页岩气井地面安全返排测试工艺技术研究

页岩气井地面安全返排测试工艺技术研究

0回排试验后的地面测试问题四川盆地丰富了岩浆岩资源，岩浆岩资源的成功勘探和开发具有重要意义。现在，盆地内的元水库下侏罗系自流井群东岳庙段的黑色岩浆岩、富顺距马龙溪群的黑色岩浆岩和威远距罗竹寺群的黑色岩浆岩已成为主要勘探的领域。现在，上述区域进行了多口黄岩气井的勘探和油压试验。岩浆岩气藏属于严禁天然气藏。目前，主要采用水平井完井和钻探桥塞层较大的水加沙和开裂技术。这方法给以后的岩浆岩开采和地面排水口样品的回归和排序带来了许多问题。例如，添加砂压力后，地层中的砂含量变高，回归时间长，高压，尤其是地层砂含量，对土壤测试过程设备进行了严格的测试。土壤管道设备容易被侵蚀，容易丢失，导致重新安装测试工作中断，并将砂沉到井中以结束考试。另一方面，在钻井时，接收到的叶片氟脆，尤其是节流阀的叶片爆炸更大。如何有效控制压力，消除碎片，降低砂含量，是困难和高风险的。因此，对岩浆岩井底板沉降进行技术研究，有效解决了高压下采砂、清除砂、继续排入高排量的问题，有利于加快岩浆岩气藏的勘探和开发。1钻井地面测试方案设计页岩气井通常采用大规模的水力加砂压裂改造增产,单井分层改造段数多,压裂改造用液量、加砂量往往超出常规气井增产改造数倍、数十倍,如在美国不同页岩气区域单井改造用水量大致相同,一般为11000m3,每段压裂液用量达1000~1500m3,每段支撑剂用量达100~150t.正是由于页岩气井这种大排量、大液量、大砂量、小粒径、低砂比分层改造方式,导致页岩气井地面测试与常规气井相比,往往需返排液量更大,返排时间更长,特别是大规模加砂压裂后带来的返排测试期间地层大量出砂的控制处理难度更大,同时页岩气井多层合排时需要进行钻塞冲砂作业,期间桥塞碎屑和砂粒被井筒高压流体快速带出,地面安全风险高.因此在进行页岩气井地面测试方案设计时,首要考虑尽量在流程前端高效去除地面返排测试液中携带的大量砂粒或桥塞碎屑,其次是有效提高地面设备如闸阀、节流阀的耐冲蚀能力,从而保证返排测试作业的连续进行.为此研发配套了105MPa捕塞器,用于连续油管钻磨桥塞时,地面捕获桥塞碎屑;同时研发配套了105MPa旋流除砂器和105MPa管柱式除砂器,分别用于返排期间除去流体和气体中绝大部分固体砂粒,保护下游测试设备,目前国内外还未见用于去除大排量液体中固相颗粒的高压旋流除砂器的报导,而用于常规气井地面测试除砂作业普遍使用的滤砂器往往除砂效率不高,且更适合用于去除气体中的固相颗粒.另一方面在页岩气井地面测试方案设计中,将常规地面测试作业所用的普通闸阀改进为防砂闸阀,并设计了高抗冲蚀硬质合金油嘴,大大提高闸阀和油嘴的抗冲蚀能力和使用寿命,可更好地保证放喷排液的连续进行.页岩气井加砂压裂后地面返排测试时,井口压力往往较高,可达70MPa以上,高压也会给地面测试带来许多难题,因此进行页岩气井地面测试方案设计时,除实现常规试气要求,即要满足放喷返排、计量求产、取样、温度压力监测与数据采集等功能外,必须考虑流程承高压、超压保护与防冰堵等功能,流程高压端采用承压105MPa的高压管线与设备,通过ESD控制面板远程控制液动安全阀,实现紧急关断功能,主要压力容器设备上安装高低压传导阀,并与远程控制面板结合,实现设备自动超压保护等功能,此外,返排测试期间,主要采用加热保温法和泵注化学试剂法来防止水合物的形成.2排砂及测试管线的连接页岩气地面流程装备主要由井口捕塞除屑装置、气液分离除砂装置、滤砂装置、节流控压设备、紧急关断系统、分离计量装置等组成.地面流程设计了2条专用主副排砂管线与1条分离器测试管线(图1).井口至返排管汇与油嘴管汇之间采用采用105MPa高压法兰管线连接,高压管线前端为液动安全阀,捕塞器及其旁通管线,后端为旋流除砂器和返排管汇,主要用于实现捕获钻屑、除砂与地面关井等功能.主副排砂管前端连接到返排管汇,每条管线上分别连接1个可调节流阀和1个固定节流阀形成三级节流,排砂管线后端连接旋塞阀组后再进缓冲罐,缓冲罐尾气进小火炬燃烧,排液直接进入返排罐或污水池.排砂管线主要用于前期返排液以及钻塞冲砂等作业.测试管线与2条排砂管线组成并联方式连接,直接连接在旋流除砂器后端,其上依次为管柱式除砂器、油嘴管汇、热交换器、三相分离器等设备,分离器气路出口经65~14MPa管线连接到密闭燃烧器或燃烧池,水路出口管线连接到旋塞阀组至返排罐,油路出口连接到计量方罐.测试管线主要用于返排后期大产量时的油气水分离计量测试求产作业.3岩质土壤测试技术3.1管柱式除砂器页岩气井加砂压裂结束后,返排初期井口压力高,为保证高回压条件下有效的除砂除屑,在流程前端安装专用105MPa捕塞器、105MPa旋流除砂器和105MPa管柱式除砂器,用于钻塞作业期间的捕屑除屑与正常返排期间的除砂,这是与常规气井地面测试最主要的区别之一.捕塞器工作压力105MPa,主要通过内衬的筛网来实现捕获钻屑的功能,防止桥塞碎屑进入下游,堵塞油嘴或刺坏管线设备,筛网容积大,能同时容纳8个桥塞碎屑,可满足直井或水平井单次钻塞的需要;且在现场无须将捕塞器拆卸进行冲洗和清塞作业,满足了连续钻塞、循环作业目的.旋流除砂器工作压力105MPa,最大液处理量1000m3/d,气处理量150×104m3/d,采用旋流方式除砂,流体切向进入筒体后按筒体内部的螺旋分离元件规定的轨迹进行旋流,依靠由此产生的离心力和重力分离固相颗粒,从而有效地减少对下游地面设备的损坏.管柱式除砂器工作压力105MPa,处理砂粒直径≥100μm,最大气处理量100×104m3/d,内置双滤砂筒,主要利用不同等级的加固滤网过滤固相颗粒,不同级别的滤网适用于不同尺寸的固相颗粒,根据页岩气井加砂压裂采用支撑剂粒度大小,现场通常采用滤网尺寸150~300μm的砂筒.旋流除砂器处理量大,能有效去除液相流体中的固相颗粒,除砂效率高达95%以上,而管柱式除砂器主要用于大气量时的精细除砂作业.为保证页岩气井的连续返排液或连续测试要求,页岩气井地面返排测试设计了2条专用排砂流程,这是与常规气井地面测试另一主要区别之处,排砂流程走向如线路①所示,测试流程走向如线路②所示.①井口→捕塞器或旁通→旋流除砂器→高压数据头→返排管汇→主(副)排砂管线→旋塞阀组→缓冲罐→小火炬(气)、返排罐(液)②井口→捕塞器或旁通→旋流除砂器→高压数据头→管柱式除砂器→油嘴管汇→低压数据头→热交换器→三相分离器→大火炬(气)、旋塞阀组→返排罐(液)、计量罐(油).流程①适用于测试气产量小(≤5000m3/d)时的大排量连续返排与钻塞冲砂作业阶段.由于页岩气井返排液量较大,因此在返排前期流程主要走排砂管线,2条排砂管线用于返排液作业时流程倒换,确保返排液更换油嘴期间或者当1条排砂管线发生堵塞等状况时的连续返排.返排期间的压力控制主要通过返排管汇上的固定节流阀实现一级降压,再通过其后排砂管线上的可调节流阀和固定节流阀实现二、三级降压,确保下游管线设备安全.排砂管线上采用设计更为合理的笼式节流阀,耐冲蚀和节流性能较普通针阀大大提高,各级油嘴套前使用镶嵌硬质合金材料的三通堵头,抗冲蚀能力强,从而可有效保证大排量连续返排作业的进行.在连续返排期间或钻塞阶段,当气产量逐渐增大并超过5000m3/d的情况下,产气量已超过小火炬的气处理量,则需将流程导向分离器测试管线②.此时主要通过油嘴管汇上两翼的固定油嘴来实现井口压力控制与流程倒换,井筒流体经过分离器进行分离、计量后,气体可以导入密闭燃烧器进行燃烧,密闭燃烧器采用多燃烧头分压分流燃烧,低辐射、低噪音、占地面积小,能有效减少夜间作业时对井场周围社区居民的干扰,减少纠纷,从而保证连续放喷测试作业的顺利进行.经过缓冲罐或分离器分离后的返排液,主要使用数个返排罐进行轮流倒换与体积计量,由于页岩气井返排液量最大可达60m3/h以上,现场处理难度大,若不能有效处理则会影响连续返排测试作业的进行.因此现场主要使用多辆污水车连续作业,运至污水处理厂处理,或是将计量过的返排液泵至污水池或现场空压裂罐,使用过滤装置处理后,再作为下一层的压裂基液使用.3.2高压源检测.为保证页岩气井返排测试作业期间人员、设备的安全,主要通过配置安全阀、ESD控制面板和高低压传感器等,实现超压保护.一方面流程上主要的压力容器上都装配有相应压力值的安全阀,一旦设备超压,安全阀会将高压迅速释放掉,保证容器安全,防止爆裂或爆炸发生.另一方面流程多处安装有液动截止阀,返排测试过程中,一旦管线、设备超压,刺漏等,可通过远程ESD面板,迅速关闭相应部位前端的液动截止阀,截断高压危险源.同时,流程中还配备高低压传感器如在热交换器之前、分离器上设置高压传感器,当压力突然增高,超过安全设定值,高压传感器将感应的信号迅速传达到与其相连的ESD控制面板上,控制面板及时自动关闭其控制的液动截止阀,保证压力容器等的安全,防止爆裂.通过远程手动和自动控制各液动阀门的开关,还可以减少作业人员在高压区停留的时间.3.3岩气井测试防冰堵方法在页岩气井地面测试过程中,由于天然气在测试管线中经过节流管汇油嘴等突然缩小断面的位置,产生强烈的涡流,使压力下降,产生节流.节流时压力降低会使温度下降,则天然气中的水蒸气会凝析出并使气体与水混合物达到水合物形成的必要条件,如果温度低于天然气形成水合物的温度,则在测试管线中就会形成水合物,造成测试流程堵塞,严重时甚至堵死地面测试管线.在页岩气井测试过程中,防冰堵的方法和常规气井测试类似,主要使用的加热保温法和泵注化学试剂法来防止水合物的形成.一方面通过利用锅炉将水加热成水蒸汽,通过蒸汽管线和蒸汽分配阀,将蒸汽输送到热交换器内和节流管汇处,加热节流过后管线内的天然气,提高温度,使天然气节流降压膨胀后的温度高于形成水化物的临界温度,从而防止天然气形成水化物堵塞流程和管道.另一方面在节流管汇前端,通过化学注入泵(最高泵注压力达到140MPa)注入防冻剂(如甲醇、乙二醇),进一步避免天然气在测试管线中形成水合物.3.4返排过程监控为了保障返排测试的安全顺利进行,确保作业人员等的安全,作业过程中还集成应用了多种安全监控手段.通过研发配套视频监控系统,实现远程观察监视流程高危区域;应用自主设计开发的数据采集与传输系统实时监测返排测试过程中流程主要节点的压力温度变化并在压力、温度出现异常时及时报警提示;配备了专门用于探测地层出砂量大小的探砂仪和检测管线厚度的壁厚探测仪,使用壁厚探测仪检测流程冲蚀较为厉害部位的弯头、直管等的壁厚变化情况.此外,还在流程主要区域配备可燃、有毒气体检测仪和报警系统,检测大气环境中的有毒可燃有毒气体,防止出现爆炸与人员中毒事故.4井内加砂压裂率低,岩性矿物含量高,运用页岩气井地面安全返排测试技术,成功地完成了四川盆地威远、长宁、富顺、昭通等多个页岩气藏50余层次的试气作业.以四川盆地富顺区块XX水平井为例,完钻井深4568m,水平井段长1165m,测试层位龙马溪组,富含有机质黑色页岩段厚度大于80m,有机质成熟度高(R0大于2.0%),脆性矿物含量高.该井水平段共分9段加砂压裂,每层段加砂压裂后直接下桥塞封闭下段,然后逐层上返施工,最后一层段改造作业结束,单层进行返排测试,最后用连续油管钻掉井筒内所有桥塞进行多层合排测试.每层段改造加砂压裂液用量1150~1500m3,平均1320m3;加砂量一般100~180t,平均146t;各层位压裂改造施工泵注压力高达70MPa以上,最高达92.4MPa.后续控压钻塞数量多,时间长,需返排液量大,返排期间地层出砂量大,给地面测试带来巨大的挑战.最终运用高效的除砂、除屑装备和优化的地面安全返排测试工艺技术,圆满完成该井的返排测试作业,有效解决了该井大规模体积压裂后高回压条件下除砂、除屑,连续控压返排测试等系列技术难题,整个钻塞冲砂、连续返排以及测试作业期间下游设备均正常,管线、设备均未发生堵塞,无油嘴和管线被冲蚀导致作业中断情况,有效保证了返排测试作业的圆满完成,保障了流程设备和作业人员的安全(表1).5页岩气井地面安全返排测试技术自主研发配套了105MPa捕塞器、105MPa旋流除砂器等地面高压除砂、除屑专用设备,捕屑、除砂效率高达95%以上,可有效保