煤层气水平井煤粉产出及运移特征_曹立虎.pdf

第42卷第3期 2014年6月 煤田地质与勘探 COALGEOLρGYP618.13 文献标识码ADOI I 0.3969/j.issn.l001-1986.2014.03.007 Investigation of coal powder generation and migration characteristics in coalbed methane horizontal well CAO Lihu, ZHANG Suian, ZHANG Yali, QIN Peng, HAN Shu, WANG Xue Engineering Research Center of the Ministry of Education for Gas Energy Deνelopment the damage rate of propped fracture diverting capacity caused by pulverized coal could reaches 90, what’s more, the higher the velocity of production, the more the amount of coal powder; the flow pattern of migration of pulverized coal in horizontal wellbore is the laminar flow regime, the pulverized coal could be well controlled at the beginning of production by controlling the pressure, flow and pulverized coal concentration. Key words CBM horizontal well; coal powder; output; transpo口，proppedfracture; horizontal wellbore 煤粉是煤层气开采中的不利因素，严重影响煤 层气的产能，而煤层气水平井生产过程中煤粉的产 出量和浓度远高于直井［I6］。目前，国内外学者对煤 粉的伤害机理进行了研究，取得了一些成果［39］。煤 粉对排采的危害主要由煤粉的运移造成一方面， 煤粉在煤层天然裂隙或压裂支撑裂缝中运移沉积， 堵塞裂隙孔隙，影响储层渗透率；另一方面，煤粉 随储层流体产出至水平井筒段，与井筒中原有的煤 收稿日期2013-09-23 粉一起随流体发生运移，到达泵的吸入口，造成卡 泵或埋泵等事故，降低了检泵周期。根据资料统计， 鄂尔多斯盆地东缘和沁水盆地南部煤层气水平井的 平均检泵周期为3-6个月，而实施煤粉控制措施后， 平均检泵周期达15个月［呐。频繁的检泵会对储层 的渗透性和生产动态产生不利影响，降低了产能， 增加了排采成本。因此，研究煤粉在裂缝和水平井 筒的运移规律，可有效预防和控制煤粉对生产的不 基金项目国家科技重大专项课题（201IZX05061; 2011ZX05042-001; 2011ZX05034-003 作者简介曹立虎（1989一），男，甘肃庆阳人，硕士研究生，从事煤层气井水力压裂研究 ChaoXing 32 煤田地质与勘探第42卷 利影响，实现煤层气的高效开发。 1 煤粉产出特征 1.1 樊庄区块水平井排采数据分析 樊庄区块位于沁水盆地南部，是我国煤层气产业 的示范区之一［7］。通过现场观察水平井的排采情况， 发现樊庄区块的45口水平井产气量为22.2104旷Id, 其中38口水平井有煤粉产出，并且产液量、产气量 和煤粉产出量都有较大的区别。如图l所示，根据 水平井煤粉产出类型，将产煤粉的水平井分为长期 型和阶段型两种。长期型的水平井煤粉产出多，经 常造成卡泵埋泵事故，对生产造成很大威胁；阶段 型的水平井受煤粉的影响相对较小。 1.2 煤粉来源 研究发现，给煤层气带来麻烦的煤粉主要来自钻 井过程中的钻具对煤层的研磨及压裂过程的大排量 携砂棍合流体对人工裂缝煤壁产生的摩擦。煤粉的颗 粒尺寸和数量，既取决于钻井和压裂施工工艺，也取 决于煤层本身的煤岩煤质及煤层的力学性质［3归7]0 1.2.1 钻井过程产生的煤粉 在钻进过程中，钻具研磨煤层，机械破坏煤层 18 000 16000 14 000 七I}000 “ 10 000 主4 f 8000 卡－6000 4 000 2 000 。 。50 100 150 200 250 300 t l d 产生煤粉，煤粉颗粒较大，粒径分布不均匀，如图 2a所示。如果煤粉不能被循环至井口，就会沉积在 水平井筒中，给排采带来煤粉隐患。煤粉的产出量 与钻进参数有关，钻头钻压越大，转速越高，煤粉 产出越多。樊庄区块的水平井钻井过程中都钻遇软 煤层，软煤层煤体的坚固性系数较小，在外力作用 下，容易破碎，产生的煤粉较多，钻井过程中就产 生了大量煤粉囤积在水平井筒中。 1.2.2 压裂过程中产生的煤粉 在煤层气压裂改造过程中，压裂液携带支撑 剂以较大的排量注入人工裂缝，由于支撑剂对缝 壁的磨擦作用和压裂液对缝壁的冲刷作用，产生 大量煤粉，煤粉颗粒粒径小于钻井过程中产生的 煤粉，一部分呈煤泥状，且分布均匀，如图2b所 示。同时，支撑剂粒径越小、强度越大、铺砂浓 度越大，支撑剂对缝壁的摩擦作用就越大，产出 煤粉量就越多。 此外，煤粉的产出还与煤层气井排采工作制度 有关。若排采过程中排采速度小，虽不出煤粉，但 生产效率低；若排采速度大，会激动压裂支撑裂缝 内的煤粉或水平井井筒内的滞留钻屑（煤粉），煤粉 350 400 450 500 550 4.5 4 3.5 3 2.5立 扎 辛辛 主主 1.5 0.5 3 500 a）长期型4.5 3 000 2 500 飞3 丁＝2 00 0 刷I50 0 [I00 500卡 O I... 0 Fig.I 一一一产气量刷｝产UJ率 150 200 250 300 350 400 t I d b）阶段哇＇ 罔l樊庄区块煤层气水平井煤粉产出分类 4 3.5 3 豆豆 2.5斗 击 2 卡、 1.5主 0.5 0 450 Classification of coal powder output in CBM horizontal wells in Fan zhuang block ChaoXing 第3期曹立虎等．煤层气水平井煤粉产出及运移特征 33 a）钻井过程中产’｜气的煤粉b I裂过程中产牛的煤粉 罔2樊庄区块产出的煤粉 Fig.2 The pulverized coal in Fanzhuang block 大量运移造成卡泵埋泵，检泵洗井又会导致支撑裂缝 及储层伤害，造成气产量衰减；若排采过程中压差和 流量突然减小，造成煤粉在低位沉积，不同程度堵塞 井筒，甚至造成水平井报废。 1.3 煤粉成分 陈振宏等［9］对樊庄区块煤粉进行了煤岩组分分 析，测试结果表明煤粉中勃土矿物含量较煤心中高约 30，煤粉中的勃土矿物主要有高岭石、伊利石、绿 泥石和伊／蒙昆层矿物，其中以高岭石为主。 由高岭石晶体结构分析可知，高岭石晶层间作用 力主要为范德华分子力，晶层间联系弱、硬度低、具 有节理，因此高岭石集合体抗机械力的能力较弱。在 钻具研磨、大排量支撑剂和压裂液的摩擦作用下，晶 层间节理便会裂开，使高岭石集合体从骨架颗粒上脱 落，被打成碎片产生煤粉［18］。 2 煤粉在支撑裂缝中的运移 2.1 实验设备及方法 实验采用LD一lA导流能力测试仪，该仪器按照 APT标准设计，如图3所示。在导流室中，用钢板模 拟裂缝缝壁，支撑剂和煤粉以一定比例（煤粉占3 混合后形成充填层模拟支撑裂缝，导流室出口段连接三 通和烧杯收集煤粉和流体。通过平流泵注入流体，模拟 煤层气井水力压裂后支撑裂缝中的流体流动，测量导流 室两端的压差以及流量和每种流量下的出煤粉量。 在现场，选取常用的20-40目（0.425～0.85mm）石英 砂作为支撑剂，煤粉粒径为过80目（小于0.183mm） 、 100目（小于0.15mm）和140目（小于0.106mm）筛析 的3种煤粉。实验植度为室温；闭合压力为10MPa; 铺砂浓度7.5kg/m2；实验介质为蒸馆水。 2.2 评价指标 采用煤粉对导流能力的损害率来表征煤粉支持 裂缝的伤害，计算方法如式（I）和式（2）所示。 5.41 ll o-4Qu kw 1 t,.p A一止；撑齐ljt{充层I7.78cmx 3.81 cmxW ,cm, B--.\ J，板， C-\f流室主体 D下活＇.＆ E-r.活塞． F-jITT1J试液illII I l电 G I并输11\1I; H一多-fL“.lI禹城网『 i一调节’虫草位 J-}iJ＼＇字；士、I阁 图3A.Pl导流室解剖罔 Fig.3 Anatomy of API diversion chamber 机一－kw山 X＝刷刷刊..., x 100 kwk议m 式中Q为支撑裂缝中流体的流量，cm3/s;u为流体粘 度，mPas;l.P为支撑裂缝两段流体压差.atm; x 为有煤粉时的支撑裂缝导流能力伤害率，；kwx.煤帕为 无煤粉时支撑裂缝的导流能力，m2cm;kw刊粉为有 煤粉时支撑裂缝的导流能力，m2cm; 假设无煤粉状态下支撑裂缝的导流能力为定值， 测得20-40目（0.425-0.85mm）石英砂在10MPa测得 的导流能力为134.8m2cm。 2.3 出煤粉量分析 2 分别以0.5mL/min、lmL/min、2mL/min、3mL/min、 4 mL/min和5mL/min的流速向导流室（图3）中注入 30 mL蒸馆水，记录每种流速下的压差和流量，收集每 种流速下的煤粉，结果如图4所示。由图4可知，随着 流速的增大，累计出煤粉量逐渐增多，但增加趋势逐渐 山川时 W川川 过泣过 ＋士＋ 。。 -0.05 拥 王王0.04 室。03 0.02 0.01 0 0 ，、 . 2 4 5 流速Icm min-1 图4支撑裂缝中不同粒径煤粉的出煤粉量对比 Fig.4 The comparison of amount of pulverized coal with different sizes in propped仕acture ChaoXing 34 煤田地质与勘探第42卷 减小（煤层气实际生产过程中，排采速度对煤粉的产出 具有重要影响）；煤粉粒径越小．煤粉越容易在支撑裂 隙中发生运移，产出煤粉量则越多。 2.4 导流能力伤害率分析 由罔5可知，随着流速的增加，导流能力先增加后 减小。这是由于流速从ImL/min增大到3mL/min的过 程中，小粒径煤粉被排出支撑剂，孔隙被疏通，导流 能力增大；当流速大于3mL/min时，更多的煤粉发 生运移，堵塞在支撑剂窄口处，导流能力减小。 由图6可以看出，煤粉存在时对支撑裂缝导流能 力的伤害很大，伤害率可达40～90；随着流速的 增大，导流能力伤害率有减小的趋势，这是由于流速 越大，液体携带出支撑剂的煤粉量越多，在没有外来 煤粉补充的情况下，留在支撑剂中的煤粉量越少，形 成了流体流动通道，导，流能力伤害率有减小的趋势。 在实际压裂过程中，压裂前期泵入小粒径支撑剂，控 制水力裂缝端部和煤层中的煤粉颗粒，尽量减少煤粉 1昆入支撑剂中。 100.0 90.0 801 i煤粉 [so.or ...... 14on煤粉 g 70.0 ... ’ 三60.0 『工飞50.0 提40.0 , 』．‘ 20.0 io.io 1.0 且 ..‘ ,.. AA ’ 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 流述／（mLmin 图5不同粒径煤粉条件下支撑裂缝的导流能力 Fig.5 Diverting capacity of propped fracture for different particle size of pulverized coal nu nun unUAU UAUAUnUAU nυ 。， 。07 ’采U 气dA哼吨J J、艺M时伸运「气mFdME 妇女 ... .. ．’～－二’量丛、 .. 、．．．．． ..... 80川煤粉、、- . 140J l;l\l粉 2.0 4.0 6.0 流i主／（ml-min- 图6不同粒径煤粉对支撑裂缝导流能力伤害旦在 Fig.6 The damage rate of different pulverized particle size for diverting capacity of propped fractures 3 煤粉在水平井筒中的运移 3.1 煤粉在水平井筒运移规律 为探讨煤粉在水平井筒中的运移规律．笔者通过 流体迁移规律研究装置进行模拟实验，实验方法详见 文献［19］。 笔者在前期研究中发现（19），当实验流量从O K以1 增加至4800 kg/h过程中，煤粉在井筒中的运移状态 呈现4个阶段煤粉无明显迁移、流体与煤粉界面 可见颗粒移动、煤粉明显迁移、煤粉大量悬浮迁 移，并且煤粉一水两相介质在水平井筒中的运移为层 流流动。 煤粉在井筒中的运移受到煤粉一水两相的比重、 浓度、粘度以及两相流动的流量、压差所影响。在 这些因素中，煤粉－Jj两相的比重、浓度和粘度都是 不可控制因素，而两相流的流量和压差可以通过排 采方案的调整进行控制。如果能够通过调整流量和 压差来控制煤粉产出就能够保证煤层气井的正常 排采。 3.2 煤粉运移模型的建立 将实验测得原始数据进行无因次化（表1），绘制 出无因次流量／压差一无因次压差关系曲线（图7）。在 流动初期，即无因次压差小于0.6时，曲线斜率逐 渐减小，无因次压差（P’）与无因次流量（Q’）呈非线性 关系一这是由于在启动初期，管道内煤粉颗粒的浓 度不稳定，整个管道的煤粉浓度逐渐增大，两相密 度也逐渐增大；当无因次压力增大到某个临界值时， 即大于0.6以后，曲线斜率逐渐成为定值，此时无 因次压力与无因次流量呈线性关系。煤粉一水两相流 表1无因；欠流量－压差数据表 Table 1 Dimensionless flow-pressure data 压差／Pa流量／（kgh- 1无因次压差（P’）无因次流量（Q’） 73.82 I 847 0.18 36.76 104.l I 846 0.26 36.73 200.7 I 833 0.49 36.46 310.5 2 123 0.76 42.25 422.6 2 427 1.03 48.30 489.1 2 846 1.20 56.63 556.2 3 090 l.36 61.49 250 200 “-150 气、。 50 。。 ， ρ’ AU ro nυ A- T AU 、r－ nu nυ nυ 1.2 1.4 1.6 图7无因次流量／压差－无因次月二差曲线 Fig.7 Dimensional flow/pressure-pressure curve ChaoXing 第3期曹立虎等煤层气水平井煤粉产出及运移特征 35 动的启动点定义为无因次压差与无因次流量由非线 性关系转变为线性关系的点，即图7中曲线段与直线 段的连接点。 考虑粘度、浓度、密度和管径等多因素的影响下， 建立煤粉运移模型，函数关系式如下 Q’ - Q －一 Dl2.5C 3 P’ p 4 ＇ρF4l 2.5C41 C 一_i_一一＝f P 5 Dl2.5C）、LρD-LI 2.5C I C’ 其中Q为液固的质量流量，kg/h；为液固流体粘度， Pas；ρ为液固流体密度，g/rnL;c为液固流体浓度， g/mL; D为煤粉颗粒直径，m。 根据物模试验结果和煤粉运移模型，可得出以下 几种关系 a.液固的质量流量Q随着压差PPa）的增大而 增大（其函数关系为Qf P）），增大到一定程度后趋 于平缓； b.液固的质量流量Q随液固流体粘度μ的增大 而减小，其函数关系为QfI/; c.被固的质量流量随着液固流体密度p的增大 而减小，其函数关系为Qfllρ）； d.液固的质量流量随着液固流体浓度C的增大 而减小，其函数关系为Q/1/C。 4结论 a.樊庄区块煤层气水平井排采受到煤粉的影响 较为严重。煤粉主要来源为钻井过程的钻具对煤层的 研磨和压裂过程的大排量携砂混合流体对人工裂缝 煤壁产生摩擦。排采速度过快会激动压裂支撑裂缝内 的煤粉或水平井井筒内的滞留钻屑（煤粉），使得煤粉 随被流流出。 b.煤粉在支撑裂缝中的运移，会堵塞孔隙，伤 害导流能力，伤害率从40增到90；排采速度越 大，出煤粉量越多，导流能力有增加的趋势；煤粉粒 径越大，出煤粉量越少，导流能力越大。 c.煤粉在水平井筒中运移可造成卡泵埋泵等事 故。煤粉一水两相运移模型表明，两相质量流量Q与 压差P成正比关系，与液固流体粘度μ、液固流体密 度ρ和液固流体浓度C成反比。通过控制压力、流 量和煤粉含量，可在排采初期实现煤粉的控制。 参考文献 川杨秀春，李明宅．煤层气tlr-采动态参数及其相互关系［J］.煤田 地质与勘探，2008.362 19-23 [2］刘升贵．煤粉浓度传感器开发［M］.北京．中同矿业大学，2010 [3］刘升贵，贺小黑，李惠芳．煤层气水平井煤粉产生机理及控制 措施［J］.辽宁士程技术大学学报．自然科学版，2011,304 508- 512. 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