煤粉產(chǎn)出運移及防治規(guī)律研究進展

李小剛，宋峙潮，陳星宇

(1.西南石油大學 油氣藏地質(zhì)與開發(fā)國家重點實驗室，四川 成都 610500；2.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司 井下作業(yè)公司，四川 成都 610500)

煤層氣的開采與其他常規(guī)儲層不同，由于煤儲層的天然裂縫中充滿了地層流體，而以甲烷為主要成分的煤層氣則以吸附的狀態(tài)儲集在煤層中[1-3]。所以煤層氣的開采通常都需要經(jīng)歷排水、降壓、解吸、滲流這四個過程，而煤巖具有低彈性模量、高泊松比的特征，排水過程中產(chǎn)生的水動力及降壓解吸等導致的壓力變化，都會導致煤體結(jié)構(gòu)的坍塌破碎，形成大量煤粉在重力、水動力、范德華力、雙電子層斥力、波恩短程斥力等力的綜合作用下，在煤層中運移，形成氣液固三相流，增大滲流阻力或吸附在煤巖骨架表面，堵塞孔喉[4-6]。除了對地層中的滲流造成影響外，也會在井筒內(nèi)沉降堆積，阻礙氣體的舉升[7]。

前人從數(shù)學模型和實驗模擬兩個角度，研究了煤粉在煤層及井筒內(nèi)的運移規(guī)律。本文詳細介紹了煤粉產(chǎn)出機理及影響煤粉運移的因素，總結(jié)了煤粉運移的防治措施，指出了當前對煤粉運移規(guī)律研究的不足之處，對未來研究進行了展望。

1 煤粉產(chǎn)出機理分析

煤粉產(chǎn)出與煤質(zhì)特征、現(xiàn)場施工情況以及排采過程有著密不可分的關(guān)系，例如：糜棱煤等煤質(zhì)就是產(chǎn)生煤粉的主要來源，因為糜棱煤是因強烈形變和發(fā)生塑性流動形成的，本身就是構(gòu)造應(yīng)力作用破碎成細粒狀，并被重新壓緊的產(chǎn)物，在輕微水動力影響下或壓力變化下就會完全分解成煤粉[8]；現(xiàn)場施工情況對煤粉產(chǎn)出的影響程度，則要根據(jù)完井方式及是否進行過增產(chǎn)改造等判斷，例如射孔完井的煤層氣井產(chǎn)出煤粉的幾率就比裸眼完井大，因為射孔過程會對煤質(zhì)產(chǎn)生沖擊，并且會造成儲層應(yīng)力變化，誘導煤粉產(chǎn)出[9]；排采過程對煤粉產(chǎn)出的影響主要體現(xiàn)在氣水動力上，氣水動力強的排采階段，攜帶出的煤粉也多[10-12]。

1.1 煤質(zhì)特征與煤粉產(chǎn)出的關(guān)系

煤化學特征包括煤的水分、灰分、揮發(fā)分、固定碳和煤化程度等?；曳执碇簬r的無機組分，因為煤巖的無機組分主要由粘土礦物、氧化硅(石英)、碳酸鹽和硫酸鹽等組成，揮發(fā)分代表煤巖有機組分中的鏡質(zhì)組和殼質(zhì)組，固定碳代表著煤巖有機組分中的惰質(zhì)組[13]。這三種組分的硬度強弱順序依次為：鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組、殼質(zhì)組。其中鏡質(zhì)組含量越多，煤巖硬度越高，脆度越小，也就越易受到擠壓剪切后破碎形成煤粉[14]。除此之外，煤巖中的無機組分如黏土礦物等對煤巖骨架的吸附能力較弱，也容易脫落形成細質(zhì)煤粉[15]。

1.2 現(xiàn)場施工與煤粉產(chǎn)出的關(guān)系

對煤巖造成影響的施工過程主要有射孔施工和壓裂施工，相對于煤層氣這種非常規(guī)儲層，這兩個施工過程又是必不可少的。由于煤層具有低彈性模量、高泊松比的特征，所以一般煤層完井方式都是套管完井，為了溝通近井帶與井筒，需要對目的層位進行射孔作業(yè)[16]。射孔彈穿透套管與近井地帶，造成儲層應(yīng)力變化，擠壓剪切目的層煤巖產(chǎn)生煤粉，同時其內(nèi)所含化學物質(zhì)也會污染儲層，也會造成套管損害[17]。對于天然裂縫不發(fā)育的煤儲層來講，需要進行水力壓裂建立煤層氣井的滲流通道，增大甲烷滲流能力[18]。高速水流的沖擊會破壞煤體結(jié)構(gòu)，誘導煤粉的產(chǎn)出，同時返排過程則會攜帶煤粉在儲層孔喉中運移，或者堵塞滲流通道或者進入排采系統(tǒng)，如泵筒或井筒中，長期沉積會嚴重影響煤層氣產(chǎn)出，對水平井的影響更為巨大。

1.3 排采過程與煤粉產(chǎn)出的關(guān)系

煤層氣井的開采可以分為以下四個過程，首先是排水降壓階段，其次是不穩(wěn)定產(chǎn)氣階段，然后是穩(wěn)定產(chǎn)氣階段，最后為產(chǎn)氣遞減階段[19]。這幾個過程主要通過氣水綜合動力強度及壓力變化來影響煤粉產(chǎn)出程度及粒徑大小，例如：排水降壓階段，流體由地層向井筒內(nèi)流動，流體在滲流過程中對裂縫壁面產(chǎn)生一定的粘滯力，對煤巖進行剪切破壞，并在相對較強的水動力作用下，破碎的煤巖隨流體運移至井筒中。隨著日產(chǎn)氣量的增加，氣水動力強度逐漸提升，會使煤粉大量運移產(chǎn)出，同時使產(chǎn)出煤粉的粒徑也普遍增大。當達到穩(wěn)定產(chǎn)氣時期后，由于產(chǎn)水量日趨降低，致使煤粉產(chǎn)出量又一次降低，且煤粉運移逐漸趨于穩(wěn)定[20]。不穩(wěn)定產(chǎn)氣階段，產(chǎn)氣強度相對較小，在氣水兩相流動的情況下，煤層氣與煤層水在煤儲層滲流通道內(nèi)將會相互制約，降低了氣水綜合動力強度，使產(chǎn)出煤粉強度及煤粉粒度大小都大大降低[21]。表1總結(jié)描述了不同開采階段，煤粉產(chǎn)出程度及粒徑分布范圍[22]。

表1 煤粉產(chǎn)出程度及粒徑分布范圍

2 煤粉運移影響因素分析

對不同環(huán)境下的煤粉運移情況來講，影響煤粉運移的因素也不盡相同。前人針對不同區(qū)域(地層或井筒中)或同一區(qū)域但不同情況(地層支撐裂縫和地層割理裂縫中)下的煤粉運移規(guī)律進行了研究，研究手段包括室內(nèi)實驗和數(shù)值模擬。王東營等[23]進行了水平井筒內(nèi)水攜煤粉及氣水兩相攜煤粉的宏觀實驗，分析了氣液流量、煤粉粒徑、管徑大小等因素對煤粉運移的影響，得到了單相與兩相流情況下煤粉的運移機理，并建立了水平井筒中煤粉床高度的半理論模型。鄒雨時等[24]進行了煤粉顆粒侵入壓裂裂縫支撐劑充填層的模擬實驗，認為煤粉在支撐裂縫中的聚集附著，以及堵塞孔喉是損害支撐裂縫導流能力的主要因素；基于該項研究，2017年劉巖等[25]通過控制不同流速(模擬排采制度)、煤粉粒徑及煤粉質(zhì)量含量，模擬在支撐裂縫這些因素對煤粉運移的影響，在研究中發(fā)現(xiàn)，煤粉與支撐劑混合后，易沉降滯留在支撐裂縫底部，對導流能力造成極大的損害，并且煤粉質(zhì)量含量越大，這種損害程度就越深，使用較大流速時，又會導致煤粉對支撐劑窄口的堵塞作用大于疏通作用，進一步降低裂縫導流能力。由于煤層氣產(chǎn)出過程中需要經(jīng)歷氣水兩相流，所以陳文文等[26]指出了氣液比對煤粉運移的影響規(guī)律，實驗發(fā)現(xiàn)，氣體攜煤粉能力遠強于液體，所以氣液比越大，煤粉產(chǎn)出越高。劉寒月等[27]則根據(jù)Fluent中連續(xù)相湍流模型理論及離散相模型理論，建立了煤粉顆粒運移的連續(xù)性方程、動量方程及能量方程等湍流數(shù)學模型和煤粉顆粒離散相數(shù)學模型，基于這些模型，模擬計算了煤粉粒徑、煤粉質(zhì)量流率、流體粘度及流速對煤粉運移的影響。

2018年，蔣金龍等[28]使用顯微鏡和鋼化玻璃板，首次實現(xiàn)了微觀下煤粉運移規(guī)律的可視化研究。作者對驅(qū)替流量、煤粉粒徑、流體類型及煤粉來源等特征量在有無支撐劑的情況下進行刻畫與分析，使用極差分析的方法比較了這些因素對煤粉運移影響的強弱程度，發(fā)現(xiàn)驅(qū)替流量與煤粉粒徑是影響煤粉運移的主要因素，由此可見，在割理裂縫和支撐裂縫中水動力與煤粉自身重力對煤粉運移有顯著影響。針對單一因素進行分析，確定了各個影響因素對煤粉產(chǎn)出和運移速度的影響規(guī)律。

根據(jù)前人對煤粉運移影響因素的研究，本文作者發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段對運移規(guī)律的刻畫大部分止步于發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象，總結(jié)規(guī)律卻無法揭示其運移機理。即使有少量學者從微觀的角度，分析煤粉運移規(guī)律，也存在著許多問題。比如簡化了煤粉在裂縫中的運移環(huán)境，煤層壓裂使煤層縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)復雜，從單一裂縫推演整體縫網(wǎng)的運移規(guī)律顯然是有失妥當?shù)?；使用鋼夾進行夾持密封，也無法準確模擬煤層壓力環(huán)境，且每次實驗的壓力也會由于操作者的原因產(chǎn)生較大誤差?？紤]在以后的研究中，建立大型可視化多裂縫裝置，可以從宏觀整體以及微觀局部觀察煤粉在其中的運移規(guī)律；考慮增加穩(wěn)定的加環(huán)壓裝置，量化每次實驗夾持壓力，這樣既可以增加實驗準確性，也可以在不同夾持壓力下，分析煤層深度對煤粉運移的影響規(guī)律。

3 煤粉運移防治措施

對于煤粉運移的防治措施，需要總結(jié)前文中對煤粉產(chǎn)出因素及運移規(guī)律的研究，有針對性的提出相應(yīng)的方法。

3.1 減少煤粉的生成

①根據(jù)煤質(zhì)特征分析，煤層直井射孔時，應(yīng)盡量避開糜棱煤層；水平井鉆井時，應(yīng)盡量避開小微褶曲帶、斷層和底板附近構(gòu)造煤帶等[29]。②根據(jù)現(xiàn)場施工情況分析，應(yīng)盡量采用控壓措施，能有效降低儲層應(yīng)力變化，相對穩(wěn)定的儲層應(yīng)力使煤體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，不易垮塌破碎[30]。③根據(jù)排采制度分析，應(yīng)盡量控制生產(chǎn)壓差穩(wěn)定，減少流體對煤層的沖刷。實際生產(chǎn)過程中主要通過控制液面來控制壓差，進而控制流速，避免頻繁停泵及液面快速升降，保持流速恒定且緩慢，才能盡量減少煤粉的產(chǎn)出[31]。

3.2 防止煤粉進入裂縫

前期壓裂使用小粒徑支撐劑，后期尾追大粒徑支撐劑填充裂縫。在裂縫前端，較密的支撐劑鋪置可以有效防止煤粉進入裂縫，裂縫尾端，大粒徑支撐劑有效增大近井地帶滲透率。

3.3 進入后防止堵塞裂縫

在入井液流體中加入有分散煤粉作用的添加劑，能防止煤粉在裂縫中團聚沉降，堵塞窄口。使之易被流體攜帶運移，有效排出井筒[28]。

3.4 防止煤粉進入井筒

最常規(guī)的方法為下入篩管，這種方法簡單有效，但也需要優(yōu)化合理的篩管縫隙尺寸、篩管直徑及篩管長度，才能有效防止煤粉進入井筒[32]。

3.5 進入后防止堵塞井筒

煤粉進入水平井筒會形成煤粉床，進入垂直井筒會沉積在井筒底部，影響氣體流動，造成許多負面影響。針對煤粉進入井筒后，可以使用泡沫沖洗液循環(huán)洗井排粉，泡沫粘度高、攜煤粉能力強、對地層傷害小[33]。也可以考慮專門鉆一口直井用于排液，可以有效將煤粉攜帶至地面，這樣生產(chǎn)井可以只用于采氣[29]。

3.6 優(yōu)化排采裝置

在上述防治措施的基礎(chǔ)上，還可以從優(yōu)化裝置的角度入手，采用螺桿泵、射流泵、防砂泵、空心抽油桿等裝置。

4 結(jié)論

(1)分析煤粉生成機理后，可以得出：鏡質(zhì)組含量多的煤硬度大，脆度小，更易受到擠壓剪切后破碎形成煤粉。為了建立滲流通道，增大導流能力，不得不對煤層進行施工時，應(yīng)盡量減少應(yīng)力變化，降低流體對煤體結(jié)構(gòu)的沖擊，減少入井液傷害。煤層氣井生產(chǎn)制度應(yīng)遵循穩(wěn)定緩慢且持續(xù)的原則，才能減少煤粉的生成。

(2)分析煤粉運移規(guī)律后，發(fā)現(xiàn)從微觀角度探索煤粉運移機理的研究較少，且無法模擬帶地層壓力的多裂縫環(huán)境，考慮在今后的研究中可以建立大型可視化多裂縫裝置，從宏觀整體以及微觀局部觀察煤粉在其中的運移規(guī)律，并增加穩(wěn)定的加環(huán)壓裝置，量化每次實驗的夾持壓力。

(3)按照煤粉的生成、進入地層、在地層中運移、進入井筒、在井筒中運移的步驟思路，總結(jié)了各個步驟中現(xiàn)在廣泛應(yīng)用或處于構(gòu)想階段的煤粉運移防治措施，并從裝置的角度，總結(jié)了能夠有效防治煤粉堵塞的現(xiàn)有手段。