黃坤

摘 ?要：煤層氣生產(chǎn)過(guò)程中，煤粉能夠通過(guò)井筒適量、高效排出對(duì)制定合理的排采制度，提高和穩(wěn)定煤層氣產(chǎn)量具有重要意義。因此，充分認(rèn)識(shí)煤粉在井筒內(nèi)的運(yùn)移規(guī)律尤為必要。關(guān)于煤粉顆粒在垂直井筒中運(yùn)移規(guī)律的研究很少。為此，借鑒垂直井筒攜砂規(guī)律的研究方法，開(kāi)展了煤粉顆粒運(yùn)移規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)建立煤粉顆粒在垂直井筒中靜態(tài)沉降和動(dòng)態(tài)運(yùn)移的數(shù)學(xué)模型，得到了煤層氣井煤粉顆粒的表觀機(jī)械運(yùn)移規(guī)律。

關(guān)鍵詞：煤層氣井井筒;煤粉顆粒;運(yùn)移規(guī)律

煤層氣是一種重要的非常規(guī)資源，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值并且由于其清潔能源的屬性，煤層氣的開(kāi)發(fā)越來(lái)越受到重視。我國(guó)煤層氣資源分布廣泛、儲(chǔ)量豐富，大力開(kāi)發(fā)煤層氣，對(duì)于緩解我國(guó)能源緊張的局勢(shì)具有重要的作用。在制定煤層氣排采制度時(shí)，如果排采速度過(guò)高，煤儲(chǔ)層會(huì)因速敏效應(yīng)產(chǎn)生大量煤粉，如果煤粉不能夠及時(shí)排采出，滯留在儲(chǔ)層、水平井筒和垂直井筒底部就會(huì)造成事故的產(chǎn)生。而排采速度在考慮生產(chǎn)效率的前提下，又不能過(guò)低。因此，結(jié)合儲(chǔ)層煤的性質(zhì)、產(chǎn)出煤粉的情況以及井筒氣水?dāng)y煤粉能力制定出合理的煤層氣排采制度在煤層氣開(kāi)發(fā)中具有至關(guān)重要的作用。

一、水平井筒煤粉運(yùn)移機(jī)理

在煤層氣排采過(guò)程中，煤粉產(chǎn)出是不可避免的問(wèn)題。隨著水平井技術(shù)越來(lái)越多的應(yīng)用于煤層氣開(kāi)采，對(duì)煤粉在水平井中的運(yùn)移規(guī)律的認(rèn)識(shí)變得愈加重要。煤粉在水平井筒內(nèi)沉積，一方面會(huì)引起井筒壓降的增加，影響產(chǎn)量，嚴(yán)重的還會(huì)堵塞井筒;另一方面，煤粉沉積會(huì)加劇套管的腐蝕并且會(huì)損壞井下部件，最重要的是不能對(duì)煤粉的運(yùn)移規(guī)律有清晰認(rèn)識(shí)的話，煤粉的突然產(chǎn)出會(huì)造成煤粉在垂直井筒底部大量沉積，產(chǎn)生埋泵和卡泵的事故。煤粉在水平井筒內(nèi)的運(yùn)移屬于液固兩相流，其運(yùn)移機(jī)理和動(dòng)力學(xué)特性較為復(fù)雜：煤粉與液相、煤粉與氣相、煤粉與煤粉之間、煤粉與固壁以及氣相與液相的復(fù)雜相互作用難以用理論進(jìn)行清晰準(zhǔn)確的分析，同時(shí)氣相與液相相內(nèi)也存在復(fù)雜的流動(dòng)。

1、煤粉顆粒的運(yùn)動(dòng)形式。煤粉顆粒的運(yùn)動(dòng)形式可以分為接觸質(zhì)、躍移質(zhì)、層移質(zhì)和懸移質(zhì)。在接觸質(zhì)、躍移質(zhì)和層移質(zhì)三種情況下，顆粒依舊與床層連續(xù)或短時(shí)間斷性接觸，故而三者又統(tǒng)稱(chēng)為推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)，在實(shí)際氣液固三相流動(dòng)中運(yùn)動(dòng)形式可以同時(shí)存在。

2、水平井筒煤粉運(yùn)移流型。根據(jù)固體顆粒在圓管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和管內(nèi)的固液配置形式可以將固液兩相流流型分為：分層流流型和分散流流型。當(dāng)液體流速比較低時(shí)，顆粒床層表面顆粒以接觸質(zhì)和躍移質(zhì)方式向前運(yùn)移，表層以下的顆粒床保持靜止，最上層是純液體層;隨著液體流速增加，最上層的純液體層中就會(huì)出現(xiàn)以懸移質(zhì)形式運(yùn)移的顆粒，此時(shí)最上層變?yōu)榉稚⒘鲃?dòng)。因?yàn)樵诖怪狈较蛏瞎軆?nèi)共出現(xiàn)三種不同的固液配置形式，因此均稱(chēng)為三層分層流動(dòng)。液體流速繼續(xù)增加，原先固定床層內(nèi)的各顆粒也開(kāi)始以不同的運(yùn)動(dòng)形式參與運(yùn)移，固定床層消失，此時(shí)圓管內(nèi)只存在移動(dòng)床層和分散流動(dòng)層，故而叫做兩層分層流動(dòng)。當(dāng)液體流速持續(xù)增加，原先移動(dòng)床層中的固相顆粒會(huì)受到較強(qiáng)的紊動(dòng)擴(kuò)散作用，顆粒開(kāi)始連續(xù)脫離床層直到移動(dòng)床層消失，只剩下分散流動(dòng)，此時(shí)即為分散流流型。

二、煤粉顆粒的表觀機(jī)械運(yùn)移規(guī)律

1、球形顆粒的自由沉降末速。研究表明[1]，當(dāng)流體中的顆粒粒徑大于 2 ～ 3 μm 時(shí)，將不會(huì)產(chǎn)生布朗運(yùn)動(dòng)，此時(shí)流體可視為連續(xù)介質(zhì)。假設(shè)有一密度為 ρs、粒徑為 ds 的球形顆粒在密度為 ρl、黏度為 μ 的流體中作自由沉降運(yùn)動(dòng)，當(dāng)球形顆粒僅受重力作用時(shí)，引起球形顆粒沉降的作用力為：

結(jié)合球形顆粒的實(shí)際沉降過(guò)程，可以簡(jiǎn)化為其在經(jīng)過(guò)短暫的加速運(yùn)動(dòng)后，做持續(xù)的勻速運(yùn)動(dòng)，此球形顆粒的沉降速度亦稱(chēng)為自由沉降末速，即可得到自由沉降末速的計(jì)算公式為：

2、煤粉顆粒的沉降末速計(jì)算。結(jié)合煤粉顆粒靜態(tài)沉降實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出不同目數(shù)煤粉顆粒相應(yīng)的雷諾數(shù)，雷諾數(shù)的計(jì)算結(jié)果表明： 對(duì)于20～ 100目的煤粉顆粒，其靜態(tài)沉降末速的計(jì)算應(yīng)服從 Allen 定律; 而對(duì)于 100 目以上的煤粉顆粒，其靜態(tài)沉降末速的計(jì)算應(yīng)服從 Stokes 定律。不同目數(shù)的煤粉顆粒在流體中的運(yùn)動(dòng)屬于不同的沉降區(qū)，不能應(yīng)用統(tǒng)一的公式進(jìn)行處理。根據(jù)煤粉顆粒的雷諾數(shù)，結(jié)合煤粉顆粒和實(shí)驗(yàn)流體的物性參數(shù)，分別選用相應(yīng)的自由沉降末速理論計(jì)算公式，可以計(jì)算得到不同目數(shù)煤粉顆粒的理論自由沉降末速，繼而繪制出不同目數(shù)煤粉顆粒實(shí)際沉降末速與理論自由沉降末速間的關(guān)系，結(jié)合不同沉降區(qū)的球形顆粒自由沉降末速理論計(jì)算公式，可以得到任意目數(shù)煤粉顆粒在靜置流體中的實(shí)際沉降末速，為研究煤粉顆粒動(dòng)態(tài)運(yùn)移規(guī)律提供基礎(chǔ)。

3、煤粉顆粒動(dòng)態(tài)運(yùn)移規(guī)律。根據(jù)煤粉顆粒的動(dòng)態(tài)運(yùn)移實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合煤層氣開(kāi)發(fā)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，以排采現(xiàn)場(chǎng)主要應(yīng)用的 英寸的油管為例計(jì)算煤層氣井的最小日排水量數(shù)據(jù)。見(jiàn)表。

在煤層氣井的排液降壓階段，為了保證 20目以上的所有目數(shù)煤粉顆粒均隨流體產(chǎn)出，煤層氣井的日排水量應(yīng)該在 18. 2 m3 /d 以上。進(jìn)一步分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得到煤粉顆粒的目數(shù)和流體最小攜帶速度與煤粉實(shí)際沉降末速比值間的關(guān)系，結(jié)合煤粉顆粒的沉降末速計(jì)算公式和煤層氣井的排采油管尺寸等參數(shù)，可以得到攜帶出不同目數(shù)煤粉顆粒所需最小日排水量，這對(duì)于煤層氣井的排采方案設(shè)計(jì)具有很好的指導(dǎo)作用。

結(jié)論

（ 1） 同一目數(shù)的煤粉顆粒，在靜置的流體中會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象，分層現(xiàn)象的嚴(yán)重程度與煤粉顆粒的目數(shù)有關(guān)，表明煤粉顆粒的物理特性存在著差異。

（ 2） 根據(jù)煤粉顆粒的目數(shù)范圍，應(yīng)用上述成果可優(yōu)化煤層氣井的排采方案。對(duì)于產(chǎn)水量較大的井，流體攜帶煤粉顆粒的能力很強(qiáng)，無(wú)需考慮井筒內(nèi)煤粉顆粒的沉積問(wèn)題; 而對(duì)于產(chǎn)水量較小的井，流體攜帶煤粉顆粒的能力與煤粉顆粒的粒徑、井筒內(nèi)流體流速間的關(guān)系特別敏感，需要重點(diǎn)考慮煤粉顆粒沉積的問(wèn)題，這對(duì)于煤層氣井的高效開(kāi)發(fā)具有很好的指導(dǎo)作用。

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