煤層氣排采過程中煤粉控制研究

王　飛

（中石油煤層氣有限責任公司忻州分公司，山西 忻州 036600）

煤層氣排采過程中煤粉控制研究

王飛

（中石油煤層氣有限責任公司忻州分公司，山西 忻州 036600）

本文對煤層氣儲層特性以及主控地質因素進行了分析，總結出我國煤層氣具有低滲透率以及欠壓的特點。并結合煤層氣的產出機理，探討了煤層氣在排采過程中出現的多相流流態。確定出了應力集中與煤粉產出之間的關系，并結合煤粉的產出類型詳細探討了后期煤粉的管控措施和煤層氣的連續生產。

煤層氣；煤粉；應力集中；產出機理

1.煤層氣儲層特點及主控地質因素

我國的煤炭資源總體上比較豐富，分布也比較集中，這也給煤層氣的產生和存儲創造了良好的條件。我國的煤層氣儲層主要特點是煤層地應力分布不均勻、煤層的滲透率較低、煤儲層普遍欠壓。其中，煤層氣儲層可以根據煤層的滲透率高低分為5個等級。一級儲層的滲透率高于10.0×10-15m2，滲透性非常好；而五級儲層的滲透率已經低于0.1×10-15m2，滲透性極差。我國煤層氣的儲層等級中，四、五等級的儲層比例占到了69%，造成了煤層氣“高資源、低產能”的現象。

2.煤層氣的產出機理

煤層氣的產出機理核心內容是解決煤層氣從吸附態向游離態的轉變，煤層氣的排采是通過井筒排水，使得在整個儲層中形成具有壓力差的壓力漏斗。當井筒中的壓力低于臨界解吸壓力時，煤層氣就會從吸附態轉變為游離態從而為大規模的產氣提供了先決條件。但是，當煤儲層的滲透率比較低時會大大限制壓降漏斗臨界解吸壓力等值線的擴撒范圍。同時，伴隨排水作業的進行以及煤層氣不斷地產出，煤儲層的孔隙率、滲透率和氣水飽和率也會隨之改變，進而出現氣和水混合的兩相流的流態，如圖1所示。

3.排水采氣對煤層氣井出煤粉的影響

結合煤層氣儲層的特點以及煤層氣的產出機理，對煤粉的產生以及運移進行探究。煤層可以是做一種特殊的有機巖體，對煤層氣的排水開采不可避免地會造成煤粉的產生。因此分別從煤層的滲透壓力性、應力集中、煤粉產出類型以及如何管控煤粉的產出等方面進行了一系列探討。同時，管控好生產壓差和氣、水、煤粉三相流的流速，是保證煤層氣排采過程的持續和穩定的基本要求。

3.1煤層滲透壓力敏感性

在未進行降壓排采時，煤層間的縫隙被水充滿，煤質體在整個煤層封閉系統中，依托四周的滲透壓力和原始的地應力能夠維持自身的穩定構架。由于面割理的延伸面并非一個完整平面，而是一種凹凸不平的三維曲面。兩平面之間存在著一系列接觸點，這類接觸點類起著支架作用。隨著降壓井的出現，煤層氣和承壓水被抽取出煤層，導致煤層中的自然裂隙突然閉合，滲透率降低，從而使得煤層支撐點上的壓力急劇增大。當支撐點所受到的應力超過了其自身的強度極限時，煤層間的縫隙寬度慢慢減小，滲透率也隨之降低。煤與其他巖石的彈性模量指標見表1。

3.2應力集中與煤粉產出的關系

由于煤層滲透率低會制約煤層氣的開發，而裸眼洞穴完井具備良好的連通性，能夠誘導煤層裂隙的張開，進而增強煤層的滲透率。因此，在實際的煤層氣生產活動中，裸眼洞穴完井倍廣泛采用。然而，根據彈性理論可知，在物體存在縫隙或者缺口時，會在改點形成應力集中效應。若應力過大，超過了煤層的強度極限，則煤層就會破壞并隨之將應力傳到周邊的煤層，如此反復循環，直至達到最終的受力平衡。而正是這種煤層的應力集中破壞機制導致了部分煤粉的產生。

3.3煤層的煤粉產出類型

不同成因形成的煤粉其產出的方式也不同。其中比例最高的就是煤層中因結構和成分的差異而產生的煤粉，堵塞煤層的縫隙，降低了煤層滲透率，而且在高壓水的作用下，部分煤層出現應力集中，從而會加重煤粉的產生。此外，由于煤粉的粒徑小到微米級，大的到10mm以上等。細粒徑的煤粉會隨著井筒排出，而粒徑較粗的煤粉會往井底下沉，極易發生埋泵的風險。對于排采系統中的煤粉，大多以煤粉、氣和水混合的三相流形式，水和煤粉由排采泵排出，為避免卡泵，必須定期對泵工作狀態進行檢測。

3.4煤粉的管控措施

根據某煤田的實際開采的生產實踐，對煤粉的管控主要歸納為以下幾點：

（1）選擇具有足夠攜粉、出粉能力的排采設備，計算出保持設備安全工作的極限煤粉濃度極值。定期對排采設備運行狀態進行巡檢、對產出液煤粉濃度數據檢測，及時消除異常狀態，保證正常生產。

（2）排采過程中要緩慢排采，控制降液速度，排采過快煤儲層會產生速敏效應，速敏效應會加快井底流速，攜帶大量煤粉在井底很容易造成卡泵、修井等。

（3）確保排水降壓的連續性。主要是根據檢測的臨界解吸壓力值，設置排水降壓周期，保障設備的持續運轉。間斷排采很容易是煤粉在裂縫通道里沉淀，堵塞滲流通道。

（4）嚴格管控排采工作制度，以最小工作制度起抽，求取地層供液能力，緩慢降液面，根據地質資料、鉆井參數以及臨井檢測數據預測排采井的臨界解吸壓力，接近臨界解析壓力時，調整工作制度控制井底壓力變化，產期初期和增產時控制套壓、井底壓力、產氣量的上下波動，防止井下煤粉產出起到很好的緩沖作用。

（5）生產中發現井下煤粉濃度上升，若較低排水量，很容易發生卡泵、堵塞泵吸液口。根據情況可以提高排水量，在地面采用高壓泵從油套環空給該井注水，同時增大泵的排量抽出煤粉，并且要保持液面一直處于穩定狀態。

表1　煤與巖石彈性模量對比表

4.排采設備

（1）排采設備的合理選型

排采設備的合理選型直接關系到煤層氣井的連續穩定生產。排采設備在具備可靠性高、穩定性好、持久耐用等特點的同時，還必須滿足從低排量到高排量范圍變化的要求以及可靠的防煤屑、煤粉措施。

（2）主要排采設備技術分析

①三軸有桿泵：主要是通過三角帶傳動，由驢頭帶動光桿和桿柱在上下方向作往復運動，在抽油桿作往復運動時，抽油泵完成排出和吸入工序。具備結構簡單、操作便利、耐用等特點。選型時，應根據最大產水量對泵徑、沖程及沖次進行初步設計。

②電潛泵：主要是通過動力電纜將電力輸送到井底電機，并驅動離心泵，將井液泵送至地面。缺點是成本較高，泵容易燒壞。故在選擇電潛泵時，依據煤層氣井的最大產水量選擇額定排量大小；并計算離心泵軸功率、電機額定功率、泵的揚程等。

③螺桿泵：主要是通過電控箱控制電動機起停，減速箱實現減速，并通過抽油桿將動力傳給井底螺桿泵轉子，將井液和氣舉升至地面。螺桿泵的選擇原則主要是：確定泵的排量以及揚程，分析計算桿柱應力合理性，并根據抽油桿扭矩確定出地面電機額定功率。

④氣舉泵：主要是通過氣舉閥，往井中注入高壓煤層氣，利用氣體壓能將井液舉升至地面。特點是能夠輸送固體含量較高的液體，且初始產量適應范圍廣。在選擇氣舉泵時，應結合氣井產水量，確定出注氣量、壓力值及相關參數，布置氣舉閥和壓縮機，并進行敏感性分析及診斷。

結語

結合煤層氣儲層滲透率低和普遍欠壓等特點，深入研究了排水采氣過程中出現的應力集中現象以及煤層氣排采與煤粉產出之間的關系。在此基礎上，得出了煤粉主要產生在煤層的剪切破壞過程中，并與水混合，經由排采泵流出。介于上述研究，得出了煤粉的管控措施必須遵循合理控制排液強度和工作制度的原則。最后探討了如何在控制煤粉產出率和工作壓差在合理的范圍前提下，保證生產的穩定和持續。

［1］王慶偉，曹代勇，王佟.煤層氣裸眼洞穴完井造成的應力集中帶與煤粉產出的關系［J］.煤田地質與勘探，2013（6）：35-37.

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