导致煤层气井煤粉产出问题的具体因素,提出了一套包括地质预防、储层改造、设备优选、生产预警、排采控制和工艺治理等方面的煤粉管控措施体系。

(2)根据对韩城区块原煤样的详细观察,以宏观形态与内部结构的差异,划分了韩城区块煤体结构类型,总结了韩城区块不同煤体结构类型煤的测井响应特征,确立了密度测井、自然伽马测井、电阻率测井及井径测井4组测井响应组合值。通过对韩城区块3号、5号、11号煤的测井曲线的煤体结构类型识别解释,查明了各煤层的煤体结构类型在横向和纵向上的分布特征,在布设煤层气井位置及开发层段时,应避开Ⅲ类构造煤层发育段,为地质方面预防煤粉产出提供基础。

(3)为了有效预防煤粉产出导致的煤层气井排水不畅、抽油泵漏失、卡泵等井下故障的发生,可采用示功图来预警煤粉产出强度,建立了示功图预警煤粉相关井下故障的定量化指标,选取了井下故障实例,分析了故障过程中示功图形态特征的变化规律,随着井底煤粉产出与聚集程度加重,示功图形态变化明显,具有较强的指示作用。因此,示功图监测可起到有效的煤粉预警措施。

(4)以韩城区块现场生产为基础,提出了韩城区块煤层气井不同排采阶段煤粉产出的精细化排采制度,总结了自洁泵、射流泵、电潜螺杆泵、杆式泵等排采设备及常规注水洗井、井筒酸化洗井和空心抽油杆洗泵等工艺的适用性。