煤层气井煤粉产出机理和控制措施

陆希希，郭 越

（东北石油大学石油工程学院，大庆 163000）

煤层气井煤粉产出机理和控制措施

陆希希，郭 越

（东北石油大学石油工程学院，大庆 163000）

煤粉堵塞井筒和煤粉卡泵、埋泵严重影响煤层气井的正常开发，合理控制煤粉的产出和排出是煤层气井持续高效开发、保持稳产的关键环节。基于岩石力学和地层出煤粉理论，总结了煤粉产出机理分为剪切破坏、拉伸破坏和滑移破坏。结合不同工程阶段，分别提出了相应的煤粉控制措施，主要分为两个方面：从源头上尽量减少煤粉的产生；通过调整排采制度、优选排采工艺和精选排采设备等措施尽可能把产生的煤粉排出。

煤粉；产出机理；控制措施

随着国家对非常规能源煤层气的重视，在煤层气开发利用“十三五”规划中，为了鼓励煤层气的开发利用，补贴标准从0.2元/m3提高到0.3元/m3。煤层气的开采是一个排水降压解析吸附的复杂过程，与常规能源的开采有所区别。煤层气开采过程中，煤粉的产生和未及时排出，造成井筒流道过流面积减小，流体携煤粉能力减弱，煤粉沉积堵塞井筒，甚至造成煤粉卡泵和埋泵事故发生。为了降低煤粉大量产出和未及时排出带来的危害，研究煤粉产出机理，有利于因地制宜的采取控制煤粉措施。

1 煤粉产出机理

根据岩石力学理论，煤层气井煤粉产出机理[1]有剪切破坏、拉伸破坏和滑移破坏3种。

1.1 剪切破坏

剪切破坏是由于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所受应力大于煤岩骨架的剪切强度，导致煤层应力平衡失稳。射孔作业会使煤岩发生不同程度损坏，导致孔眼周围水泥环受到松动。

1.2 拉伸破坏

拉伸破坏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，流体与煤层之间形成摩擦力和煤岩颗粒表面的压力梯度力，在两者的共同作用下，当煤层基质空隙壁受到的拉伸应力大于抗拉强度时，煤粉从煤岩上剥落。

1.3 滑移破坏

滑移破坏形成主要原因是在渗流过程中，气水两相与煤层发生摩擦，当流体速度加快，流体与煤层颗粒摩擦力变大，作用在煤层颗粒表面上的拖拽力增大。当拖曳力大于煤粉颗粒附着力时，孔眼表面煤粉逐渐脱落。

2 煤粉控制措施

2.1 钻井阶段

为减少水平井眼煤粉残留，提前做好井眼净化工作，需要做到以下4点：增加钻进排量，提高钻井液速度，从而加大携带能力；使用偏心PDC钻头，加大环空距离；合理控制钻头速度，降低井眼坍塌风险；适当延长循环时间，增加返砂量。

遵循“钻进一米，起出两米，充分划眼”的原则，推荐采用低钻压和低转速钻井工艺，采取欠平衡或者近平衡钻井方法，同时尽量避开软煤层钻井。

2.2 完井阶段

（1）优化压裂施工方案、调整施工参数[2]，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）采用PE管和玻璃钢管对煤层气U型井完井后，实施水力喷射作业清洗沉积在井筒和油套环空的煤粉。

（3）煤层压裂后，尽快返排，避免煤粉在裂缝残留，降低裂缝导流能力。

2.3 排采阶段

排采压差越大，煤粉从煤岩脱落越容易，煤粉产生量越大。因此排采压降遵循“连续、稳定、缓慢”原则，避免压力和排采速度波动太大，有利于减少煤粉产出。

（1）优选泵型，提高泵效，尽量减少排采泵的抽停时间和次数，有效避免煤粉在裂缝中沉积，保证气水两相通道畅通。

（2）选择携煤粉能力强的螺杆泵，合理调节泵的冲程和冲次，提高泵入口排量，可减缓煤粉沉积。

（3）为了防止大颗粒煤粉进入泵筒，造成卡泵和埋泵，可在螺杆泵吸入口接防砂尾管，同时在油套环空处注水稀释煤粉可以有效预防卡泵发生，延长检泵周期。

（4）大颗粒煤粉容易沉降在井底和粘附在井筒壁面，这将导致井筒有效过流面积减少，气水两相携煤粉效果变差。为了解决井筒中携带大颗粒煤粉问题，在排采液中加入分散剂可以把大颗粒煤粉分散成小颗粒煤粉，这样更容易由井筒被携带至井口。

（5）在产气阶段保持合理套压，避免煤层压力波动引发煤层坍塌。

2.4 关井和修井阶段

煤层气井产气量和产水量较低，采取关井生产制度。在此期间，地层水不断流向井筒，水量增加，煤层气不断富集，压力增加。基于入射口冲淤理论，结合排采泵间抽时间、煤粉沉积时间、煤粉浓度三者的关系，在产水量较低工况下，采取排采泵间隔一段时间排水携煤粉的作业制度。

总体来说，煤粉的控制需要综合多方面因素，煤粉产生前，从煤粉成因来说，控制煤粉产出，主要从地质内因和工程外因两方面，尽可能减少煤粉的产生；煤粉产生后，需要通过调整排采制度、优选排采工艺和精选排采设备等措施减少煤粉的沉积，防止由于煤粉的产生造成煤层气井不连续生产，增加煤层气开采成本。

3 结论与建议

1）根据煤岩受力分析，得到煤粉产出机理分为三种，分别是剪切破坏、拉伸破坏和滑移破坏。

2）针对不同阶段提出了相对应的控制煤粉措施，目前控制煤粉措施和方法大多数基于防煤粉理论，减少煤粉进入井底和排采泵；可以借助油田适度携砂经验，打破以防煤粉为主的想法，开展基于携煤粉理论研究，充分利用井筒内流体携煤粉的能力。

[1] 王庆伟.沁南潘庄区块煤粉产出机理与控制因素研究[D].北京：中国矿业大学，2013.

[2] 王战锋，许耀波.构造煤储层煤粉产出机理及防治对策[J].中国煤层气，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

陆希希（1992—），男，湖北孝感人，研究生在读，主要研究方向为井筒多相流。