煤層氣井煤粉顆粒表觀機械運移規律

黃坤

摘 ?要：煤層氣生產過程中，煤粉能夠通過井筒適量、高效排出對制定合理的排采制度，提高和穩定煤層氣產量具有重要意義。因此，充分認識煤粉在井筒內的運移規律尤為必要。關于煤粉顆粒在垂直井筒中運移規律的研究很少。為此，借鑒垂直井筒攜砂規律的研究方法，開展了煤粉顆粒運移規律的實驗研究，通過建立煤粉顆粒在垂直井筒中靜態沉降和動態運移的數學模型，得到了煤層氣井煤粉顆粒的表觀機械運移規律。

關鍵詞：煤層氣井井筒;煤粉顆粒;運移規律

煤層氣是一種重要的非常規資源，具有較高的經濟價值并且由于其清潔能源的屬性，煤層氣的開發越來越受到重視。我國煤層氣資源分布廣泛、儲量豐富，大力開發煤層氣，對于緩解我國能源緊張的局勢具有重要的作用。在制定煤層氣排采制度時，如果排采速度過高，煤儲層會因速敏效應產生大量煤粉，如果煤粉不能夠及時排采出，滯留在儲層、水平井筒和垂直井筒底部就會造成事故的產生。而排采速度在考慮生產效率的前提下，又不能過低。因此，結合儲層煤的性質、產出煤粉的情況以及井筒氣水攜煤粉能力制定出合理的煤層氣排采制度在煤層氣開發中具有至關重要的作用。

一、水平井筒煤粉運移機理

在煤層氣排采過程中，煤粉產出是不可避免的問題。隨著水平井技術越來越多的應用于煤層氣開采，對煤粉在水平井中的運移規律的認識變得愈加重要。煤粉在水平井筒內沉積，一方面會引起井筒壓降的增加，影響產量，嚴重的還會堵塞井筒;另一方面，煤粉沉積會加劇套管的腐蝕并且會損壞井下部件，最重要的是不能對煤粉的運移規律有清晰認識的話，煤粉的突然產出會造成煤粉在垂直井筒底部大量沉積，產生埋泵和卡泵的事故。煤粉在水平井筒內的運移屬于液固兩相流，其運移機理和動力學特性較為復雜：煤粉與液相、煤粉與氣相、煤粉與煤粉之間、煤粉與固壁以及氣相與液相的復雜相互作用難以用理論進行清晰準確的分析，同時氣相與液相相內也存在復雜的流動。

1、煤粉顆粒的運動形式。煤粉顆粒的運動形式可以分為接觸質、躍移質、層移質和懸移質。在接觸質、躍移質和層移質三種情況下，顆粒依舊與床層連續或短時間斷性接觸，故而三者又統稱為推移質運動，在實際氣液固三相流動中運動形式可以同時存在。

2、水平井筒煤粉運移流型。根據固體顆粒在圓管內的運動狀態和管內的固液配置形式可以將固液兩相流流型分為：分層流流型和分散流流型。當液體流速比較低時，顆粒床層表面顆粒以接觸質和躍移質方式向前運移，表層以下的顆粒床保持靜止，最上層是純液體層;隨著液體流速增加，最上層的純液體層中就會出現以懸移質形式運移的顆粒，此時最上層變為分散流動。因為在垂直方向上管內共出現三種不同的固液配置形式，因此均稱為三層分層流動。液體流速繼續增加，原先固定床層內的各顆粒也開始以不同的運動形式參與運移，固定床層消失，此時圓管內只存在移動床層和分散流動層，故而叫做兩層分層流動。當液體流速持續增加，原先移動床層中的固相顆粒會受到較強的紊動擴散作用，顆粒開始連續脫離床層直到移動床層消失，只剩下分散流動，此時即為分散流流型。

二、煤粉顆粒的表觀機械運移規律

1、球形顆粒的自由沉降末速。研究表明[1]，當流體中的顆粒粒徑大于 2 ～ 3 μm 時，將不會產生布朗運動，此時流體可視為連續介質。假設有一密度為 ρs、粒徑為 ds 的球形顆粒在密度為 ρl、黏度為 μ 的流體中作自由沉降運動，當球形顆粒僅受重力作用時，引起球形顆粒沉降的作用力為：

結合球形顆粒的實際沉降過程，可以簡化為其在經過短暫的加速運動后，做持續的勻速運動，此球形顆粒的沉降速度亦稱為自由沉降末速，即可得到自由沉降末速的計算公式為：

2、煤粉顆粒的沉降末速計算。結合煤粉顆粒靜態沉降實驗數據，可以計算出不同目數煤粉顆粒相應的雷諾數，雷諾數的計算結果表明： 對于20～ 100目的煤粉顆粒，其靜態沉降末速的計算應服從 Allen 定律; 而對于 100 目以上的煤粉顆粒，其靜態沉降末速的計算應服從 Stokes 定律。不同目數的煤粉顆粒在流體中的運動屬于不同的沉降區，不能應用統一的公式進行處理。根據煤粉顆粒的雷諾數，結合煤粉顆粒和實驗流體的物性參數，分別選用相應的自由沉降末速理論計算公式，可以計算得到不同目數煤粉顆粒的理論自由沉降末速，繼而繪制出不同目數煤粉顆粒實際沉降末速與理論自由沉降末速間的關系，結合不同沉降區的球形顆粒自由沉降末速理論計算公式，可以得到任意目數煤粉顆粒在靜置流體中的實際沉降末速，為研究煤粉顆粒動態運移規律提供基礎。

3、煤粉顆粒動態運移規律。根據煤粉顆粒的動態運移實驗數據，結合煤層氣開發現場實際，以排采現場主要應用的 英寸的油管為例計算煤層氣井的最小日排水量數據。見表。

在煤層氣井的排液降壓階段，為了保證 20目以上的所有目數煤粉顆粒均隨流體產出，煤層氣井的日排水量應該在 18. 2 m3 /d 以上。進一步分析實驗數據，可以得到煤粉顆粒的目數和流體最小攜帶速度與煤粉實際沉降末速比值間的關系，結合煤粉顆粒的沉降末速計算公式和煤層氣井的排采油管尺寸等參數，可以得到攜帶出不同目數煤粉顆粒所需最小日排水量，這對于煤層氣井的排采方案設計具有很好的指導作用。

結論

（ 1） 同一目數的煤粉顆粒，在靜置的流體中會出現分層現象，分層現象的嚴重程度與煤粉顆粒的目數有關，表明煤粉顆粒的物理特性存在著差異。

（ 2） 根據煤粉顆粒的目數范圍，應用上述成果可優化煤層氣井的排采方案。對于產水量較大的井，流體攜帶煤粉顆粒的能力很強，無需考慮井筒內煤粉顆粒的沉積問題; 而對于產水量較小的井，流體攜帶煤粉顆粒的能力與煤粉顆粒的粒徑、井筒內流體流速間的關系特別敏感，需要重點考慮煤粉顆粒沉積的問題，這對于煤層氣井的高效開發具有很好的指導作用。

參考文獻

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