煤層氣排采過程中煤粉控制研究

王　飛

（中石油煤層氣有限責任公司忻州分公司，山西 忻州 036600）

煤層氣排采過程中煤粉控制研究

王飛

（中石油煤層氣有限責任公司忻州分公司，山西 忻州 036600）

本文對煤層氣儲層特性以及主控地質(zhì)因素進行了分析，總結(jié)出我國煤層氣具有低滲透率以及欠壓的特點。并結(jié)合煤層氣的產(chǎn)出機理，探討了煤層氣在排采過程中出現(xiàn)的多相流流態(tài)。確定出了應(yīng)力集中與煤粉產(chǎn)出之間的關(guān)系，并結(jié)合煤粉的產(chǎn)出類型詳細探討了后期煤粉的管控措施和煤層氣的連續(xù)生產(chǎn)。

煤層氣；煤粉；應(yīng)力集中；產(chǎn)出機理

1.煤層氣儲層特點及主控地質(zhì)因素

我國的煤炭資源總體上比較豐富，分布也比較集中，這也給煤層氣的產(chǎn)生和存儲創(chuàng)造了良好的條件。我國的煤層氣儲層主要特點是煤層地應(yīng)力分布不均勻、煤層的滲透率較低、煤儲層普遍欠壓。其中，煤層氣儲層可以根據(jù)煤層的滲透率高低分為5個等級。一級儲層的滲透率高于10.0×10-15m2，滲透性非常好；而五級儲層的滲透率已經(jīng)低于0.1×10-15m2，滲透性極差。我國煤層氣的儲層等級中，四、五等級的儲層比例占到了69%，造成了煤層氣“高資源、低產(chǎn)能”的現(xiàn)象。

2.煤層氣的產(chǎn)出機理

煤層氣的產(chǎn)出機理核心內(nèi)容是解決煤層氣從吸附態(tài)向游離態(tài)的轉(zhuǎn)變，煤層氣的排采是通過井筒排水，使得在整個儲層中形成具有壓力差的壓力漏斗。當井筒中的壓力低于臨界解吸壓力時，煤層氣就會從吸附態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)從而為大規(guī)模的產(chǎn)氣提供了先決條件。但是，當煤儲層的滲透率比較低時會大大限制壓降漏斗臨界解吸壓力等值線的擴撒范圍。同時，伴隨排水作業(yè)的進行以及煤層氣不斷地產(chǎn)出，煤儲層的孔隙率、滲透率和氣水飽和率也會隨之改變，進而出現(xiàn)氣和水混合的兩相流的流態(tài)，如圖1所示。

3.排水采氣對煤層氣井出煤粉的影響

結(jié)合煤層氣儲層的特點以及煤層氣的產(chǎn)出機理，對煤粉的產(chǎn)生以及運移進行探究。煤層可以是做一種特殊的有機巖體，對煤層氣的排水開采不可避免地會造成煤粉的產(chǎn)生。因此分別從煤層的滲透壓力性、應(yīng)力集中、煤粉產(chǎn)出類型以及如何管控煤粉的產(chǎn)出等方面進行了一系列探討。同時，管控好生產(chǎn)壓差和氣、水、煤粉三相流的流速，是保證煤層氣排采過程的持續(xù)和穩(wěn)定的基本要求。

3.1煤層滲透壓力敏感性

在未進行降壓排采時，煤層間的縫隙被水充滿，煤質(zhì)體在整個煤層封閉系統(tǒng)中，依托四周的滲透壓力和原始的地應(yīng)力能夠維持自身的穩(wěn)定構(gòu)架。由于面割理的延伸面并非一個完整平面，而是一種凹凸不平的三維曲面。兩平面之間存在著一系列接觸點，這類接觸點類起著支架作用。隨著降壓井的出現(xiàn)，煤層氣和承壓水被抽取出煤層，導(dǎo)致煤層中的自然裂隙突然閉合，滲透率降低，從而使得煤層支撐點上的壓力急劇增大。當支撐點所受到的應(yīng)力超過了其自身的強度極限時，煤層間的縫隙寬度慢慢減小，滲透率也隨之降低。煤與其他巖石的彈性模量指標見表1。

3.2應(yīng)力集中與煤粉產(chǎn)出的關(guān)系

由于煤層滲透率低會制約煤層氣的開發(fā)，而裸眼洞穴完井具備良好的連通性，能夠誘導(dǎo)煤層裂隙的張開，進而增強煤層的滲透率。因此，在實際的煤層氣生產(chǎn)活動中，裸眼洞穴完井倍廣泛采用。然而，根據(jù)彈性理論可知，在物體存在縫隙或者缺口時，會在改點形成應(yīng)力集中效應(yīng)。若應(yīng)力過大，超過了煤層的強度極限，則煤層就會破壞并隨之將應(yīng)力傳到周邊的煤層，如此反復(fù)循環(huán)，直至達到最終的受力平衡。而正是這種煤層的應(yīng)力集中破壞機制導(dǎo)致了部分煤粉的產(chǎn)生。

3.3煤層的煤粉產(chǎn)出類型

不同成因形成的煤粉其產(chǎn)出的方式也不同。其中比例最高的就是煤層中因結(jié)構(gòu)和成分的差異而產(chǎn)生的煤粉，堵塞煤層的縫隙，降低了煤層滲透率，而且在高壓水的作用下，部分煤層出現(xiàn)應(yīng)力集中，從而會加重煤粉的產(chǎn)生。此外，由于煤粉的粒徑小到微米級，大的到10mm以上等。細粒徑的煤粉會隨著井筒排出，而粒徑較粗的煤粉會往井底下沉，極易發(fā)生埋泵的風險。對于排采系統(tǒng)中的煤粉，大多以煤粉、氣和水混合的三相流形式，水和煤粉由排采泵排出，為避免卡泵，必須定期對泵工作狀態(tài)進行檢測。

3.4煤粉的管控措施

根據(jù)某煤田的實際開采的生產(chǎn)實踐，對煤粉的管控主要歸納為以下幾點：

（1）選擇具有足夠攜粉、出粉能力的排采設(shè)備，計算出保持設(shè)備安全工作的極限煤粉濃度極值。定期對排采設(shè)備運行狀態(tài)進行巡檢、對產(chǎn)出液煤粉濃度數(shù)據(jù)檢測，及時消除異常狀態(tài)，保證正常生產(chǎn)。

（2）排采過程中要緩慢排采，控制降液速度，排采過快煤儲層會產(chǎn)生速敏效應(yīng)，速敏效應(yīng)會加快井底流速，攜帶大量煤粉在井底很容易造成卡泵、修井等。

（3）確保排水降壓的連續(xù)性。主要是根據(jù)檢測的臨界解吸壓力值，設(shè)置排水降壓周期，保障設(shè)備的持續(xù)運轉(zhuǎn)。間斷排采很容易是煤粉在裂縫通道里沉淀，堵塞滲流通道。

（4）嚴格管控排采工作制度，以最小工作制度起抽，求取地層供液能力，緩慢降液面，根據(jù)地質(zhì)資料、鉆井參數(shù)以及臨井檢測數(shù)據(jù)預(yù)測排采井的臨界解吸壓力，接近臨界解析壓力時，調(diào)整工作制度控制井底壓力變化，產(chǎn)期初期和增產(chǎn)時控制套壓、井底壓力、產(chǎn)氣量的上下波動，防止井下煤粉產(chǎn)出起到很好的緩沖作用。

（5）生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)井下煤粉濃度上升，若較低排水量，很容易發(fā)生卡泵、堵塞泵吸液口。根據(jù)情況可以提高排水量，在地面采用高壓泵從油套環(huán)空給該井注水，同時增大泵的排量抽出煤粉，并且要保持液面一直處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表1　煤與巖石彈性模量對比表

4.排采設(shè)備

（1）排采設(shè)備的合理選型

排采設(shè)備的合理選型直接關(guān)系到煤層氣井的連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。排采設(shè)備在具備可靠性高、穩(wěn)定性好、持久耐用等特點的同時，還必須滿足從低排量到高排量范圍變化的要求以及可靠的防煤屑、煤粉措施。

（2）主要排采設(shè)備技術(shù)分析

①三軸有桿泵：主要是通過三角帶傳動，由驢頭帶動光桿和桿柱在上下方向作往復(fù)運動，在抽油桿作往復(fù)運動時，抽油泵完成排出和吸入工序。具備結(jié)構(gòu)簡單、操作便利、耐用等特點。選型時，應(yīng)根據(jù)最大產(chǎn)水量對泵徑、沖程及沖次進行初步設(shè)計。

②電潛泵：主要是通過動力電纜將電力輸送到井底電機，并驅(qū)動離心泵，將井液泵送至地面。缺點是成本較高，泵容易燒壞。故在選擇電潛泵時，依據(jù)煤層氣井的最大產(chǎn)水量選擇額定排量大??；并計算離心泵軸功率、電機額定功率、泵的揚程等。

③螺桿泵：主要是通過電控箱控制電動機起停，減速箱實現(xiàn)減速，并通過抽油桿將動力傳給井底螺桿泵轉(zhuǎn)子，將井液和氣舉升至地面。螺桿泵的選擇原則主要是：確定泵的排量以及揚程，分析計算桿柱應(yīng)力合理性，并根據(jù)抽油桿扭矩確定出地面電機額定功率。

④氣舉泵：主要是通過氣舉閥，往井中注入高壓煤層氣，利用氣體壓能將井液舉升至地面。特點是能夠輸送固體含量較高的液體，且初始產(chǎn)量適應(yīng)范圍廣。在選擇氣舉泵時，應(yīng)結(jié)合氣井產(chǎn)水量，確定出注氣量、壓力值及相關(guān)參數(shù)，布置氣舉閥和壓縮機，并進行敏感性分析及診斷。

結(jié)語

結(jié)合煤層氣儲層滲透率低和普遍欠壓等特點，深入研究了排水采氣過程中出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象以及煤層氣排采與煤粉產(chǎn)出之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，得出了煤粉主要產(chǎn)生在煤層的剪切破壞過程中，并與水混合，經(jīng)由排采泵流出。介于上述研究，得出了煤粉的管控措施必須遵循合理控制排液強度和工作制度的原則。最后探討了如何在控制煤粉產(chǎn)出率和工作壓差在合理的范圍前提下，保證生產(chǎn)的穩(wěn)定和持續(xù)。

［1］王慶偉，曹代勇，王佟.煤層氣裸眼洞穴完井造成的應(yīng)力集中帶與煤粉產(chǎn)出的關(guān)系［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2013（6）：35-37.

［3］陳文文，王生維，秦義，等.煤層氣井煤粉的運移與控制［J］.煤炭學報，2014（S2）：416-421.

［4］劉國偉，李夢溪，劉忠，等.煤層氣多分支水平井排采控制技術(shù)研究［J］.中國煤層氣，2014（1）：12-15.

［5］魏迎春，張傲翔，姚征，等.韓城區(qū)塊煤層氣排采中煤粉產(chǎn)出規(guī)律研究［J］.煤炭科學技術(shù)，2014（2）：85-89.

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