煤层气井煤粉产生机理探讨＊

王旱祥 兰文剑

（中国石油大学（华东）机电工程学院，山东省青岛市，266555）

煤层气井煤粉产生机理探讨＊

王旱祥 兰文剑

（中国石油大学（华东）机电工程学院，山东省青岛市，266555）

煤层气井在生产过程中经常发生煤粉堵塞产气通道、煤粉在井筒中淤积、煤粉卡泵等现象，渗透率的降低和频繁的检泵，严重影响了煤层气的整体开采效益。根据岩石力学的岩层破坏理论和地层出砂理论探讨了煤层气排采过程中煤层的破坏机理，分析了裂隙中煤粉的种类、产生机理及排采各阶段产出规律，并提出了一定的煤粉控制措施。

煤粉 剪切破坏 压实破坏 滑移破坏

煤层气井的排采是一个排水采气、连续降压的过程，在煤层气排采的初期，主要是通过排水来达到降低储层压力的目的。由于煤质具有较脆、胶结性差、易碎和易坍塌等特点，排采过程中的生产压差和流体作用，对煤层产生激励，造成煤层破坏产生煤粉。煤粉随着流体流动在裂隙中运移，容易沉降、堵塞煤层裂隙，降低渗透率，影响煤层整体降压；煤粉进入泵筒会对泵筒及柱塞造成磨损，影响泵效；煤粉在井筒中的淤积也会严重影响泵效甚至出现煤粉埋管柱、卡泵的问题。煤粉的产出会严重影响煤层气的整体开发效益，因此研究煤层气井煤粉产生机理对煤层气开发具有重要意义。

本文根据岩石力学中岩层破坏理论和地层出砂的原理，分析了煤层气排采过程中煤层的破坏机理，研究了裂隙中煤粉的种类、产生机理及排采各阶段产出规律。

1 煤粉种类

煤层产出煤粉按来源可以分为充填自由煤粉（自由煤粉）、骨架颗粒煤粉（骨架煤粉）和孔眼塑性区煤粉（塑性煤粉）。

煤层自由煤粉是充填于煤层裂隙中处于游离状态的煤粉，在裂隙中随流体运动而运移；煤层自由煤粉主要有几方面来源：煤层中无机矿物；受构造应力破碎而产生的煤粉。煤层中无机矿物是煤粉的重要来源，其中粘土矿物和黄铁矿等都是重要组成部分。

煤层骨架煤粉是煤粉颗粒从煤岩裂隙表面脱落和裂隙不断向前延伸过程中产生的。排采过程中的生产压差引起煤层有效应力增加，将导致煤岩基质破裂，产生大量煤粉；在压裂过程中，由于压裂液的高压高速突进和支撑剂注入过程中对裂缝的冲击，也会在裂缝表面产生煤粉。

煤层塑性煤粉的产出是由井底附近地带的煤层结构破坏所引起的。钻具的研磨和完井射孔作业是井底附近煤层结构破坏的主要原因。

总之，煤层产出煤粉是各种因素综合影响的结果，这些因素可以归结为两方面：即地质条件和排采条件，其中地质条件包括煤岩性质、应力状态和断层等，排采条件包括钻具研磨、压裂支撑剂打磨、固井质量、射孔质量、设计以及抽排制度、排采强度、停排后液面波动等。

2 煤粉产生机理

根据岩石力学和地层出砂理论，煤层气井煤岩破坏机理有剪切破坏、压实破坏和滑移破坏3种。

2.1 剪切破坏

剪切破坏是由生产压差过大或者井筒压力过低，射孔孔眼周围或井壁附近煤岩受应力过大所致。射孔作业常使煤岩发生不同程度的损坏，孔周围水泥环也受到松动，从射孔孔眼向外依次为颗粒破碎区、煤岩重塑区、塑性受损区和较小受损区（弹性区），其受力机理和变形分布情况如图1所示。

射孔孔眼周围或井壁附近煤岩受到的剪应力超过煤岩固有的抗剪切强度，造成煤层应力平衡失稳，形成剪切破坏。

2.2 压实破坏

压实破坏又称拉伸破坏，其主要原因是排采速度过快，煤层中存在生产压差的应力场，流体流动产生的压力脉冲降低煤层的剪切强度，煤粉迁移堵塞煤层孔隙介质，进一步降低煤层渗透率并增大压力差，使压应力变为拉伸，导致煤岩产生拉伸剥离，其受力机理和压实破坏情况如图2所示，图中σr为径向应力，σθ为环向应力，Q为颗粒表面上的拖拽力。

图2 煤层基质空隙壁的受力和拉伸破坏机理情况

2.3 滑移破坏

滑移破坏的主要原因是煤裂隙中的流体速度过快，流体与煤层颗粒的摩擦增大，流体作用在煤层颗粒表面上的拖拽力Q大于颗粒的附着力，在孔眼表面逐渐产生煤粉脱落现象，它是一种特殊形式的拉伸破坏，其受力机理如图3所示。

图3 滑移破坏机理

实际煤层中，3种破坏可能同时发生，相互影响，煤岩体积和强度的变化是三者同时作用的结果，受剪切破坏的煤层对地层液的拖拽力更加敏感。

3 各阶段煤粉的成因

在煤层气开采中煤粉的产生不可避免，从钻井、排采到关井或修井中都产生煤粉，而不同阶段煤粉的成因是不同的。在钻井过程中，钻具与煤层研磨，由于机械破坏作用产生煤粉。这部分煤粉一般产生于近井筒附近，颗粒直径变化较大，通常会随着早期排水过程排出井筒。下面主要介绍排采、关井、修井阶段中煤粉的形成。

3.1 排采阶段

在排采前期，煤层气井出煤粉主要是钻井、固井和射孔完井引起的煤岩破坏，剪切破坏占主导地位。这期间煤层气井产出的煤粉中，中、粗颗粒含量较大。

在排采中期，煤层气井出煤粉主要是压实破坏和滑移破坏，并且以细颗粒为主。随着煤层气井的排水降压，流体由煤层渗流至井筒，在流体流经煤层的过程中与煤层颗粒产生摩擦，流速越大，摩擦力越大，施加在煤岩颗粒表面的拖拽力越大，即煤岩颗粒前后的压力梯度越大。在井筒周围压力梯度及流体的摩擦携带作用下，煤岩承受拉伸应力。当此力超过煤岩抗拉强度时，煤岩发生拉伸剥离破坏，如图4所示。图中P为孔隙压力，dP为孔隙之间的压差。排采强度越大，煤岩破坏程度越大，出煤粉量越多。所以稳定的降压，有利于保护煤储层，减少出煤粉量。

图4 煤岩破坏微观模型示意图

3.2 关井阶段

当煤层气井生产满足不了经济开采时，采用阶段关井恢复产量。在关井初期一段时间内仍有地层水流入井筒，压缩井筒空间使得井底压力逐渐增加，直至与地层压力达到平衡。这时煤层完全浸泡在地层水中，并且会出现井筒积液倒灌现象。随着煤的湿度的增加，煤岩吸水后引起黏土矿物水化膨胀和无机盐溶解，裂缝间的胶结破坏，导致煤岩强度下将，当有微小的压力波动或再次开井生产排水降压有压差和流体流动时，煤岩就发生破坏，形成煤粉。

3.3 修井阶段

在修井过程中，出于安全考虑，各井都会在起下管柱前，进行放压处理，即敞开井口，不控制套压放气，这就造成了井底流压降低，生产压差增大，压实破坏严重，煤岩产生拉伸剥离；同时，放喷的瞬间地层液流速很大，对煤层骨架的拖拽力也很大，以至于大于煤层骨架的抗拉强度，使煤层遭到破坏，形成煤粉。

在修井的过程中由于起下井内管柱，会有一定程度的压力波动，这也会打破修井前井筒附近建立的平稳状态，使得本来已被地层水浸泡的强度降低的煤层在地层液流动的作用下更容易被破坏，产生煤粉。

综上所述，无论在排采中还是在关井、修井中，煤岩的破坏可以归结为由于地层水流动速度或者煤层压力差过大，煤层骨架的拖拽力超过了煤岩的抗拉强度而导致煤岩的破坏，形成煤粉。

4 煤粉控制措施

（1）排采前：采用低压钻井工艺，使煤层处于受低压的解放状态，有效地降低压差，减少钻井液中有害物质侵入煤层的机会；钻井、压裂射孔施工尽量避开较软较脆的煤层；合理优化压裂设计，调整施工参数，选用圆度高的支撑剂，减少施工过程中压裂支撑剂打磨引起的煤粉产生。

（2）排采中：尽量减少停抽次数和时间，从而减少煤粉在裂隙中沉积堵塞水和气的运移通道，降低渗透率；在泵的吸入口接防砂尾管，减少粗大颗粒的煤粉进入泵中造成卡泵事故的发生；油套环空注水，稀释煤粉浓度；根据排液量和煤粉浓度，选择合理的泵型；采用连续、缓慢、稳定排采的工作制度，减少排采对煤层破坏及煤粉在裂隙中的沉降。

5 结论

（1）根据岩石力学中岩层破坏理论和地层出砂的原理，提出煤层气井煤粉产生机理有：剪切破坏、压实破坏和滑移破坏3种。

（2）排采前期，由于钻井、固井、射孔等对煤岩造成很大破坏，要严格控制煤粉的产生。

（3）通过对煤层气井各阶段煤粉成因的研究可得，煤粉的产出与煤层压力差或抽排速度有重要关系。要想控制排采过程中出煤粉量，减少煤粉对开采的破坏，必须对抽排速度或者动液面高度进行合理优化选择。

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Discussion on formation mechanism of coal powder in coalbed methane well

Wang Hanxiang，Lan Wenjian
（College of Mechanical and Electronic Engineering，China University of Petroleum（Huadong），Qingdao，Shandong 266555，China）

During the production of coalbed methane（CBM）well，the following phenomena often occurs，such as coal powder blocking in the gas channels and depositing in well bore，and stuck pump.The decrease of permeability and the frequent pump inspection seriously influenced the whole mining benefit of CBM.According to the stratum damage theory of rock mechanics and the sand－formation mechanism，the variety of coal powders in fracture，their forming mechanism and the forming rule in the different stages of CBM discharge were analyzed.Some measures were put forward，providing a theoretical basis for the prediction and prevention of coal powder＇s formation，as well as the pump optimization.So the operating life of the pump could be improved and the cycle of pump inspection could be prolonged，ensuring continuous，stable and long－period CBM discharge，reducing the maintenance times and enhancing CBM recovery ratio and the economic benefits.

coal powder，shear failure，compaction failure，slip failure

TD712.63

A

国家科技重大专项项目（2011ZX05038）；山东省自然科学基金项目（2012ZRE28039）

王旱祥（1967－），男，浙江绍兴人，博士，教授，主要研究方向为石油钻采设备与工艺技术。

（责任编辑 梁子荣）