排采制度對煤粉運移的影響原因淺析——以某區塊B1煤層氣井為例

原玉東 王星錦 杜 明 王小明

(1．中國地質大學資源學院，湖北 430074;2．加拿大英發能源有限公司，北京 100062)

1 引言

煤巖基質破裂和結構完整性的破壞是煤粉的主要來源。與常規砂巖儲層相比，煤的彈性模量低、泊松比高，在相同的外界條件下，結構更易破壞而產生煤粉，因此在煤層氣儲層的排采過程中經常會遇到由于煤粉運移、卡泵而停采的情況，極大地影響了煤層氣井排采的效果。煤儲層原生結構越差，這種情況就越嚴重。

研究區塊內B1煤層氣井開始排采7個月后，因卡泵停采，提泵后發現泵內被煤粉堵死，為分析排采制度對煤粉運移的影響提供了典型實例。本文的目的就是利用B1井的排采數據分析排采過程中煤粉的產生和運移特征，探討排采制度對煤粉運移的影響因素及機制。

2 B1井生產排采情況分析

B1井目標煤層頂板深度683m，厚約7m，含氣量約23m3/t，經清水+2%KCl壓裂后于2011年4月3日開始使用螺桿泵排采，未下井下壓力計，每天定時使用液位儀測定動液面深度。

排采初期井筒滿液面，至4月9日液面降至215m，平均日降約36m，之后液面降低速度為8～27m/d不等，產水量為5m3/d左右，伴有少量游離氣產出;4月21日液面降至305m時開始解析，臨界解析壓力為3.05MPa，產氣量75m3/d，之后液面降低速度4～15m/d，平均7m/d，50天后產氣量達到峰值284m3/d后很快下降，至6月19日液面降至煤層頂板 (6月29日因設備故障停泵后液面有所恢復)，從滿井筒至液面降低至煤層頂板，平均液面降低速度為9.75m/d;之后產氣量穩定在160m3/d左右至卡泵，產水量從最初的5.5m3/d逐漸下降至后來的0.6m3/d(圖1)。從整個排采過程來看，液面降低速度過快且不穩定，產氣量低，且達到峰值后很快降低。

圖1 B1煤層氣井生產排采曲線

3 煤粉運移原因分析

3.1 儲層粘土礦物影響

研究區受區域構造影響，構造煤發育，煤體結構疏松，極易遭到破壞 (圖2);對目標煤層煤進行XRD分析表明，粘土礦物含量高達18.1%，其中主要成分為高嶺石，高達92%，由于其與煤巖基質顆粒附著力差，是典型的易運移粘土礦物。這些因素增加了煤粉產生和傷害煤儲層的可能性，而排采速度過快和不穩定觸發了煤粉的運移而堵塞滲流通道，導致氣、水產量低，直至卡泵停產。

圖2 B1煤層氣井目標煤層煤芯照片

3.2 滲流速度

煤粉在煤巖孔隙系統和煤層流體中受到自身重力、煤粉之間和煤粉與孔隙壁間的范德華力、煤粉間雙電層排斥力以及流體流動時的水動力的綜合作用。在這個力學體系中，重力與范德華力維持煤粉在原處不動，雙電層排斥力和水動力促使煤粉發生運移。正反兩方面作用力的綜合結果決定了煤粉的運移能否發生。

在多孔介質中，細粒的攜帶和沉積存在一個臨界速度，當孔隙中流體速度低于臨界速度時，不發生細粒的運移;當超過臨界流速時，細粒由于受到流體擾動、平衡狀態被打破而開始運移，且運移速度隨流體速度線性增加。根據達西定理，地層流體向井筒徑向流動時的滲流速度與單位距離內的壓降成正比，井筒液面降低速度越快，井底流壓越低，造成單位距離內的壓降越大，滲流速度也越大，當滲流速度超過臨界速度后，煤粉運移速度隨排采速度的增大而線性增大;同時，滲流速度與離井筒的距離成反比，即越接近井筒，流體運移速度越快，從而攜帶更多的煤粉運移，最終導致煤粉在近井筒地帶的堆積和堵塞。

多孔介質中的流體在穩定流速狀態下，其攜帶的細粒物質濃度相對穩定，但當速度變化時，細粒濃度會出現劇增，即紊流使細粒受到的粘滯力增加，從而增加了對細粒的攜帶能力。這表明不穩定的排采制度、液面降低速度時高時低，將加劇煤粉的運移。

在B1井的排采過程中，由于沒有安裝井底壓力計，對降液面的速度無法控制，導致排采速度快且不穩定，降液面速度在4～36m/d之間變化，造成了煤粉的運移和對儲層的傷害。

3.3 孔隙變形和割理閉合

煤粉發生運移但若能從煤層排出至井筒，并不會導致滲透率的嚴重降低;若煤粉運移后被孔隙吼道或割理捕獲，將最終堵塞滲流通道。因此煤粉和孔隙直徑 (或割理寬度)的相對大小是這一過程的決定因素。若煤粉粒徑足夠小時不會發生堵塞;而當煤粉直徑大于基質孔喉直徑 (或割理寬度)，或多個小于孔喉直徑 (或割理寬度)的煤粉同時進入孔喉 (或割理)時，則會發生橋堵。

排采速度過快將會影響壓降漏斗向地層深部的有效傳播，只有井筒附近很小范圍內的煤層得到有效的排水降壓;李金海等等通過數值模擬認為在達到臨界解吸壓力之前液面下降速率以5～10m/d為最佳，以擴大壓降漏斗向儲層深部延伸。

由于B1井經過水力壓裂且排采速度過快，氣體解析之前液面降低速度達到8～30m/d，導致壓降漏斗擴散半徑有限，近井筒小范圍內煤層承受的有效應力急劇增加，一方面支撐劑的嵌入增加了煤粉的產生，另一方面由于應力敏感性，有效應力的增加使得孔隙結構變形和割理系統閉合，降低了孔喉直徑 (或割理寬度)對煤粉粒徑的有效比，造成了煤粉對滲流通道的堵塞;同時由于供氣面積有限，導致B1井達到峰值產量后產氣量迅速降低。

3.4 氣水兩相流

由于煤層氣解析后，氣水兩相流會降低水的有效滲透率，影響排水降壓的效果，因此在排水降壓階段，應控制降液面速度，盡可能在一段時間內使井底流壓保持在臨界解析壓力之上，從而相對延遲煤層氣的解析，維持水的有效滲透率，增加壓降漏斗的影響半徑，最終促進煤層氣的大面積解析。

B1井由于液面降低速度過快，不僅影響了壓降漏斗向深部地層的有效傳播，還導致煤層氣的過早解析，出現了氣水兩相流。一方面，煤層氣的解析會造成煤巖基質的收縮，收縮率可達0.5%，雖然這在一定程度上會增加裂隙的寬度和新裂隙的產生，但同時煤巖完整性的缺失會導致煤粉增加，有可能造成滲透率短暫上升后的再次降低;另一方面，流體從單向流轉變為雙相流時，會造成煤粉運移所需的臨界速度降低，即兩相流使煤粉更加易于運移，增加了滲流通道堵塞的可能性，進而又影響了泄壓半徑的擴展。可見，兩相流的過早出現會使壓降漏斗限制在近井筒附近，制約煤層氣的大面積有效解析。

4 結論

研究區內B1煤層氣井的排采實踐表明，過快且不穩定的排采制度導致了煤粉的運移和對滲流通道的堵塞，不利于煤層氣的大面積解析。

(1)疏松的煤體結構和高粘土礦物含量是煤粉產生的來源;

(2)井筒液面降低速度過快增加了煤層內單位距離上的壓差，使流體滲流速度超過煤粉運移的臨界速度;

(3)不穩定的排采制度產生的紊流增加了對煤粉的粘滯力和攜帶能力;

(4)近井筒小范圍內煤層承受的有效應力急劇增加，致使孔隙結構變形和割理閉合，同時產生更多的煤粉，導致滲流通道被煤粉堵塞;

(5)氣水兩相流的過早出現增加了煤粉運移的可能性，并進一步限制泄壓面積的擴展。

［1］Palmer I.，Technologies H.，Zissis M，etal.Coal Failure and Consequences for Coalbed Methane Wells［J］.SPE96872，2005，1－11.

［2］陳振宏，王一兵，孫平.煤粉產出對高煤階煤層氣井產能的影響及其控制［J］.煤炭學報，2009，34(2):229－232.

［3］晏海武.煤層氣井管內環空中煤粉排出條件的研究［D］.東營:中國石油大學，2010.