煤層氣井煤粉產(chǎn)出機(jī)理和控制措施

陸希希，郭 越

（東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，大慶 163000）

煤層氣井煤粉產(chǎn)出機(jī)理和控制措施

陸希希，郭 越

（東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，大慶 163000）

煤粉堵塞井筒和煤粉卡泵、埋泵嚴(yán)重影響煤層氣井的正常開發(fā)，合理控制煤粉的產(chǎn)出和排出是煤層氣井持續(xù)高效開發(fā)、保持穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。基于巖石力學(xué)和地層出煤粉理論，總結(jié)了煤粉產(chǎn)出機(jī)理分為剪切破壞、拉伸破壞和滑移破壞。結(jié)合不同工程階段，分別提出了相應(yīng)的煤粉控制措施，主要分為兩個方面：從源頭上盡量減少煤粉的產(chǎn)生；通過調(diào)整排采制度、優(yōu)選排采工藝和精選排采設(shè)備等措施盡可能把產(chǎn)生的煤粉排出。

煤粉；產(chǎn)出機(jī)理；控制措施

隨著國家對非常規(guī)能源煤層氣的重視，在煤層氣開發(fā)利用“十三五”規(guī)劃中，為了鼓勵煤層氣的開發(fā)利用，補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)從0.2元/m3提高到0.3元/m3。煤層氣的開采是一個排水降壓解析吸附的復(fù)雜過程，與常規(guī)能源的開采有所區(qū)別。煤層氣開采過程中，煤粉的產(chǎn)生和未及時排出，造成井筒流道過流面積減小，流體攜煤粉能力減弱，煤粉沉積堵塞井筒，甚至造成煤粉卡泵和埋泵事故發(fā)生。為了降低煤粉大量產(chǎn)出和未及時排出帶來的危害，研究煤粉產(chǎn)出機(jī)理，有利于因地制宜的采取控制煤粉措施。

1 煤粉產(chǎn)出機(jī)理

根據(jù)巖石力學(xué)理論，煤層氣井煤粉產(chǎn)出機(jī)理[1]有剪切破壞、拉伸破壞和滑移破壞3種。

1.1 剪切破壞

剪切破壞是由于生產(chǎn)壓差過大或者井筒壓力過低，射孔孔眼周圍或井壁附近煤巖所受應(yīng)力大于煤巖骨架的剪切強(qiáng)度，導(dǎo)致煤層應(yīng)力平衡失穩(wěn)。射孔作業(yè)會使煤巖發(fā)生不同程度損壞，導(dǎo)致孔眼周圍水泥環(huán)受到松動。

1.2 拉伸破壞

拉伸破壞主要原因是排采速度過快，煤層中存在生產(chǎn)壓差的應(yīng)力場，流體流動產(chǎn)生的壓力脈沖降低煤層的剪切強(qiáng)度，流體與煤層之間形成摩擦力和煤巖顆粒表面的壓力梯度力，在兩者的共同作用下，當(dāng)煤層基質(zhì)空隙壁受到的拉伸應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度時，煤粉從煤巖上剝落。

1.3 滑移破壞

滑移破壞形成主要原因是在滲流過程中，氣水兩相與煤層發(fā)生摩擦，當(dāng)流體速度加快，流體與煤層顆粒摩擦力變大，作用在煤層顆粒表面上的拖拽力增大。當(dāng)拖曳力大于煤粉顆粒附著力時，孔眼表面煤粉逐漸脫落。

2 煤粉控制措施

2.1 鉆井階段

為減少水平井眼煤粉殘留，提前做好井眼凈化工作，需要做到以下4點(diǎn)：增加鉆進(jìn)排量，提高鉆井液速度，從而加大攜帶能力；使用偏心PDC鉆頭，加大環(huán)空距離；合理控制鉆頭速度，降低井眼坍塌風(fēng)險；適當(dāng)延長循環(huán)時間，增加返砂量。

遵循“鉆進(jìn)一米，起出兩米，充分劃眼”的原則，推薦采用低鉆壓和低轉(zhuǎn)速鉆井工藝，采取欠平衡或者近平衡鉆井方法，同時盡量避開軟煤層鉆井。

2.2 完井階段

（1）優(yōu)化壓裂施工方案、調(diào)整施工參數(shù)[2]，選用圓度高的支撐劑，減少施工過程中壓裂支撐劑打磨引起的煤粉產(chǎn)生。

（2）采用PE管和玻璃鋼管對煤層氣U型井完井后，實(shí)施水力噴射作業(yè)清洗沉積在井筒和油套環(huán)空的煤粉。

（3）煤層壓裂后，盡快返排，避免煤粉在裂縫殘留，降低裂縫導(dǎo)流能力。

2.3 排采階段

排采壓差越大，煤粉從煤巖脫落越容易，煤粉產(chǎn)生量越大。因此排采壓降遵循“連續(xù)、穩(wěn)定、緩慢”原則，避免壓力和排采速度波動太大，有利于減少煤粉產(chǎn)出。

（1）優(yōu)選泵型，提高泵效，盡量減少排采泵的抽停時間和次數(shù)，有效避免煤粉在裂縫中沉積，保證氣水兩相通道暢通。

（2）選擇攜煤粉能力強(qiáng)的螺桿泵，合理調(diào)節(jié)泵的沖程和沖次，提高泵入口排量，可減緩煤粉沉積。

（3）為了防止大顆粒煤粉進(jìn)入泵筒，造成卡泵和埋泵，可在螺桿泵吸入口接防砂尾管，同時在油套環(huán)空處注水稀釋煤粉可以有效預(yù)防卡泵發(fā)生，延長檢泵周期。

（4）大顆粒煤粉容易沉降在井底和粘附在井筒壁面，這將導(dǎo)致井筒有效過流面積減少，氣水兩相攜煤粉效果變差。為了解決井筒中攜帶大顆粒煤粉問題，在排采液中加入分散劑可以把大顆粒煤粉分散成小顆粒煤粉，這樣更容易由井筒被攜帶至井口。

（5）在產(chǎn)氣階段保持合理套壓，避免煤層壓力波動引發(fā)煤層坍塌。

2.4 關(guān)井和修井階段

煤層氣井產(chǎn)氣量和產(chǎn)水量較低，采取關(guān)井生產(chǎn)制度。在此期間，地層水不斷流向井筒，水量增加，煤層氣不斷富集，壓力增加。基于入射口沖淤理論，結(jié)合排采泵間抽時間、煤粉沉積時間、煤粉濃度三者的關(guān)系，在產(chǎn)水量較低工況下，采取排采泵間隔一段時間排水?dāng)y煤粉的作業(yè)制度。

總體來說，煤粉的控制需要綜合多方面因素，煤粉產(chǎn)生前，從煤粉成因來說，控制煤粉產(chǎn)出，主要從地質(zhì)內(nèi)因和工程外因兩方面，盡可能減少煤粉的產(chǎn)生；煤粉產(chǎn)生后，需要通過調(diào)整排采制度、優(yōu)選排采工藝和精選排采設(shè)備等措施減少煤粉的沉積，防止由于煤粉的產(chǎn)生造成煤層氣井不連續(xù)生產(chǎn)，增加煤層氣開采成本。

3 結(jié)論與建議

1）根據(jù)煤巖受力分析，得到煤粉產(chǎn)出機(jī)理分為三種，分別是剪切破壞、拉伸破壞和滑移破壞。

2）針對不同階段提出了相對應(yīng)的控制煤粉措施，目前控制煤粉措施和方法大多數(shù)基于防煤粉理論，減少煤粉進(jìn)入井底和排采泵；可以借助油田適度攜砂經(jīng)驗(yàn)，打破以防煤粉為主的想法，開展基于攜煤粉理論研究，充分利用井筒內(nèi)流體攜煤粉的能力。

[1] 王慶偉.沁南潘莊區(qū)塊煤粉產(chǎn)出機(jī)理與控制因素研究[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)，2013.

[2] 王戰(zhàn)鋒，許耀波.構(gòu)造煤儲層煤粉產(chǎn)出機(jī)理及防治對策[J].中國煤層氣，2013，（5）：20-22.

Coal Production Mechanism and Control Measures of Coalbed Methane Wells

Lu Xi-xi，Guo Yue

The blockage of pulverized coal and pulverized coal injection pump and buried pump seriously affect the normal development of coalbed methane wells，and the reasonable control of the output and discharge of pulverized coal is the key to the sustainable and efficient development of CBM wells.Based on the theory of rock mechanics and coal production，the mechanism of pulverized coal production is divided into shear failure，tensile failure and sliding failure.The combination of different engineering stages，puts forward corresponding control measures of coal，mainly divided into two aspects：reducing coal generated from the source；by adjusting the drainage system，drainage process optimization and selection of production equipment and other measures as close as possible to the discharge of pulverized coal.

pulverized coal；output mechanism；control measure

P618.11

B

1003–6490（2017）05–0182–02

2017–04–15

陸希希（1992—），男，湖北孝感人，研究生在讀，主要研究方向?yàn)榫捕嘞嗔鳌?/p>