原玉東 王星錦 杜 明 王小明

(1．中國地質大學資源學院，湖北 430074;2．加拿大英發(fā)能源有限公司，北京 100062)

1 引言

煤巖基質破裂和結構完整性的破壞是煤粉的主要來源。與常規(guī)砂巖儲層相比，煤的彈性模量低、泊松比高，在相同的外界條件下，結構更易破壞而產生煤粉，因此在煤層氣儲層的排采過程中經常會遇到由于煤粉運移、卡泵而停采的情況，極大地影響了煤層氣井排采的效果。煤儲層原生結構越差，這種情況就越嚴重。

研究區(qū)塊內B1煤層氣井開始排采7個月后，因卡泵停采，提泵后發(fā)現(xiàn)泵內被煤粉堵死，為分析排采制度對煤粉運移的影響提供了典型實例。本文的目的就是利用B1井的排采數(shù)據(jù)分析排采過程中煤粉的產生和運移特征，探討排采制度對煤粉運移的影響因素及機制。

2 B1井生產排采情況分析

B1井目標煤層頂板深度683m，厚約7m，含氣量約23m3/t，經清水+2%KCl壓裂后于2011年4月3日開始使用螺桿泵排采，未下井下壓力計，每天定時使用液位儀測定動液面深度。

排采初期井筒滿液面，至4月9日液面降至215m，平均日降約36m，之后液面降低速度為8～27m/d不等，產水量為5m3/d左右，伴有少量游離氣產出;4月21日液面降至305m時開始解析，臨界解析壓力為3.05MPa，產氣量75m3/d，之后液面降低速度4～15m/d，平均7m/d，50天后產氣量達到峰值284m3/d后很快下降，至6月19日液面降至煤層頂板 (6月29日因設備故障停泵后液面有所恢復)，從滿井筒至液面降低至煤層頂板，平均液面降低速度為9.75m/d;之后產氣量穩(wěn)定在160m3/d左右至卡泵，產水量從最初的5.5m3/d逐漸下降至后來的0.6m3/d(圖1)。從整個排采過程來看，液面降低速度過快且不穩(wěn)定，產氣量低，且達到峰值后很快降低。

圖1 B1煤層氣井生產排采曲線

3 煤粉運移原因分析

3.1 儲層粘土礦物影響

研究區(qū)受區(qū)域構造影響，構造煤發(fā)育，煤體結構疏松，極易遭到破壞 (圖2);對目標煤層煤進行XRD分析表明，粘土礦物含量高達18.1%，其中主要成分為高嶺石，高達92%，由于其與煤巖基質顆粒附著力差，是典型的易運移粘土礦物。這些因素增加了煤粉產生和傷害煤儲層的可能性，而排采速度過快和不穩(wěn)定觸發(fā)了煤粉的運移而堵塞滲流通道，導致氣、水產量低，直至卡泵停產。

圖2 B1煤層氣井目標煤層煤芯照片

3.2 滲流速度

煤粉在煤巖孔隙系統(tǒng)和煤層流體中受到自身重力、煤粉之間和煤粉與孔隙壁間的范德華力、煤粉間雙電層排斥力以及流體流動時的水動力的綜合作用。在這個力學體系中，重力與范德華力維持煤粉在原處不動，雙電層排斥力和水動力促使煤粉發(fā)生運移。正反兩方面作用力的綜合結果決定了煤粉的運移能否發(fā)生。

在多孔介質中，細粒的攜帶和沉積存在一個臨界速度，當孔隙中流體速度低于臨界速度時，不發(fā)生細粒的運移;當超過臨界流速時，細粒由于受到流體擾動、平衡狀態(tài)被打破而開始運移，且運移速度隨流體速度線性增加。根據(jù)達西定理，地層流體向井筒徑向流動時的滲流速度與單位距離內的壓降成正比，井筒液面降低速度越快，井底流壓越低，造成單位距離內的壓降越大，滲流速度也越大，當滲流速度超過臨界速度后，煤粉運移速度隨排采速度的增大而線性增大;同時，滲流速度與離井筒的距離成反比，即越接近井筒，流體運移速度越快，從而攜帶更多的煤粉運移，最終導致煤粉在近井筒地帶的堆積和堵塞。

多孔介質中的流體在穩(wěn)定流速狀態(tài)下，其攜帶的細粒物質濃度相對穩(wěn)定，但當速度變化時，細粒濃度會出現(xiàn)劇增，即紊流使細粒受到的粘滯力增加，從而增加了對細粒的攜帶能力。這表明不穩(wěn)定的排采制度、液面降低速度時高時低，將加劇煤粉的運移。

在B1井的排采過程中，由于沒有安裝井底壓力計，對降液面的速度無法控制，導致排采速度快且不穩(wěn)定，降液面速度在4～36m/d之間變化，造成了煤粉的運移和對儲層的傷害。

3.3 孔隙變形和割理閉合

煤粉發(fā)生運移但若能從煤層排出至井筒，并不會導致滲透率的嚴重降低;若煤粉運移后被孔隙吼道或割理捕獲，將最終堵塞滲流通道。因此煤粉和孔隙直徑 (或割理寬度)的相對大小是這一過程的決定因素。若煤粉粒徑足夠小時不會發(fā)生堵塞;而當煤粉直徑大于基質孔喉直徑 (或割理寬度)，或多個小于孔喉直徑 (或割理寬度)的煤粉同時進入孔喉 (或割理)時，則會發(fā)生橋堵。

排采速度過快將會影響壓降漏斗向地層深部的有效傳播，只有井筒附近很小范圍內的煤層得到有效的排水降壓;李金海等等通過數(shù)值模擬認為在達到臨界解吸壓力之前液面下降速率以5～10m/d為最佳，以擴大壓降漏斗向儲層深部延伸。

由于B1井經過水力壓裂且排采速度過快，氣體解析之前液面降低速度達到8～30m/d，導致壓降漏斗擴散半徑有限，近井筒小范圍內煤層承受的有效應力急劇增加，一方面支撐劑的嵌入增加了煤粉的產生，另一方面由于應力敏感性，有效應力的增加使得孔隙結構變形和割理系統(tǒng)閉合，降低了孔喉直徑 (或割理寬度)對煤粉粒徑的有效比，造成了煤粉對滲流通道的堵塞;同時由于供氣面積有限，導致B1井達到峰值產量后產氣量迅速降低。

3.4 氣水兩相流

由于煤層氣解析后，氣水兩相流會降低水的有效滲透率，影響排水降壓的效果，因此在排水降壓階段，應控制降液面速度，盡可能在一段時間內使井底流壓保持在臨界解析壓力之上，從而相對延遲煤層氣的解析，維持水的有效滲透率，增加壓降漏斗的影響半徑，最終促進煤層氣的大面積解析。

B1井由于液面降低速度過快，不僅影響了壓降漏斗向深部地層的有效傳播，還導致煤層氣的過早解析，出現(xiàn)了氣水兩相流。一方面，煤層氣的解析會造成煤巖基質的收縮，收縮率可達0.5%，雖然這在一定程度上會增加裂隙的寬度和新裂隙的產生，但同時煤巖完整性的缺失會導致煤粉增加，有可能造成滲透率短暫上升后的再次降低;另一方面，流體從單向流轉變?yōu)殡p相流時，會造成煤粉運移所需的臨界速度降低，即兩相流使煤粉更加易于運移，增加了滲流通道堵塞的可能性，進而又影響了泄壓半徑的擴展?？梢?，兩相流的過早出現(xiàn)會使壓降漏斗限制在近井筒附近，制約煤層氣的大面積有效解析。

4 結論

研究區(qū)內B1煤層氣井的排采實踐表明，過快且不穩(wěn)定的排采制度導致了煤粉的運移和對滲流通道的堵塞，不利于煤層氣的大面積解析。

(1)疏松的煤體結構和高粘土礦物含量是煤粉產生的來源;

(2)井筒液面降低速度過快增加了煤層內單位距離上的壓差，使流體滲流速度超過煤粉運移的臨界速度;

(3)不穩(wěn)定的排采制度產生的紊流增加了對煤粉的粘滯力和攜帶能力;

(4)近井筒小范圍內煤層承受的有效應力急劇增加，致使孔隙結構變形和割理閉合，同時產生更多的煤粉，導致滲流通道被煤粉堵塞;

(5)氣水兩相流的過早出現(xiàn)增加了煤粉運移的可能性，并進一步限制泄壓面積的擴展。

［1］Palmer I.，Technologies H.，Zissis M，etal.Coal Failure and Consequences for Coalbed Methane Wells［J］.SPE96872，2005，1－11.

［2］陳振宏，王一兵，孫平.煤粉產出對高煤階煤層氣井產能的影響及其控制［J］.煤炭學報，2009，34(2):229－232.

［3］晏海武.煤層氣井管內環(huán)空中煤粉排出條件的研究［D］.東營:中國石油大學，2010.