王　飛

（中石油煤層氣有限責(zé)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(zé)任公司忻州分公司，山西 忻州 036600）

本文對(duì)煤層氣儲(chǔ)層特性以及主控地質(zhì)因素進(jìn)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(diǎn)。并結(jié)合煤層氣的產(chǎn)出機(jī)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(xì)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(jī)理

1.煤層氣儲(chǔ)層特點(diǎn)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(chǔ)創(chuàng)造了良好的條件。我國的煤層氣儲(chǔ)層主要特點(diǎn)是煤層地應(yīng)力分布不均勻、煤層的滲透率較低、煤儲(chǔ)層普遍欠壓。其中，煤層氣儲(chǔ)層可以根據(jù)煤層的滲透率高低分為5個(gè)等級(jí)。一級(jí)儲(chǔ)層的滲透率高于10.0×10-15m2，滲透性非常好；而五級(jí)儲(chǔ)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(chǔ)層等級(jí)中，四、五等級(jí)的儲(chǔ)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(jī)理

煤層氣的產(chǎn)出機(jī)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(gè)儲(chǔ)層中形成具有壓力差的壓力漏斗。當(dāng)井筒中的壓力低于臨界解吸壓力時(shí)，煤層氣就會(huì)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(dāng)煤儲(chǔ)層的滲透率比較低時(shí)會(huì)大大限制壓降漏斗臨界解吸壓力等值線的擴(kuò)撒范圍。同時(shí)，伴隨排水作業(yè)的進(jìn)行以及煤層氣不斷地產(chǎn)出，煤儲(chǔ)層的孔隙率、滲透率和氣水飽和率也會(huì)隨之改變，進(jìn)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(duì)煤層氣井出煤粉的影響

結(jié)合煤層氣儲(chǔ)層的特點(diǎn)以及煤層氣的產(chǎn)出機(jī)理，對(duì)煤粉的產(chǎn)生以及運(yùn)移進(jìn)行探究。煤層可以是做一種特殊的有機(jī)巖體，對(duì)煤層氣的排水開采不可避免地會(huì)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(jìn)行了一系列探討。同時(shí)，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(jìn)行降壓排采時(shí)，煤層間的縫隙被水充滿，煤質(zhì)體在整個(gè)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(gè)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(diǎn)，這類接觸點(diǎn)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(diǎn)上的壓力急劇增大。當(dāng)支撐點(diǎn)所受到的應(yīng)力超過了其自身的強(qiáng)度極限時(shí)，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(biāo)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(huì)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(jìn)而增強(qiáng)煤層的滲透率。因此，在實(shí)際的煤層氣生產(chǎn)活動(dòng)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(shí)，會(huì)在改點(diǎn)形成應(yīng)力集中效應(yīng)。若應(yīng)力過大，超過了煤層的強(qiáng)度極限，則煤層就會(huì)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(dá)到最終的受力平衡。而正是這種煤層的應(yīng)力集中破壞機(jī)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(huì)加重煤粉的產(chǎn)生。此外，由于煤粉的粒徑小到微米級(jí)，大的到10mm以上等。細(xì)粒徑的煤粉會(huì)隨著井筒排出，而粒徑較粗的煤粉會(huì)往井底下沉，極易發(fā)生埋泵的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)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(duì)泵工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。

3.4煤粉的管控措施

根據(jù)某煤田的實(shí)際開采的生產(chǎn)實(shí)踐，對(duì)煤粉的管控主要?dú)w納為以下幾點(diǎn)：

（1）選擇具有足夠攜粉、出粉能力的排采設(shè)備，計(jì)算出保持設(shè)備安全工作的極限煤粉濃度極值。定期對(duì)排采設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行巡檢、對(duì)產(chǎn)出液煤粉濃度數(shù)據(jù)檢測(cè)，及時(shí)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(chǔ)層會(huì)產(chǎn)生速敏效應(yīng)，速敏效應(yīng)會(huì)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(cè)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(yùn)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(yán)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(cè)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)排采井的臨界解吸壓力，接近臨界解析壓力時(shí)，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(shí)控制套壓、井底壓力、產(chǎn)氣量的上下波動(dòng)，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(shí)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(duì)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(diǎn)的同時(shí)，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(dòng)，由驢頭帶動(dòng)光桿和桿柱在上下方向作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在抽油桿作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，抽油泵完成排出和吸入工序。具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便利、耐用等特點(diǎn)。選型時(shí)，應(yīng)根據(jù)最大產(chǎn)水量對(duì)泵徑、沖程及沖次進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。

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

③螺桿泵：主要是通過電控箱控制電動(dòng)機(jī)起停，減速箱實(shí)現(xiàn)減速，并通過抽油桿將動(dòng)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(yáng)程，分析計(jì)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(jī)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(diǎn)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(shí)，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(jī)，并進(jìn)行敏感性分析及診斷。

結(jié)語

結(jié)合煤層氣儲(chǔ)層滲透率低和普遍欠壓等特點(diǎn)，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(qiáng)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)。

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