基于超级分子膜的煤层气井控煤粉方法

吴 英，李啸南，刘子雄，刘汝敏

基于超级分子膜的煤层气井控煤粉方法

吴 英，李啸南，刘子雄，刘汝敏

(中海油田服务股份有限公司油田生产研究院，天津 300459)

针对煤层气井煤粉堵塞卡泵问题，提出利用超级分子膜(SMF)形成的三维空间网状结构阻止大颗粒煤粉运移来进行煤层气井控煤粉的方法。以沁水盆地3号煤为对象开展了SMF控煤粉效果室内实验，结果表明：超级分子膜能有效将煤粉吸附成体积较小煤粉团并沉降，达到控煤粉目的；存在对应不同煤粉含量的超级分子膜合理用量，煤粉质量分数为1%~10%时，SMF中的A剂体积分数为5%~15%，与煤粉混合液用量比为15∶1~4∶1，SMF中的B剂体积分数为6%~9%，与A剂用量比为1∶1~3∶1；当煤粉团堆积过多时，加入酸性破胶剂破环网状结构，使煤粉团恢复单个颗粒煤粉集中排出。该方法工艺操作简便，可周期进行，是一种理论上可延长煤层气井检泵周期10倍以上的控煤粉技术。

超级分子膜；控煤粉；卡泵；检泵周期

在煤层气井排采过程中，由于排水速度小，大量的大颗粒煤粉在井筒中未被排出，井筒中的煤粉含量越来越高[1]，当煤粉含量达到3%以上时，则存在严重的卡泵风险[2-3]，频繁卡泵和修井严重影响气井产能。在韩城，由于煤粉问题发生卡泵的井数占总井数的62.5%[4]，在沁水盆地柿庄南达到55%以上[5]，大部分井的检泵周期仅为3~6个月[4,6]。

目前对煤粉治理的研究主要集中在生产制度控制和工艺措施。在生产制度控制方面，有学者认为提高排液速度可以降低煤粉沉降[5,7]，也有学者认为以较低的排液速度进行生产[4,8]，降低煤粉对储层伤害，利于长久开采。在工艺措施方面，煤粉治理主要是向井筒中加入液体，稀释煤粉浓度、同时提高排液速度，降低沉降量的洗井方式将井筒的煤粉带出，采用地面回注水工艺，机械捞煤粉作业[9]；当产水量较低时，使用煤粉悬浮剂吸附在煤粉表面，降低煤粉和水之间的作用力，进而减少煤粉在井筒中的沉降[8]，但这些方法在实际应用中存在缺陷[10]，主要表现在：回注水导致井底压力产能剧烈波动，与煤层气排采连续稳定的要求相违背，导致部分气井产量降低[9]。高压水冲洗时对煤层的伤害更大，由于煤层普遍压力系数低，要把注入井筒的水冲洗出地面，必须高于地层压力，导致液体严重漏失，进入煤层堵塞产气通道，降低产气量[9]。无法从根本上解决井筒中煤粉含量高的问题，且措施有效期普遍较短，部分井仅仅延长2~3个月的检泵周期[10]。

基于以上问题，笔者的研究思路是从两方面着手，一方面防止大颗粒煤粉进入泵筒中，另一方面又要将小粒径煤粉排出到地面，延长检泵周期[11]，以此来解决煤粉堵塞导致频繁卡泵和影响产量问题。通过实验研究超级分子膜(SMF)试剂控制煤粉效果，为煤粉治理提供新的方法途径。

1 井筒卡泵临界产水量确定

在煤层气井开发过程中，不同粒径的煤粉一直处于沉降过程，粒径越大则沉降越快。当排采速度较低，低于井筒中煤粉的沉降速度时，大部分粒径大于40 μm的煤粉未被采出[5,12]，未被携带到井口[13-14]，造成井筒中大颗粒煤粉含量越来越高，最后导致煤粉堵塞泵筒或卡泵[15-16]。通过对鄂尔多斯盆地多个煤层气监测井卡泵停机时煤粉含量统计得出：当井筒煤粉质量分数低于1%时，无卡泵风险；当煤粉质量分数位于1%~3%时，存在卡泵风险；当煤粉质量分数高于3%时，卡泵概率高[17-19]。能有效携带井筒煤粉的临界产水量(最低产水量)与井筒参数有关，即与煤粉沉降速度和泵或管杆截面积成正比[20]：

=2.5×105(1)

式中：为临界产水量，m3/d；为煤粉沉降速度，m/d；为泵或管杆截面积，m2。

利用上式计算柿庄北矿区煤层气井的临界产水量为6 m3/d[20]，而在实际排采中大部分井达不到临界产水量，因此，煤粉卡泵问题频繁出现，影响产气量。

2 SMF井筒煤粉沉降实验研究

SMF(又叫超级分子膜)是一种多层叠合的三维网状结构复配体系，由A剂和B剂组成，A剂和B剂属于胺类化学品，A剂和B剂混合时会发生分子反应，分子间通过非共价键相互作用自发组合形成性能稳定的空间三维网状结构，此空间网状结构具有较强的吸附能力，可以在煤粉颗粒之间搭桥来粘合煤粉颗粒。通过调整A剂、B剂含量和体积来改变三维网状结构大小，进而选择性吸附不同粒径煤粉(图1)，防止煤粉运移，达到控煤粉效果。由于形成的三维网络结构空间表面积大，当遇到大颗粒煤粉时，大颗粒煤粉会直接被吸附在网格中，且所吸附的煤粉量大，形成的煤粉团体积小并沉降。

图1 SMF形成的网状结构

选取沁水盆地柿庄南区块3号煤样评价SMF控煤粉效果，煤样的煤岩煤质特征见表1。3号煤层以亮煤为主，镜质体反射率平均3.45%，变质程度高，具有较好的生烃能力。根据产出煤粉样本分析，研磨成100目(0.15 mm)煤粉，参考调研的质量分数为3%配制质量分数为5%煤粉混合液[17]。SMF配制A剂体积分数分别为2%、5%、7.5%、10%、15%、20%，B剂体积分数分别为1%、2%、…、10%，共进行200余组室内实验来模拟超级分子膜控煤粉效果。

2.1 SMF网状结构大小控制实验

为了验证SMF网状结构大小对煤粉的控制能力，设计2组实验：配置低体积分数(5%体积分数A剂10 mL+2%体积分数B剂10 mL)和高体积分数(15%质量分数A剂10 mL+5%质量分数B剂10 mL)2种SMF溶液，将这两种配比的SMF溶液分别加入到150 mL 5%质量分数的煤粉混合液中，实验结果表明(图2)：① SMF能够控制煤粉运移，煤粉混合液加入SMF后，煤粉聚集成团，煤粉混合液变清澈、呈透明状态；② A、B剂含量影响SMF网状结构大小，使煤粉聚集成团的状态差异较大，A剂和B剂含量不易过高。高含量SMF形成的网状结构较密，煤粉被吸附聚集成团后密度相对较低，煤粉颗粒间的孔隙中充满气泡，煤粉漂浮在烧杯液面上(图2b)，低含量SMF形成的网状结构较稀疏，煤粉聚集成团后不分散，故沉降到底部(图2a)；③ SMF加入到煤粉混合液后得到的液体类似于水，黏度在1.3~2.4 mPa·s，pH值为6~7，近中性。

表1 沁水盆地柿庄南区块3号煤层煤岩煤质特征

注：41.2~74.7/58.7表示最小~最大值/平均值，其他数据同。

图2 SMF试剂中不同含量A、B剂组合对煤粉控制效果

2.2 A剂含量对煤粉沉降效果影响

为了验证不同含量A剂对煤粉混合液中煤粉聚集成团沉降效果的影响，将含量不同的A剂10 mL与体积分数为5%的B剂10 mL加入到150 mL 质量分数为5%的煤粉混合液中，共设计实验10组，实验结果表明：①当A剂体积分数高于5%时，烧杯中煤粉混合溶液开始变清澈，煤粉开始聚集成团；②当A剂体积分数在5%~15%时，随着体积分数增高，所聚集的煤粉团也越致密，体积越小，煤粉混合液也越清澈透明(图3)。

图3 不同含量A剂煤粉聚集效果

2.3 不同含量A、B剂组合对煤粉沉降效果影响

从2.1节可以看出，SMF中不同含量A、B剂组合会形成不同的煤粉聚集状态，那么应该存在A、B剂配比最优组合，使形成的煤粉团体积最小，SMF用量最少，为此开展A剂体积分数从5%~20%、B剂体积分数从1%~9%的不同组合对煤粉沉降效果实验190余组。实验配制的煤粉质量分数为5%，每次实验取样5 mL，观察煤粉聚集效果以及形成的煤粉团体积。实验结果表明：①当B剂体积分数高于2%时，试管内所有煤粉均能有效吸附在网状结构上，混合液由浑浊变清澈；②随着B剂含量的增加，聚集成团的煤粉由漂浮状态逐渐下沉，表明形成的网状结构越来越致密(图4)。当固定B剂体积分数为7%时，改变加入的体积，可以看出，随着B剂体积增加，煤粉逐渐下沉，当达到3 mL时，网状结构破坏，煤粉呈现分散状态(图5)。说明采用SMF可有效将分散的煤粉快速聚集成团，控制煤粉运移，需要合理的SMF含量和用量。

图4 不同含量B剂煤粉聚集效果

图5 不同剂量B剂控煤粉效果(A、B剂体积分数分别为5%、7%)

在实验中当B剂含量过高时或者用量过大时会破坏SMF形成的网络结构，不能使煤粉聚集。通过实验最终确定井筒中煤粉处理时A、B剂用量比例1∶1最合理。且形成煤粉团体积较小，不到原溶液体积的1/10。

当A剂体积分数为20%时，所需要的B剂用量也相应增加，才能有效地将煤粉聚集。实验中保持A、B剂比例为1∶1。从实验中可以看出要将煤粉完全沉降到试管底部，则需要的B剂体积分数最低为5%以上。所形成煤粉团一直保持悬浮状态(图6)，但随着B剂含量的增加逐渐出现下沉的趋势。即当A剂含量过高时，形成的煤粉团体积较大，容易悬浮，因此在井筒沉降煤粉时，不需要过高含量的A剂。

图6 20%体积分数A剂与不同含量B剂控煤粉效果(每次5 mL混合液+2 mL不同体积分数B剂)

2.4 不同含量煤粉的聚集成团效果

当煤粉含量不同时，需SMF含量和用量不同。为此制作20 mL质量分数分别为1%、5%、10%的煤粉混合液，采用10%体积分数A剂和4%体积分数B剂，改变A和B剂体积来观察聚集煤粉效果，设计实验2组。实验结果表明：随着煤粉含量增加，需要增加A剂和B剂的用量，即通过改变SMF用量也能实现对不同含量煤粉聚集成团(图7)。在实际生产中，若井筒中煤粉含量过多，可考虑增加A剂和B剂的量来实现煤粉聚集成团并沉降。因此，无论是通过改变SMF含量或者是SMF用量，能够有效聚集煤粉成团并沉降，可实现其对井筒煤粉的有效控制。

2.5 最优A、B剂组合

在SMF中由于A和B剂含量不同，分子间相互反应会形成不同的网状结构大小和煤粉聚集效果。网状结构大小主要取决于A剂的含量，同时可适当增加B剂含量，但需控制B剂量。为了能够保证形成的煤团下沉到井底，且形成的体积尽量小，根据不同含量的煤粉含量，确定了SMF中不同的含量组合关系及A、B剂的用量(表2)。

图7 不同含量煤粉混合液凝聚成团效果(A、B剂体积分数分别为10%和4%)

表2 不同煤粉含量对应的SMF用量

SMF复配体系控煤粉实验结果表明：SMF能够有效地聚集煤粉成团，并沉降，降低煤粉含量，加入SMF后的煤粉液体变清澈，说明SMF可以控煤粉。

在实际生产应用中，当煤层气井井筒中煤粉质量分数接近3%时，通过油套环空加入SMF复配体系，并通过周期性添加，使煤粉聚集成团，沉降到井底口袋，使井筒中煤粉含量始终低于临界含量0.5%以下，降低卡泵风险，大幅度延长检泵周期。煤层气井的井底口袋距离泵吸入口距离一般大于50 m，即口袋容积大于0.5 m3，利用SMF复配体系形成的煤粉团有效体积很小，不到煤粉混合液的1/10，理论上在一个检泵周期内可以利用SMF处理10次以上来清洁井筒，因此，理论上可延长检泵周期至10倍以上。当井筒中煤粉堆积过多时，可加入适量的酸性破胶剂破环网状结构，使煤团分散，恢复单个颗粒煤粉，再利用其他措施将煤粉集中排出井筒，为煤粉卡泵的治理提供一种有效的解决方法。该方法工艺操作简单，不影响煤层气井的正常排采，理论上是一种可行的大幅度延长检泵周期的煤层气井井筒煤粉治理新技术。

3 结论

a.超级分子膜试剂(SMF)中A剂体积分数高于5%、B剂体积分数高于2%时，均可有效聚集煤粉成团。A剂含量越高形成的网状结构越密，但吸附煤粉后整体密度低，导致煤粉悬浮。B剂的用量过多时，会促使网状结构破坏，为了能够保证控煤粉效果，尽量保证A、B剂用量保持或低于1∶1。

b. 针对不同煤粉含量，需调整实验中A剂含量或用量，当煤粉含量达到10%以上时，通过增加A剂含量或用量，仍然能够有效地聚集煤粉并沉降。

c.实验证实，提出的SMF除煤粉试剂可有效控制煤粉量，使煤层气井筒中的煤粉聚焦成体积较小的煤粉团，并沉降到井底，井筒中的液体变清澈、中性，降低井筒煤粉含量和卡泵风险，应用该方法进行周期性多次井筒煤粉清洁，可延长检泵周期10倍以上，是一种可行的大幅度延长检泵周期的井筒煤粉治理新技术。在应用于煤层气井现场实际时，应结合煤储层物性特征来优化配比和注入参数。

[1] 王丹，赵峰华，宋波，等. 分散剂影响煤粉采出效果的实验研究[J]. 煤炭学报，2015，40(1)：149–153. WANG Dan，ZHAO Fenghua，SONG Bo，et al. Experimental study of coal powder production affected by using dispersant[J]. Journal of China Coal Society，2015，40(1)：149–153.

[2] 刘升贵，胡爱梅，宋波，等. 煤层气井排采煤粉浓度预警及防控措施[J]. 煤炭学报，2012，37(1)：86–90. LIU Shenggui，HU Aimei，SONG Bo，et al. Coal powder concentration warning and control measure during CBM well drainage[J]. Journal of China Coal Society，2012，37(1)：86–90.

[3] 曹代勇，袁远，魏迎春，等. 煤粉的成因机制–产出位置综合分类研究[J]. 中国煤炭地质，2012，24(1)：10–12. CAO Daiyong，YUAN Yuan，WEI Yingchun，et al. Comprehensive classification study of coal fines genetic mechanism and origin site[J]. Coal Geology of China，2012，24(1)：10–12.

[4] 郑春峰，李昂，程心平，等. 煤层气有杆泵井排采煤粉产出规律表征与分析[J]. 科学技术与工程，2015，15(28)：10–14. ZHENG Chunfeng，LI Ang，CHENG Xinping，et al. Characterization and analysis of powered coal entrainment law in drainage period by rod pump for coal-bed methane wells[J]. Science Technology and Engineering，2015，15(28)：10–14.

[5] 杨宇，曹煜，田慧君，等. 压裂中煤粉对煤储层损害机理分析与防控对策[J]. 煤炭科学技术，2015，43(2)：84–87. YANG Yu，CAO Yu，TIAN Huijun，et al. Mechanism anlaysis of coal fines damaged to coal reservoirs and prevention countermeasures during fracturing[J]. Coal Science and Technology，2015，43(2)：84–87.

[6] 许耀波. 煤层气水平井煤粉产出规律及其防治措施[J]. 煤田地质与勘探，2016，44(1)：43–46. XU Yaobo. Research on the production rule and prevention method of pulverized coal in horizontal CBM well[J]. Coal Geology & Exploration，2016，44(1)：43–46.

[7] 白建梅，孙玉英，李薇，等. 高煤阶煤层气井煤粉产出对渗透率影响研究[J]. 中国煤层气，2011，8(6)：18–21. BAI Jianmei，SUN Yuying，LI Wei，et al. Study of the impact of coal dust yield on permeability rate in high rank CBM well[J]. China Coalbed Methane，2011，8(6)：18–21.

[8] 魏迎春，李超，曹代勇，等. 煤层气洗井中不同粒径煤粉的分散剂优选实验[J]. 煤炭学报，2017，42(11)：2908–2913. WEI Yingchun，LI Chao，CAO Daiyong，et al. Experiment on screening dispersants of pulverized coal with different size in CBM well-washing technology[J]. Journal of China Coal Society，2017，42(11)：2908–2913.

[9] 徐克彬，张桂敏，贺铁柱，等. JP2–4煤层气井井筒煤粉煤块冲铣工艺[J]. 油气井测试，2008，17(2)：73–74. XU Kebin，ZHANG Guimin，HE Tiezhu，et al. Flushing tech for coal powder and in well bore in JP2-4 coal-formation gas well[J]. Well Test，2008，17(2)：73–74.

[10] 莫日和，刘冰，刁秀芳，等. 煤层气井循环补水排采工艺[J]. 煤炭学报，2014，39(增刊1)：141–145. MO Rihe，LIU Bing，DIAO Xiufang，et al. Cycle replenishment drainage and gas production in CBM[J]. Journal of China Coal Society，2014，39(Sup. 1)：141–145.

[11] 张宏录，谢先平，张龙胜，等. 延川南煤层气田防煤粉工艺技术现状及建议[J]. 油气藏评价与开发，2014，4(6)：75–77. ZHANG Honglu，XIE Xianping，ZHANG Longsheng，et al. Situation and suggestions of anti-pulverized coal technology of coalbed methane in south Yanchuan area[J]. Reservoir Evaluation and Development，2014，4(6)：75–77.

[12] 魏迎春，张傲翔，曹代勇，等. 临汾区块煤层气井排采中产出煤粉特征[J]. 煤田地质与勘探，2016，44(3)：30–35.WEI Yingchun，ZHANG Aoxiang，CAO Daiyong，et al. Characteristics of pulverized coal during coalbed methane drainage in Linfen block[J]. Coal Geology & Exploration，2016，44(3)：30–35.

[13] 魏迎春，李超，曹代勇，等. 煤层气洗井中煤粉分散剂对煤岩的影响[J]. 煤炭学报，2018，43(7)：1951–1958. WEI Yingchun，LI Chao，CAO Daiyong，et al. Effect of pulverized coal dispersant on coal in the CBM well-washing technology[J]. Journal of China Coal Society，2018，43(7)：1951–1958.

[14] 刘春花，刘新福，周超. 煤层气井排采过程中煤粉运移规律研究[J]. 煤田地质与勘探，2015，43(5)：23–26. LIU Chunhua，LIU Xinfu，ZHOU Chao. Migration patterns of coal powder in coal reservoirs during the well drainage[J]. Coal Geology & Exploration，2015，43(5)：23–26.

[15] 张文洪. 延川南煤层气田修井原因分析及对策[J]. 中国煤层气，2018，15(2)：17–19. ZHANG Wenhong. Cause analysis of well workover in south Yanchuan CBM field and countermeasures[J]. China Coalbed Methane，2018，15(2)：17–19.

[16] 刘子雄，刘汝敏，韩冠楠，等. 煤层气井压裂裂缝内超级分子膜控煤粉可行性研究[J]. 煤炭科学技术，2020，48(5)：182–187. LIU Zixiong，LIU Rumin，HAN Guannan，et al. Feasibility study of super molecular film controlled coal powder in fracturing crack of coalbed methane well[J]. Coal Science and Technology，2020，48(5)：182–187.

[17] 刘升贵，张新亮，袁文峰，等. 煤层气井煤粉产出规律及排采管控实践[J]. 煤炭学报，2012，37(增刊2)：412–415. LIU Shenggui，ZHANG Xinliang，YUAN Wenfeng，et al. Regularity of coal powder production and concentration control method during CBM well drainage[J]. Journal of China Coal Society，2012，37(Sup. 2)：412–415.

[18] 魏迎春，李超，曹代勇，等. 煤层气开发中煤粉产出机理及管控措施[J]. 煤田地质与勘探，2018，46(2)：68–73. WEI Yingchun，LI Chao，CAO Daiyong，et al. The output mechanism and control measures of the pulverized coal in coalbed methane development[J]. Coal Geology & Exploration，2018，46(2)：68–73.

[19] 曹立虎，张遂安，张亚丽，等. 煤层气水平井煤粉产出及运移特征[J]. 煤田地质与勘探，2014，42(3)：31–35. CAO Lihu，ZHANG Sui’an，ZHANG Yali，et al. Investigation of coal powder generation and migration characteristics in coalbed methane horizontal well[J]. Coal Geology & Exploration，2014，42(3)：31–35.

[20] 李娜，冯汝勇，柳迎红，等. 煤粉产出机理及排采控制措施[J]. 大庆石油地质与开发，2018，37(6)：164–168. LI Na，FENG Ruyong，LIU Yinghong，et al. Producing mechanism and drainage control of the pulverized coal[J]. Petroleum Geology and Oilfield Development in Daqing，2018，37(6)：164–168.

Pulverized coal-controlling method based on supermolecular film in CBM well

WU Ying, LI Xiaonan, LIU Zixiong, LIU Rumin

(Research Institute of Oilfield Production, COSL, Tianjin 300459, China)

Aiming at the problem of stuck pump induced by coal dust blocking in CBM well, this paper proposes a method of coal dust control in CBM well by using the three-dimensional space network structure formed by supermolecular film(SMF) to prevent the transport of large coal particles. The laboratory experiment of SMF pulverized coal control effect was carried out with No.3 coal in Qinshui basin as the object. The experimental results showed that the supermolecular film could effectively adsorb pulverized coal into smaller pulverized coal groups and settle them to achieve the purpose of pulverized coal control. There exists reasonable dosage of supermolecular films corresponding to different pulverized coal mass fraction. When the pulverized coal mass fraction is 1%-10%, the volume fraction of agent A in SMF is 5%-15%, the dosage ratio of mixture with pulverized coal is 15:1-4:1, the volume fraction of agent B in SMF is 6%-9%, and the dosage ratio of agent A is 1:1-3:1. When the pulverized coal is piled up too much, the acidic gelling agent is added to break the ring network structure, so that the pulverized coal can recover the centralized discharge of individual particles. This method is easy to operate and can be carried out regularly. It is a kind of pulverized coal control technology which theoretically can greatly extend the CBM well inspection pump cycle by more than 10 times.

SMF; pulverized coal control; stuck pump; pump inspection cycle

请听作者语音介绍创新技术成果等信息，欢迎与作者进行交流

P618.11

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.06.017

1001-1986(2020)06-0125-05

2020-06-11；

2020-08-25

中海油田服务股份有限公司科研项目(YSB16YF004)

Science and Research Program of China Oilfield Services Limited(YSB16YF004)

吴英，1979年生，女，辽宁大连人，硕士，从事油气田开发工作. E-mail：wuying6@cosl.com.cn

吴英，李啸南，刘子雄，等. 基于超级分子膜的煤层气井控煤粉方法[J]. 煤田地质与勘探，2020，48(6)：125–129.

WU Ying，LI Xiaonan，LIU Zixiong，et al. Pulverized coal-controlling method based on supermolecular film in CBM well[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(6)：125–129.

(责任编辑 范章群)