張 健 朱蘇陽 彭小龍 鄧 鵬

(1. 中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028； 2. 西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)與開發(fā)工程國家重點實驗室 四川成都 610500)

煤層氣是一種主要以吸附態(tài)賦存于煤基質(zhì)中的非常規(guī)天然氣[1-4]。通常情況下，煤層割理中被地層水飽和，煤層氣的賦存處于欠飽和狀態(tài)[5-7]。由于特殊的賦存機理，煤層氣的開發(fā)需要通過排水降低煤層中流體的壓力，使得基質(zhì)中的煤層氣解吸，匯聚在割理流動后，氣井才能產(chǎn)氣[8-10]。因此，煤層氣排采過程中的產(chǎn)水量通常在生產(chǎn)初期維持一定強度，當(dāng)煤層解吸產(chǎn)氣后，產(chǎn)水量開始遞減。中國煤層氣開發(fā)的主要目標(biāo)為中-高階煤層，由于熱演化程度較高，中-高階煤的脆性較強，在鉆井、完井、壓裂以及排采過程中容易產(chǎn)生煤粉[11-13]。排采過程中，流入井筒的煤粉極易造成埋泵、卡泵等生產(chǎn)事故[14-16]。同時，由于煤層氣特殊的產(chǎn)水規(guī)律，當(dāng)產(chǎn)水開始遞減時，煤層中的水流速降低，煤粉也極易沉降在裂縫系統(tǒng)中形成堵塞，降低儲層的滲透率。

近年來，煤粉運移對儲層物性以及煤層氣排采的影響已經(jīng)引起了較大關(guān)注[17-20]。國內(nèi)外學(xué)者對煤粉的形成機理、運移規(guī)律以及產(chǎn)出情況均進(jìn)行了大量研究，形成了2種不同的觀點。一種觀點認(rèn)為應(yīng)該通過控壓排采，防止煤粉運移；另一種觀點則認(rèn)為應(yīng)該采取適度排粉策略，對煤層進(jìn)行疏通。然而，對煤粉流動的研究，仍然以井口取樣、統(tǒng)計反演和定性描述為主，可定量計算煤粉運移和產(chǎn)出規(guī)律的研究較少。為了定量描述煤粉的運移規(guī)律，筆者曾對單相水流階段的煤粉啟動進(jìn)行了定量研究[21]，也建立了描述煤層中流體運移規(guī)律的氣-水-流固-靜固四相數(shù)學(xué)模型[22-23]。然而，這些模型由于所需參數(shù)較多，計算過程復(fù)雜，尚不能有效對煤粉的運移規(guī)律進(jìn)行快速計算。同時，煤粉在關(guān)井過程中存在聚團(tuán)現(xiàn)象，目前該模型也沒有考慮煤粉的聚團(tuán)生長過程，也難以對礦場實例進(jìn)行擬合和分析。

針對上述問題，筆者分析了煤粉的運移過程和流動狀態(tài)，系統(tǒng)總結(jié)了煤粉運移剝蝕產(chǎn)生、流化啟動、懸浮運移、沉降堵塞和聚團(tuán)生長等5個基本過程，并基于微乳相流體的特征，建立了一種描述煤層氣-水-固(煤粉)流動的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了數(shù)值模擬研究和礦場實例分析。研究表明，存在煤粉剝蝕情況下控壓穩(wěn)定排采是針對產(chǎn)煤粉井最為穩(wěn)妥的生產(chǎn)方式，可為高階煤層氣針對煤粉運移的定量化排采策略研究提供理論基礎(chǔ)。

1 煤粉運移過程

1.1 物理過程

煤巖由基質(zhì)和裂縫系統(tǒng)構(gòu)成，符合典型的雙重孔隙介質(zhì)特征。煤層氣的開采過程中，基質(zhì)中解吸出來煤層氣匯聚在裂縫系統(tǒng)中參與流動，而割理中則是一個氣-水-固三相耦合流動的過程[22](圖1)。煤層割理中，煤粉的流動可以大致分為3個階段，即產(chǎn)生階段、運移階段以及沉降階段。生產(chǎn)過程中，割理中煤粉的狀態(tài)可以分為靜、動兩種狀態(tài)。未進(jìn)行排采之前，原生煤粉和鉆完井及壓裂過程產(chǎn)生的次生煤粉靜止在割理中，處于靜煤粉態(tài)(圖1)。排采過程中，煤粉與水相(潤濕相)一起流動，煤粉由靜態(tài)轉(zhuǎn)向動態(tài)，這一過程稱為煤粉的流化啟動。當(dāng)水流速進(jìn)一步增加時，靜態(tài)煤粉全部變?yōu)閯討B(tài)煤粉，此時水流會對孔隙壁面進(jìn)行剝蝕，從而產(chǎn)生新的煤粉。從割理壁面產(chǎn)生的新煤粉，這一過程可以稱為煤粉的剝蝕產(chǎn)生。因此，煤粉的產(chǎn)生階段包括了流化啟動和剝蝕產(chǎn)生2個物理過程。

圖1 生產(chǎn)過程中的煤粉狀態(tài)、流動階段以及物理過程

當(dāng)水相速度大于一定數(shù)值時，煤粉隨水流一起流動。煤粉的運移狀態(tài)包括懸浮、翻滾、壁面滑移等。如果要準(zhǔn)確描述煤粉復(fù)雜的運移狀態(tài)，則需要較復(fù)雜的力學(xué)方程，并不利于耦合在滲流模型中，也難以進(jìn)行數(shù)值求解。因此，本文將煤粉的運移過程簡化為懸浮運移，表現(xiàn)為煤粉隨水相(潤濕相)運移，進(jìn)一步簡化為微乳相模型。

當(dāng)煤層解吸產(chǎn)氣，產(chǎn)水量開始遞減，割理中的水流速下降，煤粉開始沉降并堵塞割理孔隙。煤粉從動態(tài)轉(zhuǎn)向靜態(tài)的過程可以稱為煤粉的沉降堵塞。沉降堵塞后的煤粉會在聚團(tuán)，形成更大粒徑的煤粉，這一過程可以稱為煤粉的聚團(tuán)生長。煤粉的聚團(tuán)生長行為表現(xiàn)為煤粉沉降后聚團(tuán)，雖然煤粉的質(zhì)量沒有變化，但是煤粉顆粒的粒徑變大，在相同流速條件下，難以再次啟動運移。

由此可見，煤粉的運移可以總結(jié)為流化啟動、剝蝕產(chǎn)生、懸浮運移、沉降堵塞以及聚團(tuán)生產(chǎn)等5個物理過程。

1.2 微乳相流體與煤粉狀態(tài)

基于微乳相流體的特征，將煤粉和水作為煤粉液相，耦合進(jìn)入氣-水兩相模型。微乳相流體指是納米或微米級別的小液滴分散在液體系統(tǒng)中，一定條件下形成的各向同性且熱力學(xué)穩(wěn)定的混合流體[24]。流動過程中，微乳相中的2種液體表現(xiàn)出統(tǒng)一的壓力、溫度以及黏度等流體物性[24]。煤粉的運移狀態(tài)可以簡化為懸浮運移，可以將懸浮在水中的動煤粉和水簡化為煤粉液相(類微乳相流體)。對于煤粉液相，水相的最大攜粉量可以描述水煤粉液的密度以及流動狀態(tài)[22](圖2)。

圖2 靜態(tài)煤粉與動態(tài)煤粉的關(guān)系[22]

水相的最大攜粉量指在一定水流速條件下，單位質(zhì)量的純水相可以攜帶的最大煤粉的質(zhì)量，通常采用實驗的方法獲得。純水相的最大攜粉量與水流速、煤粉粒徑分布和煤粉密度有關(guān)。當(dāng)煤粉存在聚團(tuán)生長過程，煤粉粒徑分布發(fā)生變化，研究通過改變最大攜粉量曲線以實現(xiàn)模擬。

1.3 煤粉運移總結(jié)

根據(jù)煤粉運移的物理過程以及微乳相流體建模方法，研究將煤粉運移問題進(jìn)一步總結(jié)為一條曲線(水相最大攜粉量曲線，圖2)、2個狀態(tài)(動煤粉和靜煤粉，圖2)、3個階段(產(chǎn)生階段、運移階段和沉降階段，圖1)以及5個過程(流化啟動、剝蝕產(chǎn)生、懸浮運移、沉降堵塞和聚團(tuán)生長，圖1)。煤粉運移過程中，存在著煤層氣-水-固(煤粉)三相的耦合傳質(zhì)過程(圖3)。其中，氣-水兩相耦合由相滲曲線描述，而水相與固相(煤粉)之間的耦合關(guān)系由提出的煤粉運移的5個過程實現(xiàn)。沉降堵塞和流化啟動是流固(流動煤粉)和靜固(靜止煤粉)兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的途徑，而沉降堵塞和剝蝕產(chǎn)生會影響靜止煤粉的量，從而引起煤巖割理系統(tǒng)的孔滲變化。

圖3 煤層氣-水-固三相傳質(zhì)的耦合關(guān)系

2 耦合煤粉運移的煤層流體運移模型

基于煤層中流體的流動狀態(tài)、煤粉運移的5個物理過程以及微乳相流體模型，可以建立耦合煤粉運移過程的煤層流體擬三相流動模型。三相指的是，氣相(煤層氣)、煤粉液相(水+動煤粉)與固相(靜煤粉)，而模型中固相僅作為煤粉的物質(zhì)平衡方程參與計算，并不參與流動，參與流動的只有氣相和煤粉液相。

2.1 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)對煤粉流動狀態(tài)的分析，對三相流動模型做出如下假設(shè)條件：①煤層是由基質(zhì)和裂縫2個系統(tǒng)構(gòu)成；②初始條件下，煤層氣以吸附態(tài)賦存于基質(zhì)中，基質(zhì)中沒有水和煤粉，割理中飽和地層水，為流體和固體提供運移通道；③割理系統(tǒng)中，水和動煤粉形成煤粉液相，兩相混合服從體積守恒和質(zhì)量守恒，并服從微乳相模型，表現(xiàn)出統(tǒng)一的流體物性；④吸附氣量可用Langmuir等溫吸附方程描述，基質(zhì)向裂縫中的流動服從擴散方程，裂縫中的流動服從Darcy流動(或改進(jìn)的Darcy流動)；⑤煤巖是非均質(zhì)、各向異性的可壓縮介質(zhì)，開采過程中為等溫過程，且上覆壓力不變；⑥水是可壓縮流體，游離氣為真實氣體，不考慮煤層氣在水中的溶解；⑦由于煤層氣的產(chǎn)量較小(通常小于3 000 m3/d)，煤粉僅隨水相(潤濕相)流動。

根據(jù)假設(shè)條件，可以得到考慮基質(zhì)竄流的煤層中氣相流動方程為

(1)

根據(jù)假設(shè)條件，式(1)中基質(zhì)向割理中的煤層氣竄流項qmg可以通過Langmuir吸附方程和擴散方程表示

(2)

煤粉液的流動，服從修正后的Darcy流動模型

(3)

Darcy速度的修正系數(shù)αcf與煤粉液中固相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)λ有關(guān)，而固相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)λ與最大攜粉量cwc有關(guān)，λ可以表示為

(4)

根據(jù)修正的煤粉液Darcy速度，結(jié)合煤粉液的物質(zhì)平衡，煤層中煤粉液(水+動煤粉)的滲流微分方程可以表示為

(5)

其中，煤粉液的體積系數(shù)可以推導(dǎo)為

(6)

由于流動煤粉的濃度cff可以表示為

(7)

因此，煤粉液的體積系數(shù)可以由流動煤粉濃度、水和煤粉的體積系數(shù)表示

Bl=(1-cff)Bw+cffBcf

(8)

靜止煤粉的物質(zhì)平衡關(guān)系可以表示為

(9)

結(jié)合毛管壓力和飽和度歸一化2個輔助條件

pc=pg-pl

(10)

Sg+Sl=1

(11)

煤粉的剝蝕和沉降對煤巖割理孔滲均有影響，孔隙度可以由每個時步的煤粉剝蝕、啟動和沉降之和的累積量表示

(12)

割理的滲透率可以由孔隙度的變化表示[22-23]：

(13)

然而，對于煤粉的聚團(tuán)生長過程對流化啟動的影響，由于尚沒有定量的實驗研究，目前無法獲得真實數(shù)據(jù)。聚團(tuán)生長過程中，煤粉的總質(zhì)量沒有改變，但煤粉粒徑分布發(fā)生了變化，小粒徑煤粉通過聚團(tuán)作用形成了大粒徑的煤粉，而粒徑增加對純水相的最大攜粉量有一定影響。因此，可以通過對流化率曲線進(jìn)行時間修正(式(14))，從而假設(shè)聚團(tuán)生長對煤粉流化率的影響。

(14)

氣相流動方程式(1)、煤粉液相流動方程式(5)、煤粉物質(zhì)平衡方程式(9)以及輔助條件式(10)～(11)等5個方程組成數(shù)學(xué)模型，需要求解基質(zhì)氣體壓力pmg、割理氣體壓力pg、割理液相壓力pl、割理氣相飽和度Sg和割理液相飽和度Sl等5個獨立變量。模型中，煤粉流化率Mf、剝蝕率Mg和沉降率Ms為煤粉液速度vl的函數(shù)，由實驗獲得。動煤粉濃度cff和靜煤粉濃度csf則由水相最大攜粉量cwc計算，而水相最大攜粉量cwc由滲流速度vl決定，每個時步可以采用上個時步的vl，顯式獲得水相最大攜粉量cwc。因此，該模型可以采用經(jīng)典的有限差分法進(jìn)行求解[23]。

2.2 數(shù)值模型與參數(shù)設(shè)置

由于煤粉流動量較于水流量不大，因此煤粉液方程的參數(shù)在每個時步可采用顯示方法求解。因此，可以采用有限差分的方法對模型進(jìn)行數(shù)值求解。研究根據(jù)沁水盆地柿莊南區(qū)塊的TS井組的煤層氣生產(chǎn)情況，構(gòu)建了數(shù)值模型并設(shè)置了相關(guān)參數(shù)。數(shù)值模型采用井距為420 m×420 m機理模型，模擬采用20 m×20 m×4 m的網(wǎng)格系統(tǒng)，氣井位于泄氣半徑的中央(圖4)。其中，氣井半徑rw為0.06 m，機理模型的外邊界條件為封閉邊界，模型的內(nèi)邊界條件為定產(chǎn)水量條件，不考慮煤巖滲透率應(yīng)力敏感的作用。

圖4 機理模型幾何形態(tài)

數(shù)值模型中的煤巖與流體參數(shù)見表1，模型的氣-水相滲曲線、毛管壓力曲線、水相最大攜粉能力曲線、煤粉流化率、沉降傷害和剝蝕率與文獻(xiàn)[22]中保持一致。

表1 模型基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置

3 結(jié)果討論與實例應(yīng)用

目前，煤層氣排采主要分為控壓排采(初始排水量5 m3/d)、適度出粉(10 m3/d)和快速排采(15 m3/d) 3種策略。控壓排采的目的在于盡量不啟動煤粉，排除煤粉對生產(chǎn)的干擾；適度出粉則是適當(dāng)控制排采速度，使得部分煤粉排出，以達(dá)到提高煤層滲透率的目標(biāo)；而快速排采則是將煤層快速降壓，以達(dá)到快速產(chǎn)氣的效果。在本文建立的考慮煤粉運移過程的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，模擬了3種排水策略對煤層物性和氣井生產(chǎn)動態(tài)的影響。

3.1 模擬結(jié)果

在模擬過程發(fā)現(xiàn)：當(dāng)排水量小于11.4 m3/d時，煤粉的剝蝕效果開始減弱；當(dāng)排水量小于5.5 m3/d時，煤粉的沉降堵塞效果開始明顯增強(圖5)。控壓排采策略下，由于水流速度較小，因此煤層割理中沒有煤粉啟動，煤層氣的生產(chǎn)動態(tài)符合正常的生產(chǎn)規(guī)律。而適度出粉策略下，煤層氣產(chǎn)量動態(tài)在生產(chǎn)前期符合正常規(guī)律(排水量大于5.5 m3/d)。當(dāng)生產(chǎn)中期產(chǎn)水量遞減后，煤粉開始沉降，產(chǎn)水量和產(chǎn)氣量的遞減速度明顯加快。生產(chǎn)前期，由于煤粉排出而滲透率增大，適度出粉策略下的產(chǎn)氣量高于控壓排采，但是產(chǎn)水遞減后造成的滲透率損失使得在第9個月后，適度出粉策略下的產(chǎn)氣量小于控壓排采策略下的產(chǎn)量。

圖5 不同排水策略下的生產(chǎn)歷史

快速排采策略下，部分煤粉被啟動，而且還出現(xiàn)了煤粉的剝蝕過程。因此，產(chǎn)水量遞減后，大量煤粉沉降在煤層中，滲透率快速降低，產(chǎn)量迅速遞減，在開采一年后已無法正常生產(chǎn)?？貕号挪?、適度出粉和快速排采3種策略的峰值產(chǎn)量依次為1 592、1 801和1 869 m3/d，3種策略的峰值產(chǎn)量差別不大，但是控壓排采策略下，產(chǎn)氣遞減速度最小，氣井的穩(wěn)產(chǎn)能力最好。

3.2 流化啟動對滲透率的影響

以24個月為生產(chǎn)的全部時間，可以從網(wǎng)格中讀取生產(chǎn)階段為0、0.2、0.4和0.6時(生產(chǎn)階段t=生產(chǎn)時間/24個月)，煤層滲透率的分布情況(圖6)。對于控壓排采策略，由于水流速較小，煤粉未啟動，因此煤層絕對滲透率保持為1 mD。根據(jù)圖6可知，由于流動速度較小，遠(yuǎn)井帶(150～200 m)的煤粉沒有被啟動。當(dāng)采用適度出粉策略時，煤粉在生產(chǎn)初期(t=0.2)被適度排出(尚未出現(xiàn)剝蝕)，近井帶的滲透率提高了32.1%。但是生產(chǎn)中期(t=0.6)，雖然產(chǎn)水遞減后距井100 m處的滲透率提高了(煤粉運移，濃度降低)，但是運移過程中的煤粉在近井帶堵塞。近井帶滲透率的下降，顯著地降低了煤層的產(chǎn)能(圖5b)。

圖6 不同排水策略下的滲透率分布

當(dāng)采取快速排采的策略時，由于出現(xiàn)了煤粉的剝蝕產(chǎn)生，因此近井帶滲透率的提高并沒有超過適度出粉策略的情況。生產(chǎn)初期參與流動的煤粉在生產(chǎn)后期沉降在近井帶，導(dǎo)致了近井帶滲透率的快速下降(由1 mD下降至0.22 mD)，導(dǎo)致了氣井產(chǎn)氣的停止(圖5)。由此可見，煤粉運移過程以及對產(chǎn)能的影響，與排采策略關(guān)系緊密。值得注意的是，不同的排采策略對不同初始煤粉濃度條件的影響也是不一樣的。由于目前尚不能獲得礦場煤粉的初始濃度和分布情況，因此僅分析了單一濃度條件下的模擬結(jié)果。對于低含煤粉條件，顯然適度出粉可以有效排出煤粉，增加煤層的滲透率；而對于易出煤粉的儲層，適度出粉的開采策略具有一定的風(fēng)險，而控壓連續(xù)排采則是最穩(wěn)妥的生產(chǎn)策略。

3.3 聚團(tuán)生長對產(chǎn)能的影響

煤粉的聚團(tuán)生長表現(xiàn)為運移及沉降過程中的煤粉顆粒聚集后粒徑增加的現(xiàn)象。初始條件下(靜水條件)，煤粉在重力的作用下位于孔隙內(nèi)下方，不會出現(xiàn)明顯的聚團(tuán)情況(圖7a)。而生產(chǎn)過程中，由于動水條件，煤粉開始運移，在割理孔隙狹小的部位(割理的吼道)會出現(xiàn)聚集(圖7b)，從而出現(xiàn)煤粉的聚團(tuán)生長現(xiàn)象。同時，生產(chǎn)過程中的關(guān)井，同樣會導(dǎo)致已經(jīng)參與運移的煤粉出現(xiàn)沉降，在裂縫較窄處出現(xiàn)聚團(tuán)。

圖7 聚團(tuán)生長過程

同時，當(dāng)產(chǎn)水量遞減時，運移中的煤粉會在儲層中快速密集沉降，在生產(chǎn)過程中，密集的沉降也更容易出現(xiàn)煤粉的聚團(tuán)生長過程。聚團(tuán)生長過程可以通過式(14)進(jìn)行描述。根據(jù)式(14)，可以獲得聚團(tuán)生長對流化啟動的影響關(guān)系(圖8a)。流動過程中，水的最大攜粉量隨時間增加而變小，而臨界攜粉流速則逐漸增大，反映出水流對煤粉的攜帶能力越來越弱(圖8a)。模擬計算初始排水量為10 m3/d條件下，考慮聚團(tuán)和不考慮聚團(tuán)效應(yīng)兩種情況的排水過程(圖8b)。模擬過程中，氣井先排采6 d，后關(guān)井4 d，以研究關(guān)井對煤層的傷害作用。

圖8 聚團(tuán)生長過程對生產(chǎn)動態(tài)的影響

如果沒有煤粉運移過程，那么關(guān)井對產(chǎn)水量并沒有影響。關(guān)井一段時間后，排水量在開井之后可以恢復(fù)初始排水量(圖8b)。當(dāng)出現(xiàn)煤粉運移時，如果僅考慮孔滲變化，則產(chǎn)水量會出現(xiàn)一個增加過程，這是因為關(guān)井之后，煤粉沉降堵塞了地層。因此，開井初期，產(chǎn)水量較低，隨著煤粉啟動，煤巖割理的孔滲恢復(fù)，產(chǎn)水量逐漸增加。如果同時考慮聚團(tuán)效應(yīng)，開井后煤層的滲透率出現(xiàn)了傷害，產(chǎn)水量隨著煤粉的啟動過程遞增，然而由于聚團(tuán)效應(yīng)影響了水相的最大攜粉量(圖8a)，再次開井后排水量恢復(fù)過程會出現(xiàn)截斷效應(yīng)，難以恢復(fù)至關(guān)井前的水平(圖8b)。

由此可見，由于煤粉的聚團(tuán)生長效應(yīng)，煤粉粒徑增大，啟動條件更加困難，即便采用關(guān)井時的排水量也難以再次啟動聚團(tuán)的煤粉。同時，關(guān)井后的煤粉沉降會堵塞地層，降低煤層的滲透率，使得開井后的排水量難以恢復(fù)到關(guān)井前水平。

3.4 礦場實例分析

取文獻(xiàn)[22-23]中以及沁水盆地南部柿莊區(qū)塊2口典型產(chǎn)煤粉氣井的生產(chǎn)動態(tài)(圖9)進(jìn)行實例分析。對于井X1，生產(chǎn)初期采用適度出粉的生產(chǎn)策略，當(dāng)煤層解吸產(chǎn)氣后，產(chǎn)氣量較低且不穩(wěn)定，而產(chǎn)水量遞減并不明顯。因此，對于井X1采用了強化排水的方式，希望快速壓降提高產(chǎn)氣量(圖9a)。當(dāng)排水量提高至17 m3/d時，氣井開始產(chǎn)出大量煤粉，產(chǎn)水量快速遞減，井筒中煤粉堆積導(dǎo)致埋泵。修井后，采取適度出粉策略慢速排采，最終排水由黑變清。煤層充分壓降后，產(chǎn)氣量開始上升。這與本文得到認(rèn)識基本吻合。

在井X2的生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)初期同樣采取了適度出粉排策略，氣井產(chǎn)氣后開始提高排水量，導(dǎo)致氣井大量出粉。這使得氣井在生產(chǎn)過程中多次出現(xiàn)埋泵、卡泵事故，進(jìn)行了多次停井修井作業(yè)。從生產(chǎn)曲線(圖9b)可以發(fā)現(xiàn)，每次停井后生產(chǎn)，氣井均難以恢復(fù)關(guān)井前的產(chǎn)量。由于井X2的早期排水動態(tài)與本文研究的5個煤粉運移過程較為匹配，因此選取井X2進(jìn)行數(shù)值模擬歷史擬合研究。

圖9 產(chǎn)煤粉井典型生產(chǎn)動態(tài)

根據(jù)井X2前280 d的生產(chǎn)過程可知(圖10)，氣井關(guān)停6次，其中后5次是由于煤粉運移而導(dǎo)致埋泵而關(guān)停。由于存在煤粉堵塞，關(guān)井時井底流壓難以快速恢復(fù)，而且關(guān)井后恢復(fù)生產(chǎn)，產(chǎn)水量也難以達(dá)到之前的水平。由此可見，井X2的初期生產(chǎn)特征和本文數(shù)值模擬得到的認(rèn)識一致。根據(jù)本文建立的模型，可以對井X2的排水階段進(jìn)行數(shù)值模擬研究。由于井X2所在的煤層傾角較小，且附近井網(wǎng)為5點井網(wǎng)，因此可以直接采用本文建立的機理模型進(jìn)行模擬，模型的其他輸入?yún)?shù)如表2所示。模擬過程中，輸入?yún)?shù)為井底流壓，擬合參數(shù)為氣井的產(chǎn)水量。

圖10 井X2的早期排水曲線

表2 井X2歷史擬合過程中的參數(shù)設(shè)置

由于現(xiàn)場并沒有直接測量煤粉的產(chǎn)出量，僅記錄了生產(chǎn)過程中水的顏色和洗井過程中的沖砂量(煤粉質(zhì)量)，因此難以定量擬合煤粉的產(chǎn)出濃度和產(chǎn)出量。通過歷史擬合之后，將模型的初始煤粉濃度調(diào)為0，再將煤粉的剝蝕函數(shù)調(diào)為0，以計算不考慮煤粉運移過程中的數(shù)值模擬結(jié)果；針對文獻(xiàn)[23]中對僅考慮孔滲變化影響的煤粉運移問題，對于井X2進(jìn)行了歷史擬合研究；同時，根據(jù)本文提出的考慮聚團(tuán)效應(yīng)的數(shù)值模擬方法，對井X2進(jìn)行了歷史擬合研究,研究結(jié)果如圖11所示。

圖11 考慮和不考慮煤粉影響的歷史擬合結(jié)果

從圖11可以看出，由于氣井的首次關(guān)井并不是由于煤粉運移導(dǎo)致的，因此3種模擬結(jié)果相差不大。之后的關(guān)井均是為了進(jìn)行沖砂洗井作業(yè)，由模擬結(jié)果可知，當(dāng)考慮煤粉運移情況時，產(chǎn)水量在關(guān)井后難以恢復(fù)到之前的水平。僅考慮孔滲變化的數(shù)值模擬方法可以初步描述煤粉運移的影響，而考慮聚團(tuán)生長的數(shù)值模擬方法可以更好地擬合井X2的生產(chǎn)動態(tài)。當(dāng)多次關(guān)井后，產(chǎn)水量呈現(xiàn)遞減狀態(tài)。當(dāng)不考慮煤粉運移時，產(chǎn)水量不僅可以恢復(fù)至關(guān)井前的狀態(tài)，而且遞減的情況并不明顯。根據(jù)本文研究結(jié)果，上述現(xiàn)象來自于煤粉的沉降堵塞和聚團(tuán)生長效應(yīng)。由于多次關(guān)井帶來的儲層傷害，氣井目前處于低效生產(chǎn)階段。由此可知，保持煤層氣井的連續(xù)排采可以防止沉降堵塞和聚團(tuán)生長帶來的煤層滲透率傷害。

4 結(jié)論與建議

本文分析了煤層氣生產(chǎn)過程中煤粉的運移狀態(tài)和過程，建立了描述煤層氣-水-煤粉運移的三相流動模型，并對控壓排采、適度出粉以及快速排采等3種策略進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得到如下認(rèn)識：

1) 煤粉的運移過程可以簡化為一條曲線(水相最大攜粉量曲線)，2個狀態(tài)(動煤粉和靜煤粉)，3個階段(產(chǎn)生階段、運移階段和沉降階段)以及5個過程(流化啟動、剝蝕產(chǎn)生、懸浮運移、沉降堵塞和聚團(tuán)生長)。

2) 由于流速的分布，遠(yuǎn)井帶的煤粉難以啟動，參與流動的均為近井帶煤粉。適度出粉策略下，雖然煤層中的滲透率有所增高，但是運移的煤粉會在產(chǎn)水遞減階段沉降在近井帶，使得近井帶滲透率大幅下降，從而降低氣井產(chǎn)能。

3) 由于存在剝蝕啟動過程，快速排采策略并不能比適度出粉策略產(chǎn)出更多的煤粉以及提高煤層的滲透率。當(dāng)存在沉降堵塞和聚團(tuán)生長效應(yīng)時，煤層氣井的排采需要保證穩(wěn)定連續(xù)生產(chǎn)，多次關(guān)井會大幅降低煤層的滲透率以及氣井的產(chǎn)能。

4) 不同排水策略下的開發(fā)效果與煤粉的初始濃度有關(guān)，但是煤粉的初始濃度目前難以獲取。因此，控壓排采策略是針對產(chǎn)煤粉井最為穩(wěn)妥的生產(chǎn)方式。

符號注釋

Bcf—煤粉的體積系數(shù)，無量綱；Bg—氣體的體積系數(shù)，無量綱；Bl—液相的體積系數(shù)，無量綱；Bw—水的體積系數(shù)，無量綱；cg—氣體的壓縮系數(shù)，MPa-1；cwc—單位質(zhì)量的水可以攜帶的最大煤粉質(zhì)量，mg/kg；cff—流動煤粉濃度，mg/kg；csf—流動煤粉濃度，mg/kg；g—重力加速度，9.8 N/kg；FG—基質(zhì)形狀因子，無量綱；H—海拔高度，m；mcf—水中攜帶煤粉的質(zhì)量，mg；mw—參與流動的水質(zhì)量，mg；Mf—煤粉的體積流化率，m3/(m3·s)；Mg—煤粉的體積剝蝕率，m3/(m3·s)；Ms—煤粉的沉降率，m3/(m3·s)；K0—煤層絕對滲透率，mD；K0i—煤層初始絕對滲透率，mD；Krg—氣體相對滲透率，無量綱；Krl—煤粉的相對滲透率，無量綱；pmg—基質(zhì)氣相壓力，MPa；pg—裂縫氣相壓力，MPa；pl—液相壓力，MPa；pL—蘭氏壓力，MPa；qmg—基質(zhì)到裂縫的竄流量，m3/s；qvg—產(chǎn)氣量，m3/s；qvl—產(chǎn)液量，m3/s；Sl—割理液相飽和度，無量綱；Sg—割理氣相飽和度，無量綱；t—時間，s；tsim—總模擬時間，s;vl—液相流動速度，m/s；VL—蘭氏體積，m3/m3；Vm—煤層含氣量，m3/m3；Vl—液相體積，上標(biāo)R、S分別表示油藏條件和地面條件，m3；Vw—水相體積，上標(biāo)R、S分別表示油藏條件和地面條件，m3;Vcf—煤粉體積，上標(biāo)R、S分別表示油藏條件和地面條件，m3;Vfc—流動煤粉體積，上標(biāo)R、S分別表示油藏條件和地面條件，m3;Vfw—流動純水體積，上標(biāo)R、S分別表示油藏條件和地面條件，m3；αcf—煤粉液達(dá)西流動修正系數(shù)，無量綱；ρg—氣體密度，g/m3；ρl—液相密度，g/m3；ρc—煤基質(zhì)密度，103kg/m3；μg—氣體黏度，mPa·s；μl—液相黏度，mPa·s；φ—煤層割理孔隙度，%；φi—煤層割理初始孔隙度，%；λ—固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；τ—解吸時間，d。