煤层气排采过程中煤粉控制研究

煤层气排采过程中煤粉控制研究

作者：王飞

来源：《中国新技术新产品》2016年第18期

摘 要：本文对煤层气储层特性以及主控地质因素进行了分析，总结出我国煤层气具有低渗透率以及欠压的特点。并结合煤层气的产出机理，探讨了煤层气在排采过程中出现的多相流流态。确定出了应力集中与煤粉产出之间的关系，并结合煤粉的产出类型详细探讨了后期煤粉的管控措施和煤层气的连续生产。

关键词：煤层气；煤粉；应力集中；产出机理 中图分类号：TK422 文献标识码：A 1.煤层气储层特点及主控地质因素

我国的煤炭资源总体上比较丰富，分布也比较集中，这也给煤层气的产生和存储创造了良好的条件。我国的煤层气储层主要特点是煤层地应力分布不均匀、煤层的渗透率较低、煤储层普遍欠压。其中，煤层气储层可以根据煤层的渗透率高低分为5个等级。一级储层的渗透率高于10.0×10-15m2，渗透性非常好；而五级储层的渗透率已经低于0.1×10-15m2，渗透性极差。我国煤层气的储层等级中，四、五等级的储层比例占到了69%，造成了煤层气“高资源、低产能”的现象。

2.煤层气的产出机理

煤层气的产出机理核心内容是解决煤层气从吸附态向游离态的转变，煤层气的排采是通过井筒排水，使得在整个储层中形成具有压力差的压力漏斗。当井筒中的压力低于临界解吸压力时，煤层气就会从吸附态转变为游离态从而为大规模的产气提供了先决条件。但是，当煤储层的渗透率比较低时会大大限制压降漏斗临界解吸压力等值线的扩撒范围。同时，伴随排水作业的进行以及煤层气不断地产出，煤储层的孔隙率、渗透率和气水饱和率也会随之改变，进而出现气和水混合的两相流的流态，如图1所示。 3.排水采气对煤层气井出煤粉的影响

结合煤层气储层的特点以及煤层气的产出机理，对煤粉的产生以及运移进行探究。煤层可以是做一种特殊的有机岩体，对煤层气的排水开采不可避免地会造成煤粉的产生。因此分别从煤层的渗透压力性、应力集中、煤粉产出类型以及如何管控煤粉的产出等方面进行了一系列探讨。同时，管控好生产压差和气、水、煤粉三相流的流速，是保证煤层气排采过程的持续和稳定的基本要求。

3.1 煤层渗透压力敏感性

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在未进行降压排采时，煤层间的缝隙被水充满，煤质体在整个煤层封闭系统中，依托四周的渗透压力和原始的地应力能够维持自身的稳定构架。由于面割理的延伸面并非一个完整平面，而是一种凹凸不平的三维曲面。两平面之间存在着一系列接触点，这类接触点类起着支架作用。随着降压井的出现，煤层气和承压水被抽取出煤层，导致煤层中的自然裂隙突然闭合，渗透率降低，从而使得煤层支撑点上的压力急剧增大。当支撑点所受到的应力超过了其自身的强度极限时，煤层间的缝隙宽度慢慢减小，渗透率也随之降低。煤与其他岩石的弹性模量指标见表1。

3.2 应力集中与煤粉产出的关系

由于煤层渗透率低会制约煤层气的开发，而裸眼洞穴完井具备良好的连通性，能够诱导煤层裂隙的张开，进而增强煤层的渗透率。因此，在实际的煤层气生产活动中，裸眼洞穴完井倍广泛采用。然而，根据弹性理论可知，在物体存在缝隙或者缺口时，会在改点形成应力集中效应。若应力过大，超过了煤层的强度极限，则煤层就会破坏并随之将应力传到周边的煤层，如此反复循环，直至达到最终的受力平衡。而正是这种煤层的应力集中破坏机制导致了部分煤粉的产生。

3.3 煤层的煤粉产出类型

不同成因形成的煤粉其产出的方式也不同。其中比例最高的就是煤层中因结构和成分的差异而产生的煤粉，堵塞煤层的缝隙，降低了煤层渗透率，而且在高压水的作用下，部分煤层出现应力集中，从而会加重煤粉的产生。此外，由于煤粉的粒径小到微米级，大的到10mm以上等。细粒径的煤粉会随着井筒排出，而粒径较粗的煤粉会往井底下沉，极易发生埋泵的风险。对于排采系统中的煤粉，大多以煤粉、气和水混合的三相流形式，水和煤粉由排采泵排出，为避免卡泵，必须定期对泵工作状态进行检测。 3.4 煤粉的管控措施

根据某煤田的实际开采的生产实践，对煤粉的管控主要归纳为以下几点：

（1）选择具有足够携粉、出粉能力的排采设备，计算出保持设备安全工作的极限煤粉浓度极值。定期对排采设备运行状态进行巡检、对产出液煤粉浓度数据检测，及时消除异常状态，保证正常生产。

（2）排采过程中要缓慢排采，控制降液速度，排采过快煤储层会产生速敏效应，速敏效应会加快井底流速，携带大量煤粉在井底很容易造成卡泵、修井等。

（3）确保排水降压的连续性。主要是根据检测的临界解吸压力值，设置排水降压周期，保障设备的持续运转。间断排采很容易是煤粉在裂缝通道里沉淀，堵塞渗流通道。

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（4）严格管控排采工作制度，以最小工作制度起抽，求取地层供液能力，缓慢降液面，根据地质资料、钻井参数以及临井检测数据预测排采井的临界解吸压力，接近临界解析压力时，调整工作制度控制井底压力变化，产期初期和增产时控制套压、井底压力、产气量的上下波动，防止井下煤粉产出起到很好的缓冲作用。

（5）生产中发现井下煤粉浓度上升，若较低排水量，很容易发生卡泵、堵塞泵吸液口。根据情况可以提高排水量，在地面采用高压泵从油套环空给该井注水，同时增大泵的排量抽出煤粉，并且要保持液面一直处于稳定状态。 4.排采设备

（1）排采设备的合理选型

排采设备的合理选型直接关系到煤层气井的连续稳定生产。排采设备在具备可靠性高、稳定性好、持久耐用等特点的同时，还必须满足从低排量到高排量范围变化的要求以及可靠的防煤屑、煤粉措施。

（2）主要排采设备技术分析

①三轴有杆泵：主要是通过三角带传动，由驴头带动光杆和杆柱在上下方向作往复运动，在抽油杆作往复运动时，抽油泵完成排出和吸入工序。具备结构简单、操作便利、耐用等特点。选型时，应根据最大产水量对泵径、冲程及冲次进行初步设计。

②电潜泵：主要是通过动力电缆将电力输送到井底电机，并驱动离心泵，将井液泵送至地面。缺点是成本较高，泵容易烧坏。故在选择电潜泵时，依据煤层气井的最大产水量选择额定排量大小；并计算离心泵轴功率、电机额定功率、泵的扬程等。

③螺杆泵：主要是通过电控箱控制电动机起停，减速箱实现减速，并通过抽油杆将动力传给井底螺杆泵转子，将井液和气举升至地面。螺杆泵的选择原则主要是：确定泵的排量以及扬程，分析计算杆柱应力合理性，并根据抽油杆扭矩确定出地面电机额定功率。

④气举泵：主要是通过气举阀，往井中注入高压煤层气，利用气体压能将井液举升至地面。特点是能够输送固体含量较高的液体，且初始产量适应范围广。在选择气举泵时，应结合气井产水量，确定出注气量、压力值及相关参数，布置气举阀和压缩机，并进行敏感性分析及诊断。 结语

结合煤层气储层渗透率低和普遍欠压等特点，深入研究了排水采气过程中出现的应力集中现象以及煤层气排采与煤粉产出之间的关系。在此基础上，得出了煤粉主要产生在煤层的剪切破坏过程中，并与水混合，经由排采泵流出。介于上述研究，得出了煤粉的管控措施必须遵循

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合理控制排液强度和工作制度的原则。最后探讨了如何在控制煤粉产出率和工作压差在合理的范围前提下，保证生产的稳定和持续。 参考文献

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