煤粉在支撐裂縫中的運移與沉積規(guī)律

劉 巖,張遂安,曹立虎,孟尚志,張?zhí)炝?/p>

(1.中國石油大學(北京)氣體能源開發(fā)與利用教育部工程研究中心,北京 102249;2.中聯(lián)煤層氣有限責任公司,北京 100011;3.大港油田石油工程研究院,天津 300280)

煤粉在支撐裂縫中的運移與沉積規(guī)律

劉 巖1,張遂安1,曹立虎1,孟尚志2,張?zhí)炝?

(1.中國石油大學(北京)氣體能源開發(fā)與利用教育部工程研究中心,北京 102249;2.中聯(lián)煤層氣有限責任公司,北京 100011;3.大港油田石油工程研究院,天津 300280)

針對煤儲層壓裂過程中易產(chǎn)生大量煤粉問題,應用LD-1A導流能力測試系統(tǒng)進行了支撐裂縫中不同流速、不同煤粉含量的流體流動物模實驗,分析了流體在變流速、恒流速和間斷流動下,煤粉在支撐劑充填層中的運移、沉積及產(chǎn)出規(guī)律。實驗表明:煤粉運移具有一定的臨界流速,不同條件下,臨界流速差別較大,在20～40目石英砂支撐裂縫中,過60目煤粉臨界流速可達5.20 cm/ min,而過140目煤粉臨界流速為2.01 cm/min;流體流速、支撐劑粒徑、煤粉粒徑、煤粉含量、排采制度等多重因素共同控制煤粉產(chǎn)出量;煤粉容易沉積在支撐裂縫中堵塞支撐劑構(gòu)建的孔隙,對支撐裂縫導流能力的傷害嚴重。壓裂后有效排出煤粉,可減小堵塞傷害;排采過程中控制流體流速,有利于減少煤粉運移及產(chǎn)出。

煤粉;支撐裂縫;運移;沉積;煤粉產(chǎn)出量

Key words:coal powder;proppant fracture;migration;deposition;coal powder output

煤是一種抗壓和抗拉強度較低的脆弱介質(zhì),彈性模量小,泊松比高,硬度低。在煤層氣井壓裂過程中,易產(chǎn)生大量煤粉[1-4]。煤粉進入支撐裂縫與支撐劑混合,壓裂施工后大量煤粉會滯留在支撐裂縫中,堵塞支撐劑間孔隙,傷害支撐裂縫的導流能力[5]。在煤層氣井排采過程中,少量煤粉會隨流體介質(zhì)的流動而運移,從而有煤粉的產(chǎn)出。煤粉產(chǎn)出易造成卡泵、埋泵、縮短檢泵周期,影響煤層氣井的正常生產(chǎn)[6-8]。沁水盆地南部及鄂爾多斯盆地東緣眾多煤層氣井排采實踐表明,在煤層氣井排采各階段均存在煤粉產(chǎn)出現(xiàn)象,且煤粉粒度隨排采生產(chǎn)的進行具有逐漸變小的規(guī)律[9-12]。許多學者研究了煤儲層裂縫及井筒中煤粉的運移沉積規(guī)律,但對壓裂支撐裂縫中煤粉的運移沉積和產(chǎn)出控制問題研究較少。筆者通過室內(nèi)實驗,模擬了不同工作制度下煤粉在支撐裂縫中的運移和沉積規(guī)律,研究了煤層氣井排采過程中的煤粉產(chǎn)出控制問題,對煤層氣井的高效生產(chǎn)具有重大指導意義。

1 實驗條件與方案

1.1 實驗設(shè)備

實驗設(shè)備為LD-1A導流能力測試儀。該儀器按API標準設(shè)計,可模擬地層條件下的支撐裂縫導流能力。實物如圖1所示,實驗核心部件導流室如圖2所示。流體由右端注入,左端流出,可收集從導流室排出的流體和煤粉。加壓裝置用來模擬地應力條件,采用計算機自動控制系統(tǒng)進行實驗[13-14]。

圖1 LD-1A導流能力測試系統(tǒng)Fig.1 LD-1A proppant conductivity testing system

1.2 實驗材料及條件

實驗材料包括石英砂、煤粉、蒸餾水、鋼板、燒杯、量筒、濾紙、烘箱、天平等。實驗溫度為25℃,閉合壓力為10 MPa,鋪砂濃度為7.5 kg/m2(定值),測試流體為蒸餾水。支撐劑選用了現(xiàn)場常用的20～40目和16～20目石英砂;根據(jù)支撐劑粒徑選取4種粒徑的煤粉,分別是粒徑小于0.250 mm(過60目)篩析的煤粉、粒徑小于0.183 mm(過80目)篩析的煤粉、粒徑小于0.150 mm(過100目)篩析的煤粉和粒徑小于0.106 mm(過140目)篩析的煤粉;實驗選用了2種煤粉,其含量分別為1%和3%(煤粉含量是煤粉占支撐劑和煤粉混合物的質(zhì)量百分比)。

圖2 導流室實物Fig.2 The physical photo of proppant conductivity ventricle

1.3 實驗方法

支撐劑和煤粉均勻混合,用鋼板模擬裂縫縫壁,支撐劑和煤粉混合后充填模擬裂縫,圖3為導流室鋪置支撐劑和煤粉混合物后的圖片。模擬煤層氣井水力壓裂后支撐裂縫流體及煤粉的流動。不同的支撐劑,在不同的煤粉粒徑、煤粉含量、注入流速條件下進行對比實驗,模擬和研究煤粉在支撐裂縫中的運移和沉積規(guī)律。

圖3 導流室鋪置支撐劑和煤粉混合物的照片(實驗前)Fig.3 The pavage of proppant and coal powder in proppant conductivity ventricle(pre-experiment)

首先,模擬不同流速和不同粒徑煤粉等條件下煤粉運動情況,確定煤粉在支撐劑中發(fā)生明顯運移時的臨界流速;注入流速由小到大,模擬現(xiàn)場煤層氣井排采速度逐漸增大的情況;以恒定的流速注入水,模擬現(xiàn)場煤層氣井排采速度不變的情況;以一定的流速注入一段時間水后,停泵一段時間,再以同樣的流速注入水,模擬現(xiàn)場不連續(xù)排采的情況。實驗過程中測量壓差、縫寬,實驗后收集排出的水和煤粉,過濾,烘干,稱量產(chǎn)出的煤粉量。

2 運移規(guī)律實驗結(jié)果及分析

2.1 臨界流速

實驗過程中,流體流速由小到大逐漸變化,測量了每個流速下的縫寬、壓差、煤粉產(chǎn)出量。實驗發(fā)現(xiàn)流速增大到一定量時,較多的煤粉堵塞了支撐劑窄口,壓差突然增大,煤粉產(chǎn)出量增多較大,此時說明煤粉發(fā)生了明顯的運移,此流速被確定為該條件下的臨界流速。臨界流速反映了一定量的煤粉發(fā)生明顯運移時的最小流速。實驗確定的臨界流速見表1。

表1 不同情況下的臨界流速Table 1 The critical velocity under different conditions

由表1可知,支撐劑粒徑越大,如本實驗用的16～20目石英砂,煤粉在支撐劑中越容易運移,臨界流速很小。當支撐劑粒徑較小,如本實驗用的20～40目石英砂,煤粉粒徑越大,煤粉運移的臨界流速越大;煤粉含量越大,煤粉運移的臨界流速越小。

2.2 流速與煤粉產(chǎn)出量的關(guān)系

2.2.1 變流速下流速與累計出煤粉量的關(guān)系

變流速實驗支撐劑選用的是20～40目石英砂,煤粉質(zhì)量分數(shù)為3%,注入到支撐裂縫中的流體流速由小增大,每個流速下注入30 mL水,收集并計量出煤粉量,稱重。此實驗試圖模擬變排量條件下的煤層氣井排采過程中煤粉的產(chǎn)出情況,結(jié)果如圖4所示。

圖4 變流速與累計出煤粉量的關(guān)系Fig.4 The relationship of total coal powder output and changing flow velocity

由圖4可以看出,隨著流速的增大,流體的攜帶能力逐漸增強,煤粉被大量帶出,出口端累計出煤粉量逐漸增多。但煤粉粒徑不同,產(chǎn)出煤粉量差異較大,產(chǎn)出煤粉量的增幅差異也較大。同時,實驗過程中產(chǎn)出煤粉的粒徑有逐漸減小的趨勢,支撐劑中煤粉粒徑越大,產(chǎn)出煤粉量越少,產(chǎn)出煤粉量的增幅越小。這是由于有較大粒徑煤粉存在時,大粒徑煤粉對支撐劑孔隙堵塞嚴重,流體攜帶煤粉運移困難,煤粉大量滯留在支撐裂縫中,產(chǎn)出煤粉量較少。

2.2.2 恒流速下流速與累計出煤粉量的關(guān)系

恒定流速實驗支撐劑選用20～40目石英砂,實驗以一恒定流速向支撐裂縫中注水,共注入200 mL水,收集出口煤粉量,并稱重,圖5表示各流速下,恒流速與出煤粉量的關(guān)系。本實驗試圖通過恒定流速實驗模擬連續(xù)、穩(wěn)定、工作制度不變條件下的煤層氣井排采過程中煤粉的產(chǎn)出情況。

圖5 恒流速與出煤粉量的關(guān)系Fig.5 The relationship of constant flow velocity and total coal powder output

由圖5可以看出,不同流速下出煤粉量呈有規(guī)律的變化,這與煤粉在支撐劑中的運移和堵塞有關(guān)。液體流速較小(實驗流速在1 cm/min左右)時,只有粒徑非常微小的煤粉可發(fā)生運移,并且在支撐劑中難以堵塞孔隙,微小粒徑煤粉被液體攜帶出支撐裂縫,從而形成該階段該流速情況下產(chǎn)出較多的微小粒徑煤粉。當液體流速適中(實驗流速在2 cm/min左右)時,達到明顯運移的臨界流速,微小粒徑煤粉和較大粒徑煤粉發(fā)生運移,較大粒徑煤粉堵塞孔隙,從而阻礙煤粉的運移,微小粒徑煤粉和較大粒徑煤粉都難以被攜帶出支撐劑,煤粉產(chǎn)出量較少。流速較大時,有部分處于堵塞狀態(tài)的煤粉被大流速的流體沖刷而發(fā)生運移,產(chǎn)出煤粉量增大。由此可見,實際生產(chǎn)過程中,可以通過合理控制排采速度來控制煤粉產(chǎn)出量。2.2.3 間斷流下流速與累計出煤粉量的關(guān)系

間斷流動實驗支撐劑選用20～40目石英砂,采用過140目煤粉,煤粉質(zhì)量分數(shù)為3%。首先以恒定流速注水50 mL,停泵20 min,再以同樣的流速注水50 mL,再停泵20 min,再以同樣的流速注入100 mL后,收集各流速下累計出煤粉量并稱重,結(jié)果如圖6所示。本實驗試圖模擬煤層氣井排采過程中間歇排采對煤粉產(chǎn)出的影響。

圖6 間斷流速下累計出煤粉量與流速的關(guān)系Fig.6 The relationship of total coal powder output and flow velocity under discontinuous flow

從圖6可看出,液體流速較小時,出煤粉量較多;流速中等(本實驗流速在2 cm/min左右)時,出煤粉量最少;流速較大時,出煤粉量較多。此實驗結(jié)果與恒流速實驗相比,間斷注水過程產(chǎn)出煤粉量比連續(xù)注水過程產(chǎn)出的煤粉量小。這是因為連續(xù)注水,小粒徑煤粉隨水運移,被帶出支撐裂縫。間斷注水過程中,注水一段時間,煤粉處于懸浮運移狀態(tài),停泵時,液體不流動,煤粉在支撐劑中沉積。再排水時,只有少部分的煤粉被水攜帶而運移,此過程產(chǎn)出的煤粉量較少。實際生產(chǎn)過程中,頻繁的停泵,存在再啟動臨界流速問題,停止生產(chǎn)會使煤粉沉積在支撐裂縫孔隙中,若煤粉沉積較多,則會嚴重堵塞孔隙。

3 煤粉沉積特征實驗結(jié)果與分析

煤層氣井排采過程中,煤粉會隨水、氣在支撐裂縫中運移,當煤粉遇到阻力,或流體的流速和壓差不足以使煤粉懸浮時,煤粉會在支撐裂縫中逐漸沉積,堵塞支撐裂縫的孔隙,使支撐裂縫導流能力降低,影響產(chǎn)能。本實驗研究了煤粉在不同流速、不同工作制度下,支撐裂縫中煤粉的沉積特征。

3.1 連續(xù)注水煤粉在支撐裂縫中的沉積特征

支撐劑為20～40目石英砂,過80目煤粉,煤粉質(zhì)量分數(shù)為1%,實驗后支撐劑和煤粉狀態(tài)如圖7所示。左側(cè)是水的入口端,右端是出口端,入口端煤粉量很少,出口端的煤粉較多,支撐劑充填層表面煤粉較少,底部有大量煤粉,沿運移方向上沉積的煤粉逐漸增多,本實驗結(jié)果與文獻[15]所述情況相同,這是由于注入水攜帶煤粉從左向右端發(fā)生運移,運移過程中有部分煤粉會沉積在支撐劑底部。實驗表明,實際煤層氣井生產(chǎn)中,會產(chǎn)生大量煤粉,并且煤粉也可能會沉積在支撐劑底部。

圖7 變流速實驗后支撐劑和煤粉狀態(tài)Fig.7 The state of proppant and coal powder after changing flow velocity experiment

3.2 間斷注水煤粉在支撐裂縫中的沉積特征

支撐劑為16～20目石英砂,過140目煤粉,煤粉質(zhì)量分數(shù)為3%,實驗后煤粉沉積特征如圖8所示。圖8(a)是以2.5 cm/min的恒定流速連續(xù)注水后的實驗圖;圖8(b)是以2.5 cm/min的恒定流速注水50 mL,停泵20 min,再以2.5 cm/min的恒定流速注水50 mL,停泵20 min,再以2.5 cm/min的恒定流速注水100 mL后的實驗圖。

圖8 煤粉沉積特征比較Fig.8 The comparison of coal powder deposition characteristic

水流由左端向右端流動,圖8(a)中左端煤粉量較少,右端煤粉量較多,這是由于液體連續(xù)流動攜帶煤粉運移,煤粉從左端向右端連續(xù)移動,從左端向右端煤粉量持續(xù)增多;圖8(b)左端和右端煤粉量相差不大,這是由于液體流動一段時間后,再停泵時,液體停止流動,煤粉也停止運移,此時煤粉開始向支撐劑底部沉積,當液體再流動時,沉積的煤粉難以再被水攜帶,大量煤粉沉積在支撐劑底部,堵塞了孔隙,影響了流體再流動,損害了裂縫導流能力。煤層氣實際開發(fā)過程中,應當盡量避免頻繁停泵的發(fā)生。

4 結(jié) 論

(1)煤粉在支撐劑中明顯運移時,存在臨界流速。支撐劑粒徑越大(如16～20目)時,臨界流速很小。支撐劑粒徑越小(如20～40目)時,臨界流速較大。支撐劑為20～40目石英砂,煤粉質(zhì)量分數(shù)1%時,不同粒徑煤粉臨界流速為2.6～5.2 cm/min;煤粉質(zhì)量分數(shù)3%時,不同粒徑煤粉臨界流速為1.7～3.3 cm/min。

(2)煤粉進入支撐裂縫后,較難從支撐劑中隨水排出,容易堵塞支撐劑孔隙。排采制度、支撐劑粒徑、煤粉粒徑、支撐裂縫中煤粉含量等多重因素綜合控制煤粉的運移、沉積和產(chǎn)出。

(3)流體在支撐裂縫中流動時,較多的煤粉會沉積在支撐裂縫底部,順著流體流動方向,沉積的煤粉量逐漸增多,這是煤粉運移和沉積共同作用的結(jié)果,反復停泵,近出口處支撐劑中沉積的煤粉會增多,對支撐裂縫的導流能力的傷害嚴重。

(4)實際生產(chǎn)時,壓裂后應盡快連續(xù)、緩慢排出支撐裂縫中的煤粉,避免反復停泵,減少煤粉沉積。在產(chǎn)水量較少的煤層氣井排采過程中,也可適當控制流速,使流速小于臨界流速,減少煤儲層中的煤粉運移進入支撐裂縫,控制煤粉的運移和產(chǎn)出。

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Rules of coal powder m igration and deposition in the proppant fracture

LIU Yan1,ZHANG Sui-an1,CAO Li-hu1,MENG Shang-zhi2,ZHANG Tian-lin3

(1.Engineering Research Center of the Ministry of Education for Gas Energy Development&Utilization,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China;2.China United Coalbed Methane Corporation Ltd.,Beijing 100011,China;3.Oil Engineering Research Institute ofDagang Oilfield,Tianjin 300280,China)

In order to deal with the problem that coal reservoir produces large amounts of coal powder easily in the process of fracturing,the physical simulation experiments about fluid flow of different velocity and different content of coal powder in the proppant fracturewith LD-1A proppant conductivity testing system were conducted.Under the state of changing flow velocity,constant flow velocity and discontinuous flow,the rules of coal powdermigration,deposition and production were analyzed.Experiment results show that coal powdermigration has a certain critical velocity.The critical velocities differ greatly under differentconditions.In the 20-40mesh quartz sand proppant fracture,the critical velocity of less than 60 mesh coal powder is up to 5.20 cm/min,but less than 140 mesh coal powder’s critical velocity is 2.01 cm/min;the weight of coal powder output is controlled by the combined effect of fluid velocity,proppant particle size,coal powder size,dust content,production system and so on;coal powder plug the proppant pore and damage the fracture conductivity seriously because it deposits in the proppant fracture easily.Backflow coal powder effectively after fracturing is beneficial for reducing the damage of plugging,and controlling the fluid flow velocity is good for reducing coal powdermigration and output in the process of production.

P618.11

A

0253-9993(2014)07-1333-05

劉 巖,張遂安,曹立虎,等.煤粉在支撐裂縫中的運移與沉積規(guī)律[J].煤炭學報,2014,39(7):1333-1337.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1074

Liu Yan,Zhang Suian,Cao Lihu,et al.Rules of coal powdermigration and deposition in the proppant fracture[J].Journal of China Coal Society,2014,39(7):1333-1337.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1074

2013-07-30 責任編輯:韓晉平

國家科技重大專項資助項目(2011ZX05061,2011ZX05062)

劉 巖(1987—),男,湖北孝感人,碩士研究生。E-mail:liu_yan11@126.com。通迅作者:張遂安(1957—),男,山東菏澤人,教授,碩士生導師。E-mail:sazhang@263.net