煤粉在支撑裂缝中的运移与沉积规律

刘 岩,张遂安,曹立虎,孟尚志,张天林

(1.中国石油大学(北京)气体能源开发与利用教育部工程研究中心,北京 102249;2.中联煤层气有限责任公司,北京 100011;3.大港油田石油工程研究院,天津 300280)

煤粉在支撑裂缝中的运移与沉积规律

刘 岩1,张遂安1,曹立虎1,孟尚志2,张天林3

(1.中国石油大学(北京)气体能源开发与利用教育部工程研究中心,北京 102249;2.中联煤层气有限责任公司,北京 100011;3.大港油田石油工程研究院,天津 300280)

针对煤储层压裂过程中易产生大量煤粉问题,应用LD-1A导流能力测试系统进行了支撑裂缝中不同流速、不同煤粉含量的流体流动物模实验,分析了流体在变流速、恒流速和间断流动下,煤粉在支撑剂充填层中的运移、沉积及产出规律。实验表明:煤粉运移具有一定的临界流速,不同条件下,临界流速差别较大,在20～40目石英砂支撑裂缝中,过60目煤粉临界流速可达5.20 cm/ min,而过140目煤粉临界流速为2.01 cm/min;流体流速、支撑剂粒径、煤粉粒径、煤粉含量、排采制度等多重因素共同控制煤粉产出量;煤粉容易沉积在支撑裂缝中堵塞支撑剂构建的孔隙,对支撑裂缝导流能力的伤害严重。压裂后有效排出煤粉,可减小堵塞伤害;排采过程中控制流体流速,有利于减少煤粉运移及产出。

煤粉;支撑裂缝;运移;沉积;煤粉产出量

Key words:coal powder;proppant fracture;migration;deposition;coal powder output

煤是一种抗压和抗拉强度较低的脆弱介质,弹性模量小,泊松比高,硬度低。在煤层气井压裂过程中,易产生大量煤粉[1-4]。煤粉进入支撑裂缝与支撑剂混合,压裂施工后大量煤粉会滞留在支撑裂缝中,堵塞支撑剂间孔隙,伤害支撑裂缝的导流能力[5]。在煤层气井排采过程中,少量煤粉会随流体介质的流动而运移,从而有煤粉的产出。煤粉产出易造成卡泵、埋泵、缩短检泵周期,影响煤层气井的正常生产[6-8]。沁水盆地南部及鄂尔多斯盆地东缘众多煤层气井排采实践表明,在煤层气井排采各阶段均存在煤粉产出现象,且煤粉粒度随排采生产的进行具有逐渐变小的规律[9-12]。许多学者研究了煤储层裂缝及井筒中煤粉的运移沉积规律,但对压裂支撑裂缝中煤粉的运移沉积和产出控制问题研究较少。笔者通过室内实验,模拟了不同工作制度下煤粉在支撑裂缝中的运移和沉积规律,研究了煤层气井排采过程中的煤粉产出控制问题,对煤层气井的高效生产具有重大指导意义。

1 实验条件与方案

1.1 实验设备

实验设备为LD-1A导流能力测试仪。该仪器按API标准设计,可模拟地层条件下的支撑裂缝导流能力。实物如图1所示,实验核心部件导流室如图2所示。流体由右端注入,左端流出,可收集从导流室排出的流体和煤粉。加压装置用来模拟地应力条件,采用计算机自动控制系统进行实验[13-14]。

图1 LD-1A导流能力测试系统Fig.1 LD-1A proppant conductivity testing system

1.2 实验材料及条件

实验材料包括石英砂、煤粉、蒸馏水、钢板、烧杯、量筒、滤纸、烘箱、天平等。实验温度为25℃,闭合压力为10 MPa,铺砂浓度为7.5 kg/m2(定值),测试流体为蒸馏水。支撑剂选用了现场常用的20～40目和16～20目石英砂;根据支撑剂粒径选取4种粒径的煤粉,分别是粒径小于0.250 mm(过60目)筛析的煤粉、粒径小于0.183 mm(过80目)筛析的煤粉、粒径小于0.150 mm(过100目)筛析的煤粉和粒径小于0.106 mm(过140目)筛析的煤粉;实验选用了2种煤粉,其含量分别为1%和3%(煤粉含量是煤粉占支撑剂和煤粉混合物的质量百分比)。

图2 导流室实物Fig.2 The physical photo of proppant conductivity ventricle

1.3 实验方法

支撑剂和煤粉均匀混合,用钢板模拟裂缝缝壁,支撑剂和煤粉混合后充填模拟裂缝,图3为导流室铺置支撑剂和煤粉混合物后的图片。模拟煤层气井水力压裂后支撑裂缝流体及煤粉的流动。不同的支撑剂,在不同的煤粉粒径、煤粉含量、注入流速条件下进行对比实验,模拟和研究煤粉在支撑裂缝中的运移和沉积规律。

图3 导流室铺置支撑剂和煤粉混合物的照片(实验前)Fig.3 The pavage of proppant and coal powder in proppant conductivity ventricle(pre-experiment)

首先,模拟不同流速和不同粒径煤粉等条件下煤粉运动情况,确定煤粉在支撑剂中发生明显运移时的临界流速;注入流速由小到大,模拟现场煤层气井排采速度逐渐增大的情况;以恒定的流速注入水,模拟现场煤层气井排采速度不变的情况;以一定的流速注入一段时间水后,停泵一段时间,再以同样的流速注入水,模拟现场不连续排采的情况。实验过程中测量压差、缝宽,实验后收集排出的水和煤粉,过滤,烘干,称量产出的煤粉量。

2 运移规律实验结果及分析

2.1 临界流速

实验过程中,流体流速由小到大逐渐变化,测量了每个流速下的缝宽、压差、煤粉产出量。实验发现流速增大到一定量时,较多的煤粉堵塞了支撑剂窄口,压差突然增大,煤粉产出量增多较大,此时说明煤粉发生了明显的运移,此流速被确定为该条件下的临界流速。临界流速反映了一定量的煤粉发生明显运移时的最小流速。实验确定的临界流速见表1。

表1 不同情况下的临界流速Table 1 The critical velocity under different conditions

由表1可知,支撑剂粒径越大,如本实验用的16～20目石英砂,煤粉在支撑剂中越容易运移,临界流速很小。当支撑剂粒径较小,如本实验用的20～40目石英砂,煤粉粒径越大,煤粉运移的临界流速越大;煤粉含量越大,煤粉运移的临界流速越小。

2.2 流速与煤粉产出量的关系

2.2.1 变流速下流速与累计出煤粉量的关系

变流速实验支撑剂选用的是20～40目石英砂,煤粉质量分数为3%,注入到支撑裂缝中的流体流速由小增大,每个流速下注入30 mL水,收集并计量出煤粉量,称重。此实验试图模拟变排量条件下的煤层气井排采过程中煤粉的产出情况,结果如图4所示。

图4 变流速与累计出煤粉量的关系Fig.4 The relationship of total coal powder output and changing flow velocity

由图4可以看出,随着流速的增大,流体的携带能力逐渐增强,煤粉被大量带出,出口端累计出煤粉量逐渐增多。但煤粉粒径不同,产出煤粉量差异较大,产出煤粉量的增幅差异也较大。同时,实验过程中产出煤粉的粒径有逐渐减小的趋势,支撑剂中煤粉粒径越大,产出煤粉量越少,产出煤粉量的增幅越小。这是由于有较大粒径煤粉存在时,大粒径煤粉对支撑剂孔隙堵塞严重,流体携带煤粉运移困难,煤粉大量滞留在支撑裂缝中,产出煤粉量较少。

2.2.2 恒流速下流速与累计出煤粉量的关系

恒定流速实验支撑剂选用20～40目石英砂,实验以一恒定流速向支撑裂缝中注水,共注入200 mL水,收集出口煤粉量,并称重,图5表示各流速下,恒流速与出煤粉量的关系。本实验试图通过恒定流速实验模拟连续、稳定、工作制度不变条件下的煤层气井排采过程中煤粉的产出情况。

图5 恒流速与出煤粉量的关系Fig.5 The relationship of constant flow velocity and total coal powder output

由图5可以看出,不同流速下出煤粉量呈有规律的变化,这与煤粉在支撑剂中的运移和堵塞有关。液体流速较小(实验流速在1 cm/min左右)时,只有粒径非常微小的煤粉可发生运移,并且在支撑剂中难以堵塞孔隙,微小粒径煤粉被液体携带出支撑裂缝,从而形成该阶段该流速情况下产出较多的微小粒径煤粉。当液体流速适中(实验流速在2 cm/min左右)时,达到明显运移的临界流速,微小粒径煤粉和较大粒径煤粉发生运移,较大粒径煤粉堵塞孔隙,从而阻碍煤粉的运移,微小粒径煤粉和较大粒径煤粉都难以被携带出支撑剂,煤粉产出量较少。流速较大时,有部分处于堵塞状态的煤粉被大流速的流体冲刷而发生运移,产出煤粉量增大。由此可见,实际生产过程中,可以通过合理控制排采速度来控制煤粉产出量。2.2.3 间断流下流速与累计出煤粉量的关系

间断流动实验支撑剂选用20～40目石英砂,采用过140目煤粉,煤粉质量分数为3%。首先以恒定流速注水50 mL,停泵20 min,再以同样的流速注水50 mL,再停泵20 min,再以同样的流速注入100 mL后,收集各流速下累计出煤粉量并称重,结果如图6所示。本实验试图模拟煤层气井排采过程中间歇排采对煤粉产出的影响。

图6 间断流速下累计出煤粉量与流速的关系Fig.6 The relationship of total coal powder output and flow velocity under discontinuous flow

从图6可看出,液体流速较小时,出煤粉量较多;流速中等(本实验流速在2 cm/min左右)时,出煤粉量最少;流速较大时,出煤粉量较多。此实验结果与恒流速实验相比,间断注水过程产出煤粉量比连续注水过程产出的煤粉量小。这是因为连续注水,小粒径煤粉随水运移,被带出支撑裂缝。间断注水过程中,注水一段时间,煤粉处于悬浮运移状态,停泵时,液体不流动,煤粉在支撑剂中沉积。再排水时,只有少部分的煤粉被水携带而运移,此过程产出的煤粉量较少。实际生产过程中,频繁的停泵,存在再启动临界流速问题,停止生产会使煤粉沉积在支撑裂缝孔隙中,若煤粉沉积较多,则会严重堵塞孔隙。

3 煤粉沉积特征实验结果与分析

煤层气井排采过程中,煤粉会随水、气在支撑裂缝中运移,当煤粉遇到阻力,或流体的流速和压差不足以使煤粉悬浮时,煤粉会在支撑裂缝中逐渐沉积,堵塞支撑裂缝的孔隙,使支撑裂缝导流能力降低,影响产能。本实验研究了煤粉在不同流速、不同工作制度下,支撑裂缝中煤粉的沉积特征。

3.1 连续注水煤粉在支撑裂缝中的沉积特征

支撑剂为20～40目石英砂,过80目煤粉,煤粉质量分数为1%,实验后支撑剂和煤粉状态如图7所示。左侧是水的入口端,右端是出口端,入口端煤粉量很少,出口端的煤粉较多,支撑剂充填层表面煤粉较少,底部有大量煤粉,沿运移方向上沉积的煤粉逐渐增多,本实验结果与文献[15]所述情况相同,这是由于注入水携带煤粉从左向右端发生运移,运移过程中有部分煤粉会沉积在支撑剂底部。实验表明,实际煤层气井生产中,会产生大量煤粉,并且煤粉也可能会沉积在支撑剂底部。

图7 变流速实验后支撑剂和煤粉状态Fig.7 The state of proppant and coal powder after changing flow velocity experiment

3.2 间断注水煤粉在支撑裂缝中的沉积特征

支撑剂为16～20目石英砂,过140目煤粉,煤粉质量分数为3%,实验后煤粉沉积特征如图8所示。图8(a)是以2.5 cm/min的恒定流速连续注水后的实验图;图8(b)是以2.5 cm/min的恒定流速注水50 mL,停泵20 min,再以2.5 cm/min的恒定流速注水50 mL,停泵20 min,再以2.5 cm/min的恒定流速注水100 mL后的实验图。

图8 煤粉沉积特征比较Fig.8 The comparison of coal powder deposition characteristic

水流由左端向右端流动,图8(a)中左端煤粉量较少,右端煤粉量较多,这是由于液体连续流动携带煤粉运移,煤粉从左端向右端连续移动,从左端向右端煤粉量持续增多;图8(b)左端和右端煤粉量相差不大,这是由于液体流动一段时间后,再停泵时,液体停止流动,煤粉也停止运移,此时煤粉开始向支撑剂底部沉积,当液体再流动时,沉积的煤粉难以再被水携带,大量煤粉沉积在支撑剂底部,堵塞了孔隙,影响了流体再流动,损害了裂缝导流能力。煤层气实际开发过程中,应当尽量避免频繁停泵的发生。

4 结 论

(1)煤粉在支撑剂中明显运移时,存在临界流速。支撑剂粒径越大(如16～20目)时,临界流速很小。支撑剂粒径越小(如20～40目)时,临界流速较大。支撑剂为20～40目石英砂,煤粉质量分数1%时,不同粒径煤粉临界流速为2.6～5.2 cm/min;煤粉质量分数3%时,不同粒径煤粉临界流速为1.7～3.3 cm/min。

(2)煤粉进入支撑裂缝后,较难从支撑剂中随水排出,容易堵塞支撑剂孔隙。排采制度、支撑剂粒径、煤粉粒径、支撑裂缝中煤粉含量等多重因素综合控制煤粉的运移、沉积和产出。

(3)流体在支撑裂缝中流动时,较多的煤粉会沉积在支撑裂缝底部,顺着流体流动方向,沉积的煤粉量逐渐增多,这是煤粉运移和沉积共同作用的结果,反复停泵,近出口处支撑剂中沉积的煤粉会增多,对支撑裂缝的导流能力的伤害严重。

(4)实际生产时,压裂后应尽快连续、缓慢排出支撑裂缝中的煤粉,避免反复停泵,减少煤粉沉积。在产水量较少的煤层气井排采过程中,也可适当控制流速,使流速小于临界流速,减少煤储层中的煤粉运移进入支撑裂缝,控制煤粉的运移和产出。

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Rules of coal powder m igration and deposition in the proppant fracture

LIU Yan1,ZHANG Sui-an1,CAO Li-hu1,MENG Shang-zhi2,ZHANG Tian-lin3

(1.Engineering Research Center of the Ministry of Education for Gas Energy Development&Utilization,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China;2.China United Coalbed Methane Corporation Ltd.,Beijing 100011,China;3.Oil Engineering Research Institute ofDagang Oilfield,Tianjin 300280,China)

In order to deal with the problem that coal reservoir produces large amounts of coal powder easily in the process of fracturing,the physical simulation experiments about fluid flow of different velocity and different content of coal powder in the proppant fracturewith LD-1A proppant conductivity testing system were conducted.Under the state of changing flow velocity,constant flow velocity and discontinuous flow,the rules of coal powdermigration,deposition and production were analyzed.Experiment results show that coal powdermigration has a certain critical velocity.The critical velocities differ greatly under differentconditions.In the 20-40mesh quartz sand proppant fracture,the critical velocity of less than 60 mesh coal powder is up to 5.20 cm/min,but less than 140 mesh coal powder’s critical velocity is 2.01 cm/min;the weight of coal powder output is controlled by the combined effect of fluid velocity,proppant particle size,coal powder size,dust content,production system and so on;coal powder plug the proppant pore and damage the fracture conductivity seriously because it deposits in the proppant fracture easily.Backflow coal powder effectively after fracturing is beneficial for reducing the damage of plugging,and controlling the fluid flow velocity is good for reducing coal powdermigration and output in the process of production.

P618.11

A

0253-9993(2014)07-1333-05

刘 岩,张遂安,曹立虎,等.煤粉在支撑裂缝中的运移与沉积规律[J].煤炭学报,2014,39(7):1333-1337.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1074

Liu Yan,Zhang Suian,Cao Lihu,et al.Rules of coal powdermigration and deposition in the proppant fracture[J].Journal of China Coal Society,2014,39(7):1333-1337.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1074

2013-07-30 责任编辑:韩晋平

国家科技重大专项资助项目(2011ZX05061,2011ZX05062)

刘 岩(1987—),男,湖北孝感人,硕士研究生。E-mail:liu_yan11@126.com。通迅作者:张遂安(1957—),男,山东菏泽人,教授,硕士生导师。E-mail:sazhang@263.net