煤粉产出运移及防治规律研究进展

2020-05-08李小刚宋峙潮陈星宇

应用化工 2020年3期

李小刚，宋峙潮，陈星宇

(1.西南石油大学油气藏地质与开发国家重点实验室，四川成都 610500；2.中国石油集团川庆钻探工程有限公司井下作业公司，四川成都 610500)

煤层气的开采与其他常规储层不同，由于煤储层的天然裂缝中充满了地层流体，而以甲烷为主要成分的煤层气则以吸附的状态储集在煤层中[1-3]。所以煤层气的开采通常都需要经历排水、降压、解吸、渗流这四个过程，而煤岩具有低弹性模量、高泊松比的特征，排水过程中产生的水动力及降压解吸等导致的压力变化，都会导致煤体结构的坍塌破碎，形成大量煤粉在重力、水动力、范德华力、双电子层斥力、波恩短程斥力等力的综合作用下，在煤层中运移，形成气液固三相流，增大渗流阻力或吸附在煤岩骨架表面，堵塞孔喉[4-6]。除了对地层中的渗流造成影响外，也会在井筒内沉降堆积，阻碍气体的举升[7]。

前人从数学模型和实验模拟两个角度，研究了煤粉在煤层及井筒内的运移规律。本文详细介绍了煤粉产出机理及影响煤粉运移的因素，总结了煤粉运移的防治措施，指出了当前对煤粉运移规律研究的不足之处，对未来研究进行了展望。

1 煤粉产出机理分析

煤粉产出与煤质特征、现场施工情况以及排采过程有着密不可分的关系，例如：糜棱煤等煤质就是产生煤粉的主要来源，因为糜棱煤是因强烈形变和发生塑性流动形成的，本身就是构造应力作用破碎成细粒状，并被重新压紧的产物，在轻微水动力影响下或压力变化下就会完全分解成煤粉[8]；现场施工情况对煤粉产出的影响程度，则要根据完井方式及是否进行过增产改造等判断，例如射孔完井的煤层气井产出煤粉的几率就比裸眼完井大，因为射孔过程会对煤质产生冲击，并且会造成储层应力变化，诱导煤粉产出[9]；排采过程对煤粉产出的影响主要体现在气水动力上，气水动力强的排采阶段，携带出的煤粉也多[10-12]。

1.1 煤质特征与煤粉产出的关系

煤化学特征包括煤的水分、灰分、挥发分、固定碳和煤化程度等。灰分代表着煤岩的无机组分，因为煤岩的无机组分主要由粘土矿物、氧化硅(石英)、碳酸盐和硫酸盐等组成，挥发分代表煤岩有机组分中的镜质组和壳质组，固定碳代表着煤岩有机组分中的惰质组[13]。这三种组分的硬度强弱顺序依次为：镜质组、惰质组、壳质组。其中镜质组含量越多，煤岩硬度越高，脆度越小，也就越易受到挤压剪切后破碎形成煤粉[14]。除此之外，煤岩中的无机组分如黏土矿物等对煤岩骨架的吸附能力较弱，也容易脱落形成细质煤粉[15]。

1.2 现场施工与煤粉产出的关系

对煤岩造成影响的施工过程主要有射孔施工和压裂施工，相对于煤层气这种非常规储层，这两个施工过程又是必不可少的。由于煤层具有低弹性模量、高泊松比的特征，所以一般煤层完井方式都是套管完井，为了沟通近井带与井筒，需要对目的层位进行射孔作业[16]。射孔弹穿透套管与近井地带，造成储层应力变化，挤压剪切目的层煤岩产生煤粉，同时其内所含化学物质也会污染储层，也会造成套管损害[17]。对于天然裂缝不发育的煤储层来讲，需要进行水力压裂建立煤层气井的渗流通道，增大甲烷渗流能力[18]。高速水流的冲击会破坏煤体结构，诱导煤粉的产出，同时返排过程则会携带煤粉在储层孔喉中运移，或者堵塞渗流通道或者进入排采系统，如泵筒或井筒中，长期沉积会严重影响煤层气产出，对水平井的影响更为巨大。

1.3 排采过程与煤粉产出的关系

煤层气井的开采可以分为以下四个过程，首先是排水降压阶段，其次是不稳定产气阶段，然后是稳定产气阶段，最后为产气递减阶段[19]。这几个过程主要通过气水综合动力强度及压力变化来影响煤粉产出程度及粒径大小，例如：排水降压阶段，流体由地层向井筒内流动，流体在渗流过程中对裂缝壁面产生一定的粘滞力，对煤岩进行剪切破坏，并在相对较强的水动力作用下，破碎的煤岩随流体运移至井筒中。随着日产气量的增加，气水动力强度逐渐提升，会使煤粉大量运移产出，同时使产出煤粉的粒径也普遍增大。当达到稳定产气时期后，由于产水量日趋降低，致使煤粉产出量又一次降低，且煤粉运移逐渐趋于稳定[20]。不稳定产气阶段，产气强度相对较小，在气水两相流动的情况下，煤层气与煤层水在煤储层渗流通道内将会相互制约，降低了气水综合动力强度，使产出煤粉强度及煤粉粒度大小都大大降低[21]。表1总结描述了不同开采阶段，煤粉产出程度及粒径分布范围[22]。

表1 煤粉产出程度及粒径分布范围

2 煤粉运移影响因素分析

对不同环境下的煤粉运移情况来讲，影响煤粉运移的因素也不尽相同。前人针对不同区域(地层或井筒中)或同一区域但不同情况(地层支撑裂缝和地层割理裂缝中)下的煤粉运移规律进行了研究，研究手段包括室内实验和数值模拟。王东营等[23]进行了水平井筒内水携煤粉及气水两相携煤粉的宏观实验，分析了气液流量、煤粉粒径、管径大小等因素对煤粉运移的影响，得到了单相与两相流情况下煤粉的运移机理，并建立了水平井筒中煤粉床高度的半理论模型。邹雨时等[24]进行了煤粉颗粒侵入压裂裂缝支撑剂充填层的模拟实验，认为煤粉在支撑裂缝中的聚集附着，以及堵塞孔喉是损害支撑裂缝导流能力的主要因素；基于该项研究，2017年刘岩等[25]通过控制不同流速(模拟排采制度)、煤粉粒径及煤粉质量含量，模拟在支撑裂缝这些因素对煤粉运移的影响，在研究中发现，煤粉与支撑剂混合后，易沉降滞留在支撑裂缝底部，对导流能力造成极大的损害，并且煤粉质量含量越大，这种损害程度就越深，使用较大流速时，又会导致煤粉对支撑剂窄口的堵塞作用大于疏通作用，进一步降低裂缝导流能力。由于煤层气产出过程中需要经历气水两相流，所以陈文文等[26]指出了气液比对煤粉运移的影响规律，实验发现，气体携煤粉能力远强于液体，所以气液比越大，煤粉产出越高。刘寒月等[27]则根据Fluent中连续相湍流模型理论及离散相模型理论，建立了煤粉颗粒运移的连续性方程、动量方程及能量方程等湍流数学模型和煤粉颗粒离散相数学模型，基于这些模型，模拟计算了煤粉粒径、煤粉质量流率、流体粘度及流速对煤粉运移的影响。

2018年，蒋金龙等[28]使用显微镜和钢化玻璃板，首次实现了微观下煤粉运移规律的可视化研究。作者对驱替流量、煤粉粒径、流体类型及煤粉来源等特征量在有无支撑剂的情况下进行刻画与分析，使用极差分析的方法比较了这些因素对煤粉运移影响的强弱程度，发现驱替流量与煤粉粒径是影响煤粉运移的主要因素，由此可见，在割理裂缝和支撑裂缝中水动力与煤粉自身重力对煤粉运移有显著影响。针对单一因素进行分析，确定了各个影响因素对煤粉产出和运移速度的影响规律。

根据前人对煤粉运移影响因素的研究，本文作者发现，现阶段对运移规律的刻画大部分止步于发现现象，总结规律却无法揭示其运移机理。即使有少量学者从微观的角度，分析煤粉运移规律，也存在着许多问题。比如简化了煤粉在裂缝中的运移环境，煤层压裂使煤层缝网结构复杂，从单一裂缝推演整体缝网的运移规律显然是有失妥当的；使用钢夹进行夹持密封，也无法准确模拟煤层压力环境，且每次实验的压力也会由于操作者的原因产生较大误差。考虑在以后的研究中，建立大型可视化多裂缝装置，可以从宏观整体以及微观局部观察煤粉在其中的运移规律；考虑增加稳定的加环压装置，量化每次实验夹持压力，这样既可以增加实验准确性，也可以在不同夹持压力下，分析煤层深度对煤粉运移的影响规律。

3 煤粉运移防治措施

对于煤粉运移的防治措施，需要总结前文中对煤粉产出因素及运移规律的研究，有针对性的提出相应的方法。

3.1 减少煤粉的生成

①根据煤质特征分析，煤层直井射孔时，应尽量避开糜棱煤层；水平井钻井时，应尽量避开小微褶曲带、断层和底板附近构造煤带等[29]。②根据现场施工情况分析，应尽量采用控压措施，能有效降低储层应力变化，相对稳定的储层应力使煤体结构更加稳定，不易垮塌破碎[30]。③根据排采制度分析，应尽量控制生产压差稳定，减少流体对煤层的冲刷。实际生产过程中主要通过控制液面来控制压差，进而控制流速，避免频繁停泵及液面快速升降，保持流速恒定且缓慢，才能尽量减少煤粉的产出[31]。