煤層氣井排采過程中產粉特征及防治措施

張世春，仇澤強，宋永強，楊云成

(1.陜西省煤層氣開發利用有限公司,陜西 西安 710065; 2.陜西省煤層氣工程技術研究中心,陜西 西安 710068)

國內煤層氣開發實踐表明，煤粉是影響煤層氣井能否長期、持續、穩定高產的主要因素之一。煤層氣井排采過程中大量的煤粉產出容易造成井筒堵塞、卡泵現象，嚴重時會造成氣井報廢[1]。另外，由于煤儲層的特殊性，煤層氣井的排采需要遵循持續、緩慢、穩定的原則，而煤粉造成卡泵、井筒堵塞后需要頻繁修井，破壞了煤層氣井排采的連續性，造成煤儲層不可逆的傷害，致使煤層氣井不能高效穩定的生產[2-4]。因此，深入研究煤層氣井煤粉產出規律和產出機理，進而針對不同的煤粉產出機制研究針對性強、高效可靠的防治措施，是實現煤層氣井可持續排采的迫切需要。針對大佛寺井田不同井型煤層氣井排采進行排采特征分析，總結煤粉產出的規律及特征，對不同生產階段的排采制度進行優化，實現更合理高效的煤層氣井排采。

1 各生產階段產粉特征

1.1 排水階段產粉特征

大佛寺井田29口煤層氣井，排水階段煤粉產出較少，20口水平井中煤粉產出的有3口，其產出水呈灰色，含有少量煤粉，而9口直井排水階段基本未有煤粉產出。就水平井而言，排水階段的井底流壓與產水量之間具有一定正相關關系，反映出儲層供液能力存在差異。但就整體而言，水平井和直井的產粉情況非常輕微，主要原因為排水階段為單一液相流。結合現場煤層氣井排采特征可知，單一液相流對煤粉的啟動、運移能力最弱，而該區煤層氣井排采階段的平均產水量一般都小于 60 m3/d，并沒有達到能夠啟動和運移煤粉所需的流量，所以在排水階段，氣井基本不產出煤粉。

1.2 產氣初期產粉特征

產氣初期指煤層氣井通過排水降壓，使儲層中吸附的煤層氣開始解吸，產生一定套壓，繼而逐漸放產，產氣量快速上升至較為穩定數值的過程，包括憋壓和放產兩個階段。該階段接近半數的煤層氣井開始產出大量煤粉，產出水也由之前的清水變為灰水、灰黑水，含煤粉較多，嚴重的會導致煤粉卡泵，需要修井。氣液兩相流比單一液相流的攜粉運移能力顯著增強，而產氣初期，隨著煤層氣開始解吸進入井筒運移，井筒中原先的單一液相流轉變為氣液兩相流，其啟動和運移煤粉的能力大大增強，殘留在井筒中的煤粉開始隨著氣液流運移，并且隨著解吸的煤層氣量增大，氣液兩相流的攜粉運移能力越來越強，更多的煤粉被啟動和運移[5]。

通過分析該階段氣井產粉情況與各生產參數之間的關系發現，煤粉產出較為嚴重的氣井，其產水量和產氣量均相對較低，產水量一般低于 30 m3/d，產氣量低于 1000 m3/d，套壓低于 0.2 MPa，井底流壓低于 0.5 MPa。這說明，該階段由于氣相的逐漸加入，對井筒中的流態和流型干擾十分嚴重，而部分氣井由于沒有進行適當的憋壓，放產過快，造成大量煤粉被啟動和運移，最終導致卡泵，產液能力減弱，以致需要修井。另外，該階段部分氣井排采強度過大，井底流壓過低，井筒壓差過大，加劇了煤粉的大量產出。

1.3 穩定產氣階段產粉特征

煤層氣井經過放產階段產氣量逐漸上升至較為穩定水平，產氣量、產水量、井底流壓、套壓等參數維持相對穩定，是煤層氣井的長期、主要生產階段。該階段儲層裂隙和井筒中的氣液兩相流較為穩定，產氣量較高，產水量較低，氣水流量比較大，攜粉運移能力強，此時如果井筒仍有殘余煤粉，也會隨著氣水流一起產出。另外，煤儲層孔隙和裂隙表面的煤粉顆粒在氣水流的快速流動影響下，從煤表面脫落，進入孔裂隙隨氣水一同運移。統計排采井數據結果表明，穩定產氣階段，多數煤層氣井產出水中含有不同程度的煤粉，呈灰黑色，且水平井產粉情況更為嚴重。產粉嚴重的氣井，其一般產氣量大、產水量低，氣水流量比越大，攜粉運移能力越強。此外，氣體的快速流動極容易將煤儲層表面的煤粉顆粒剝離運移產出。

2 排采過程中煤粉防治措施

煤層氣開發需要經歷“排水-降壓-解吸-運移”等過程，各過程中煤層氣井筒中的多相流特征存在顯著差異，為達到有效控制煤粉產出和防止發生卡泵問題的目的，需要根據煤層氣井的生產特點分階段制定相應的排采工作制度。

2.1 排水降壓階段煤粉防治措施

煤層氣排采初期，在壓裂完成后一段時間內，煤層氣尚未解吸，這時水平井井筒中只有地層水和煤粉顆粒，煤粉顆粒與水一起在井筒中做液固兩相流動。排水降壓階段煤儲層和井筒內主要為液固兩相流，相對容易控制，該階段的主要目的是快速、有效排出鉆井及壓裂等工程形成的殘留煤粉。

對于水平井而言，其排水降壓階段的產水量應大于煤粉啟動運移的最小啟動流量。根據鉆屑煤粉的粒度分析結果，其主要煤粉粒徑以20～80目(0.216～0.894 mm)和80～150(0.108～0.216 mm)目為主，以20～80目鉆屑煤粉層移狀態啟動流量 900 L/h 折算后，排水階段的產水量應達到 65 m3/d 左右，才能保證大部分的鉆屑煤粉能夠被有效排出地面，保持此產水量水平至見套壓為止。對于直井而言，主要考慮鉆屑及壓裂造成的煤粉返排，避免其沉降在井筒中致使卡泵。根據撈粉粒度分析結果，其主要集中在80～150目及大于150目的粒徑范圍，80～150目沉降末速度最小，達 0.45 m/s，井筒中水流速度必須大于此速度，才能有效防止煤粉沉降，折算后直井排水階段的產水量應大于 21.6 m3/d，維持此產水量直到見套壓為止。并且無論是直井還是水平井，排采過程中都需保持連續和相對穩定，避免排采間斷導致煤粉沉降。

2.2 產氣初期煤粉防治措施

煤儲層經過排水降壓到臨界解吸壓力之下時，煤層氣開始解吸，這時煤粉顆粒與煤層氣、地層水三相在地層中發生氣液固三相流動。氣液固三相流情況下，煤粉擾動明顯，攜帶煤粉運移能力明顯強于液固兩相流。結合實際地層、工程參數，可通過調整產水量控制壓差，調整流型以控制煤粉攜出效果，最終實現煤粉的適度產出。在見套壓后的憋壓排采階段，由于氣相的加入，對煤粉擾動明顯，大佛寺井田多數煤層氣井在該階段都出現不同程度的產粉情況，為了減小氣相加入對煤粉的擾動，應重點管控套壓的增長與井底流壓的突變[6]。因此，在見套壓初期應立即調整排采工作制度，降低產水量和液面下降速度，實現平穩過渡。水平井產水量應逐步降低，以控制井底流壓降幅和套壓增幅為標準，井底流壓降幅不超過 0.004 MPa/d，套壓增幅不超過 0.01 MPa/d。

當套壓逐步上升至逐步放產階段，產氣量逐步上升，煤儲層解吸范圍和解吸氣量逐步增大，該階段煤粉產出情況較憋壓段有增大的趨勢[7]。針對產出煤粉較多的井，該階段可以進行洗井作業。另外，套壓變化較大，產氣量極不穩定，時斷時續。該階段為三相流，煤層容易受到激動，產出煤粉。如果排采控制不好，液面容易發生劇烈波動，從而影響井底流壓變化，進而導致生產壓差產生變化，最終產生兩方面的負面效果：其一為煤層受到激動導致煤層割理和裂隙發生閉合；其二為生產壓差劇變容易引起壓裂砂的返吐[3]。所以，見套壓后放產時，緩慢調節針型閥至流量表顯示出最小流量值。放產過程可控制井底流壓降幅在0.002～0.003 MPa/d。當套壓趨于穩定后，日產氣量逐步平穩上升，同時日產水量逐步下降，控制增產速度在50～100 m3/d。

2.3 穩定產氣階段煤粉防治措施

當放產階段后產氣量逐漸趨于平穩，煤層孔隙和喉道中主要以氣相流為主，各項參數穩定，煤層解吸面積逐漸擴大，此時應減小產水量，維持相對穩定的井底壓力和套壓，建議控制井底壓力0.2～0.4 MPa 范圍內，并將此時的產氣量作為穩定產氣量，保持穩定排采[8]。另外，氣相流相對于液相流具有更強的攜粉運移能力，需要防止產氣量過大而導致氣體流速太大，沖刷煤層孔隙表面的煤粉顆粒導致脫落堵住孔隙，出現產氣量和產水量均減小的不利狀態[9]。

3 結論

1)產氣初期階段由于氣相的逐漸加入，對井筒中的流態和流型干擾十分嚴重，而部分氣井由于沒有進行適當的憋壓，放產過快，造成大量煤粉被啟動和運移，最終導致卡泵，產液能力減弱。

2)部分氣井排采強度過大，井底流壓過低，井筒壓差過大，也同樣加劇了煤粉的大量產出。穩產階段由于氣水流量比越大，氣體的快速流動越容易將煤儲層表面的煤粉顆粒剝離運移產出。

3)煤粉在井筒中的運移受到煤粉的粒徑、形狀系數、比重、濃度、黏度，以及兩相流動的流量、壓差所影響，其中煤粉的粒徑、形狀系數、比重等都是不可控制因素，而兩相流的流量、壓差可以通過排采方案的調整進行控制。如果能夠通過合理調整流量和壓差來控制煤粉產出，就能夠保證煤層氣井的正常排采。