王旱祥 蘭文劍

（中國石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東省青島市，266555）

煤層氣井煤粉產(chǎn)生機(jī)理探討＊

王旱祥 蘭文劍

（中國石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東省青島市，266555）

煤層氣井在生產(chǎn)過程中經(jīng)常發(fā)生煤粉堵塞產(chǎn)氣通道、煤粉在井筒中淤積、煤粉卡泵等現(xiàn)象，滲透率的降低和頻繁的檢泵，嚴(yán)重影響了煤層氣的整體開采效益。根據(jù)巖石力學(xué)的巖層破壞理論和地層出砂理論探討了煤層氣排采過程中煤層的破壞機(jī)理，分析了裂隙中煤粉的種類、產(chǎn)生機(jī)理及排采各階段產(chǎn)出規(guī)律，并提出了一定的煤粉控制措施。

煤粉 剪切破壞 壓實破壞 滑移破壞

煤層氣井的排采是一個排水采氣、連續(xù)降壓的過程，在煤層氣排采的初期，主要是通過排水來達(dá)到降低儲層壓力的目的。由于煤質(zhì)具有較脆、膠結(jié)性差、易碎和易坍塌等特點，排采過程中的生產(chǎn)壓差和流體作用，對煤層產(chǎn)生激勵，造成煤層破壞產(chǎn)生煤粉。煤粉隨著流體流動在裂隙中運(yùn)移，容易沉降、堵塞煤層裂隙，降低滲透率，影響煤層整體降壓；煤粉進(jìn)入泵筒會對泵筒及柱塞造成磨損，影響泵效；煤粉在井筒中的淤積也會嚴(yán)重影響泵效甚至出現(xiàn)煤粉埋管柱、卡泵的問題。煤粉的產(chǎn)出會嚴(yán)重影響煤層氣的整體開發(fā)效益，因此研究煤層氣井煤粉產(chǎn)生機(jī)理對煤層氣開發(fā)具有重要意義。

本文根據(jù)巖石力學(xué)中巖層破壞理論和地層出砂的原理，分析了煤層氣排采過程中煤層的破壞機(jī)理，研究了裂隙中煤粉的種類、產(chǎn)生機(jī)理及排采各階段產(chǎn)出規(guī)律。

1 煤粉種類

煤層產(chǎn)出煤粉按來源可以分為充填自由煤粉（自由煤粉）、骨架顆粒煤粉（骨架煤粉）和孔眼塑性區(qū)煤粉（塑性煤粉）。

煤層自由煤粉是充填于煤層裂隙中處于游離狀態(tài)的煤粉，在裂隙中隨流體運(yùn)動而運(yùn)移；煤層自由煤粉主要有幾方面來源：煤層中無機(jī)礦物；受構(gòu)造應(yīng)力破碎而產(chǎn)生的煤粉。煤層中無機(jī)礦物是煤粉的重要來源，其中粘土礦物和黃鐵礦等都是重要組成部分。

煤層骨架煤粉是煤粉顆粒從煤巖裂隙表面脫落和裂隙不斷向前延伸過程中產(chǎn)生的。排采過程中的生產(chǎn)壓差引起煤層有效應(yīng)力增加，將導(dǎo)致煤巖基質(zhì)破裂，產(chǎn)生大量煤粉；在壓裂過程中，由于壓裂液的高壓高速突進(jìn)和支撐劑注入過程中對裂縫的沖擊，也會在裂縫表面產(chǎn)生煤粉。

煤層塑性煤粉的產(chǎn)出是由井底附近地帶的煤層結(jié)構(gòu)破壞所引起的。鉆具的研磨和完井射孔作業(yè)是井底附近煤層結(jié)構(gòu)破壞的主要原因。

總之，煤層產(chǎn)出煤粉是各種因素綜合影響的結(jié)果，這些因素可以歸結(jié)為兩方面：即地質(zhì)條件和排采條件，其中地質(zhì)條件包括煤巖性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)和斷層等，排采條件包括鉆具研磨、壓裂支撐劑打磨、固井質(zhì)量、射孔質(zhì)量、設(shè)計以及抽排制度、排采強(qiáng)度、停排后液面波動等。

2 煤粉產(chǎn)生機(jī)理

根據(jù)巖石力學(xué)和地層出砂理論，煤層氣井煤巖破壞機(jī)理有剪切破壞、壓實破壞和滑移破壞3種。

2.1 剪切破壞

剪切破壞是由生產(chǎn)壓差過大或者井筒壓力過低，射孔孔眼周圍或井壁附近煤巖受應(yīng)力過大所致。射孔作業(yè)常使煤巖發(fā)生不同程度的損壞，孔周圍水泥環(huán)也受到松動，從射孔孔眼向外依次為顆粒破碎區(qū)、煤巖重塑區(qū)、塑性受損區(qū)和較小受損區(qū)（彈性區(qū)），其受力機(jī)理和變形分布情況如圖1所示。

射孔孔眼周圍或井壁附近煤巖受到的剪應(yīng)力超過煤巖固有的抗剪切強(qiáng)度，造成煤層應(yīng)力平衡失穩(wěn)，形成剪切破壞。

2.2 壓實破壞

壓實破壞又稱拉伸破壞，其主要原因是排采速度過快，煤層中存在生產(chǎn)壓差的應(yīng)力場，流體流動產(chǎn)生的壓力脈沖降低煤層的剪切強(qiáng)度，煤粉遷移堵塞煤層孔隙介質(zhì)，進(jìn)一步降低煤層滲透率并增大壓力差，使壓應(yīng)力變?yōu)槔?，?dǎo)致煤巖產(chǎn)生拉伸剝離，其受力機(jī)理和壓實破壞情況如圖2所示，圖中σr為徑向應(yīng)力，σθ為環(huán)向應(yīng)力，Q為顆粒表面上的拖拽力。

圖2 煤層基質(zhì)空隙壁的受力和拉伸破壞機(jī)理情況

2.3 滑移破壞

滑移破壞的主要原因是煤裂隙中的流體速度過快，流體與煤層顆粒的摩擦增大，流體作用在煤層顆粒表面上的拖拽力Q大于顆粒的附著力，在孔眼表面逐漸產(chǎn)生煤粉脫落現(xiàn)象，它是一種特殊形式的拉伸破壞，其受力機(jī)理如圖3所示。

圖3 滑移破壞機(jī)理

實際煤層中，3種破壞可能同時發(fā)生，相互影響，煤巖體積和強(qiáng)度的變化是三者同時作用的結(jié)果，受剪切破壞的煤層對地層液的拖拽力更加敏感。

3 各階段煤粉的成因

在煤層氣開采中煤粉的產(chǎn)生不可避免，從鉆井、排采到關(guān)井或修井中都產(chǎn)生煤粉，而不同階段煤粉的成因是不同的。在鉆井過程中，鉆具與煤層研磨，由于機(jī)械破壞作用產(chǎn)生煤粉。這部分煤粉一般產(chǎn)生于近井筒附近，顆粒直徑變化較大，通常會隨著早期排水過程排出井筒。下面主要介紹排采、關(guān)井、修井階段中煤粉的形成。

3.1 排采階段

在排采前期，煤層氣井出煤粉主要是鉆井、固井和射孔完井引起的煤巖破壞，剪切破壞占主導(dǎo)地位。這期間煤層氣井產(chǎn)出的煤粉中，中、粗顆粒含量較大。

在排采中期，煤層氣井出煤粉主要是壓實破壞和滑移破壞，并且以細(xì)顆粒為主。隨著煤層氣井的排水降壓，流體由煤層滲流至井筒，在流體流經(jīng)煤層的過程中與煤層顆粒產(chǎn)生摩擦，流速越大，摩擦力越大，施加在煤巖顆粒表面的拖拽力越大，即煤巖顆粒前后的壓力梯度越大。在井筒周圍壓力梯度及流體的摩擦攜帶作用下，煤巖承受拉伸應(yīng)力。當(dāng)此力超過煤巖抗拉強(qiáng)度時，煤巖發(fā)生拉伸剝離破壞，如圖4所示。圖中P為孔隙壓力，dP為孔隙之間的壓差。排采強(qiáng)度越大，煤巖破壞程度越大，出煤粉量越多。所以穩(wěn)定的降壓，有利于保護(hù)煤儲層，減少出煤粉量。

圖4 煤巖破壞微觀模型示意圖

3.2 關(guān)井階段

當(dāng)煤層氣井生產(chǎn)滿足不了經(jīng)濟(jì)開采時，采用階段關(guān)井恢復(fù)產(chǎn)量。在關(guān)井初期一段時間內(nèi)仍有地層水流入井筒，壓縮井筒空間使得井底壓力逐漸增加，直至與地層壓力達(dá)到平衡。這時煤層完全浸泡在地層水中，并且會出現(xiàn)井筒積液倒灌現(xiàn)象。隨著煤的濕度的增加，煤巖吸水后引起黏土礦物水化膨脹和無機(jī)鹽溶解，裂縫間的膠結(jié)破壞，導(dǎo)致煤巖強(qiáng)度下將，當(dāng)有微小的壓力波動或再次開井生產(chǎn)排水降壓有壓差和流體流動時，煤巖就發(fā)生破壞，形成煤粉。

3.3 修井階段

在修井過程中，出于安全考慮，各井都會在起下管柱前，進(jìn)行放壓處理，即敞開井口，不控制套壓放氣，這就造成了井底流壓降低，生產(chǎn)壓差增大，壓實破壞嚴(yán)重，煤巖產(chǎn)生拉伸剝離；同時，放噴的瞬間地層液流速很大，對煤層骨架的拖拽力也很大，以至于大于煤層骨架的抗拉強(qiáng)度，使煤層遭到破壞，形成煤粉。

在修井的過程中由于起下井內(nèi)管柱，會有一定程度的壓力波動，這也會打破修井前井筒附近建立的平穩(wěn)狀態(tài)，使得本來已被地層水浸泡的強(qiáng)度降低的煤層在地層液流動的作用下更容易被破壞，產(chǎn)生煤粉。

綜上所述，無論在排采中還是在關(guān)井、修井中，煤巖的破壞可以歸結(jié)為由于地層水流動速度或者煤層壓力差過大，煤層骨架的拖拽力超過了煤巖的抗拉強(qiáng)度而導(dǎo)致煤巖的破壞，形成煤粉。

4 煤粉控制措施

（1）排采前：采用低壓鉆井工藝，使煤層處于受低壓的解放狀態(tài)，有效地降低壓差，減少鉆井液中有害物質(zhì)侵入煤層的機(jī)會；鉆井、壓裂射孔施工盡量避開較軟較脆的煤層；合理優(yōu)化壓裂設(shè)計，調(diào)整施工參數(shù)，選用圓度高的支撐劑，減少施工過程中壓裂支撐劑打磨引起的煤粉產(chǎn)生。

（2）排采中：盡量減少停抽次數(shù)和時間，從而減少煤粉在裂隙中沉積堵塞水和氣的運(yùn)移通道，降低滲透率；在泵的吸入口接防砂尾管，減少粗大顆粒的煤粉進(jìn)入泵中造成卡泵事故的發(fā)生；油套環(huán)空注水，稀釋煤粉濃度；根據(jù)排液量和煤粉濃度，選擇合理的泵型；采用連續(xù)、緩慢、穩(wěn)定排采的工作制度，減少排采對煤層破壞及煤粉在裂隙中的沉降。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)巖石力學(xué)中巖層破壞理論和地層出砂的原理，提出煤層氣井煤粉產(chǎn)生機(jī)理有：剪切破壞、壓實破壞和滑移破壞3種。

（2）排采前期，由于鉆井、固井、射孔等對煤巖造成很大破壞，要嚴(yán)格控制煤粉的產(chǎn)生。

（3）通過對煤層氣井各階段煤粉成因的研究可得，煤粉的產(chǎn)出與煤層壓力差或抽排速度有重要關(guān)系。要想控制排采過程中出煤粉量，減少煤粉對開采的破壞，必須對抽排速度或者動液面高度進(jìn)行合理優(yōu)化選擇。

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Discussion on formation mechanism of coal powder in coalbed methane well

Wang Hanxiang，Lan Wenjian
（College of Mechanical and Electronic Engineering，China University of Petroleum（Huadong），Qingdao，Shandong 266555，China）

During the production of coalbed methane（CBM）well，the following phenomena often occurs，such as coal powder blocking in the gas channels and depositing in well bore，and stuck pump.The decrease of permeability and the frequent pump inspection seriously influenced the whole mining benefit of CBM.According to the stratum damage theory of rock mechanics and the sand－formation mechanism，the variety of coal powders in fracture，their forming mechanism and the forming rule in the different stages of CBM discharge were analyzed.Some measures were put forward，providing a theoretical basis for the prediction and prevention of coal powder＇s formation，as well as the pump optimization.So the operating life of the pump could be improved and the cycle of pump inspection could be prolonged，ensuring continuous，stable and long－period CBM discharge，reducing the maintenance times and enhancing CBM recovery ratio and the economic benefits.

coal powder，shear failure，compaction failure，slip failure

TD712.63

A

國家科技重大專項項目（2011ZX05038）；山東省自然科學(xué)基金項目（2012ZRE28039）

王旱祥（1967－），男，浙江紹興人，博士，教授，主要研究方向為石油鉆采設(shè)備與工藝技術(shù)。

（責(zé)任編輯 梁子榮）