基于超級分子膜的煤層氣井控煤粉方法

吳 英，李嘯南，劉子雄，劉汝敏

基于超級分子膜的煤層氣井控煤粉方法

吳 英，李嘯南，劉子雄，劉汝敏

(中海油田服務股份有限公司油田生產研究院，天津 300459)

針對煤層氣井煤粉堵塞卡泵問題，提出利用超級分子膜(SMF)形成的三維空間網狀結構阻止大顆粒煤粉運移來進行煤層氣井控煤粉的方法。以沁水盆地3號煤為對象開展了SMF控煤粉效果室內實驗，結果表明：超級分子膜能有效將煤粉吸附成體積較小煤粉團并沉降，達到控煤粉目的；存在對應不同煤粉含量的超級分子膜合理用量，煤粉質量分數為1%~10%時，SMF中的A劑體積分數為5%~15%，與煤粉混合液用量比為15∶1~4∶1，SMF中的B劑體積分數為6%~9%，與A劑用量比為1∶1~3∶1；當煤粉團堆積過多時，加入酸性破膠劑破環網狀結構，使煤粉團恢復單個顆粒煤粉集中排出。該方法工藝操作簡便，可周期進行，是一種理論上可延長煤層氣井檢泵周期10倍以上的控煤粉技術。

超級分子膜；控煤粉；卡泵；檢泵周期

在煤層氣井排采過程中，由于排水速度小，大量的大顆粒煤粉在井筒中未被排出，井筒中的煤粉含量越來越高[1]，當煤粉含量達到3%以上時，則存在嚴重的卡泵風險[2-3]，頻繁卡泵和修井嚴重影響氣井產能。在韓城，由于煤粉問題發生卡泵的井數占總井數的62.5%[4]，在沁水盆地柿莊南達到55%以上[5]，大部分井的檢泵周期僅為3~6個月[4,6]。

目前對煤粉治理的研究主要集中在生產制度控制和工藝措施。在生產制度控制方面，有學者認為提高排液速度可以降低煤粉沉降[5,7]，也有學者認為以較低的排液速度進行生產[4,8]，降低煤粉對儲層傷害，利于長久開采。在工藝措施方面，煤粉治理主要是向井筒中加入液體，稀釋煤粉濃度、同時提高排液速度，降低沉降量的洗井方式將井筒的煤粉帶出，采用地面回注水工藝，機械撈煤粉作業[9]；當產水量較低時，使用煤粉懸浮劑吸附在煤粉表面，降低煤粉和水之間的作用力，進而減少煤粉在井筒中的沉降[8]，但這些方法在實際應用中存在缺陷[10]，主要表現在：回注水導致井底壓力產能劇烈波動，與煤層氣排采連續穩定的要求相違背，導致部分氣井產量降低[9]。高壓水沖洗時對煤層的傷害更大，由于煤層普遍壓力系數低，要把注入井筒的水沖洗出地面，必須高于地層壓力，導致液體嚴重漏失，進入煤層堵塞產氣通道，降低產氣量[9]。無法從根本上解決井筒中煤粉含量高的問題，且措施有效期普遍較短，部分井僅僅延長2~3個月的檢泵周期[10]。

基于以上問題，筆者的研究思路是從兩方面著手，一方面防止大顆粒煤粉進入泵筒中，另一方面又要將小粒徑煤粉排出到地面，延長檢泵周期[11]，以此來解決煤粉堵塞導致頻繁卡泵和影響產量問題。通過實驗研究超級分子膜(SMF)試劑控制煤粉效果，為煤粉治理提供新的方法途徑。

1 井筒卡泵臨界產水量確定

在煤層氣井開發過程中，不同粒徑的煤粉一直處于沉降過程，粒徑越大則沉降越快。當排采速度較低，低于井筒中煤粉的沉降速度時，大部分粒徑大于40 μm的煤粉未被采出[5,12]，未被攜帶到井口[13-14]，造成井筒中大顆粒煤粉含量越來越高，最后導致煤粉堵塞泵筒或卡泵[15-16]。通過對鄂爾多斯盆地多個煤層氣監測井卡泵停機時煤粉含量統計得出：當井筒煤粉質量分數低于1%時，無卡泵風險；當煤粉質量分數位于1%~3%時，存在卡泵風險；當煤粉質量分數高于3%時，卡泵概率高[17-19]。能有效攜帶井筒煤粉的臨界產水量(最低產水量)與井筒參數有關，即與煤粉沉降速度和泵或管桿截面積成正比[20]：

=2.5×105(1)

式中：為臨界產水量，m3/d；為煤粉沉降速度，m/d；為泵或管桿截面積，m2。

利用上式計算柿莊北礦區煤層氣井的臨界產水量為6 m3/d[20]，而在實際排采中大部分井達不到臨界產水量，因此，煤粉卡泵問題頻繁出現，影響產氣量。

2 SMF井筒煤粉沉降實驗研究

SMF(又叫超級分子膜)是一種多層疊合的三維網狀結構復配體系，由A劑和B劑組成，A劑和B劑屬于胺類化學品，A劑和B劑混合時會發生分子反應，分子間通過非共價鍵相互作用自發組合形成性能穩定的空間三維網狀結構，此空間網狀結構具有較強的吸附能力，可以在煤粉顆粒之間搭橋來粘合煤粉顆粒。通過調整A劑、B劑含量和體積來改變三維網狀結構大小，進而選擇性吸附不同粒徑煤粉(圖1)，防止煤粉運移，達到控煤粉效果。由于形成的三維網絡結構空間表面積大，當遇到大顆粒煤粉時，大顆粒煤粉會直接被吸附在網格中，且所吸附的煤粉量大，形成的煤粉團體積小并沉降。

圖1 SMF形成的網狀結構

選取沁水盆地柿莊南區塊3號煤樣評價SMF控煤粉效果，煤樣的煤巖煤質特征見表1。3號煤層以亮煤為主，鏡質體反射率平均3.45%，變質程度高，具有較好的生烴能力。根據產出煤粉樣本分析，研磨成100目(0.15 mm)煤粉，參考調研的質量分數為3%配制質量分數為5%煤粉混合液[17]。SMF配制A劑體積分數分別為2%、5%、7.5%、10%、15%、20%，B劑體積分數分別為1%、2%、…、10%，共進行200余組室內實驗來模擬超級分子膜控煤粉效果。

2.1 SMF網狀結構大小控制實驗

為了驗證SMF網狀結構大小對煤粉的控制能力，設計2組實驗：配置低體積分數(5%體積分數A劑10 mL+2%體積分數B劑10 mL)和高體積分數(15%質量分數A劑10 mL+5%質量分數B劑10 mL)2種SMF溶液，將這兩種配比的SMF溶液分別加入到150 mL 5%質量分數的煤粉混合液中，實驗結果表明(圖2)：① SMF能夠控制煤粉運移，煤粉混合液加入SMF后，煤粉聚集成團，煤粉混合液變清澈、呈透明狀態；② A、B劑含量影響SMF網狀結構大小，使煤粉聚集成團的狀態差異較大，A劑和B劑含量不易過高。高含量SMF形成的網狀結構較密，煤粉被吸附聚集成團后密度相對較低，煤粉顆粒間的孔隙中充滿氣泡，煤粉漂浮在燒杯液面上(圖2b)，低含量SMF形成的網狀結構較稀疏，煤粉聚集成團后不分散，故沉降到底部(圖2a)；③ SMF加入到煤粉混合液后得到的液體類似于水，黏度在1.3~2.4 mPa·s，pH值為6~7，近中性。

表1 沁水盆地柿莊南區塊3號煤層煤巖煤質特征

注：41.2~74.7/58.7表示最小~最大值/平均值，其他數據同。

圖2 SMF試劑中不同含量A、B劑組合對煤粉控制效果

2.2 A劑含量對煤粉沉降效果影響

為了驗證不同含量A劑對煤粉混合液中煤粉聚集成團沉降效果的影響，將含量不同的A劑10 mL與體積分數為5%的B劑10 mL加入到150 mL 質量分數為5%的煤粉混合液中，共設計實驗10組，實驗結果表明：①當A劑體積分數高于5%時，燒杯中煤粉混合溶液開始變清澈，煤粉開始聚集成團；②當A劑體積分數在5%~15%時，隨著體積分數增高，所聚集的煤粉團也越致密，體積越小，煤粉混合液也越清澈透明(圖3)。

圖3 不同含量A劑煤粉聚集效果

2.3 不同含量A、B劑組合對煤粉沉降效果影響

從2.1節可以看出，SMF中不同含量A、B劑組合會形成不同的煤粉聚集狀態，那么應該存在A、B劑配比最優組合，使形成的煤粉團體積最小，SMF用量最少，為此開展A劑體積分數從5%~20%、B劑體積分數從1%~9%的不同組合對煤粉沉降效果實驗190余組。實驗配制的煤粉質量分數為5%，每次實驗取樣5 mL，觀察煤粉聚集效果以及形成的煤粉團體積。實驗結果表明：①當B劑體積分數高于2%時，試管內所有煤粉均能有效吸附在網狀結構上，混合液由渾濁變清澈；②隨著B劑含量的增加，聚集成團的煤粉由漂浮狀態逐漸下沉，表明形成的網狀結構越來越致密(圖4)。當固定B劑體積分數為7%時，改變加入的體積，可以看出，隨著B劑體積增加，煤粉逐漸下沉，當達到3 mL時，網狀結構破壞，煤粉呈現分散狀態(圖5)。說明采用SMF可有效將分散的煤粉快速聚集成團，控制煤粉運移，需要合理的SMF含量和用量。

圖4 不同含量B劑煤粉聚集效果

圖5 不同劑量B劑控煤粉效果(A、B劑體積分數分別為5%、7%)

在實驗中當B劑含量過高時或者用量過大時會破壞SMF形成的網絡結構，不能使煤粉聚集。通過實驗最終確定井筒中煤粉處理時A、B劑用量比例1∶1最合理。且形成煤粉團體積較小，不到原溶液體積的1/10。

當A劑體積分數為20%時，所需要的B劑用量也相應增加，才能有效地將煤粉聚集。實驗中保持A、B劑比例為1∶1。從實驗中可以看出要將煤粉完全沉降到試管底部，則需要的B劑體積分數最低為5%以上。所形成煤粉團一直保持懸浮狀態(圖6)，但隨著B劑含量的增加逐漸出現下沉的趨勢。即當A劑含量過高時，形成的煤粉團體積較大，容易懸浮，因此在井筒沉降煤粉時，不需要過高含量的A劑。

圖6 20%體積分數A劑與不同含量B劑控煤粉效果(每次5 mL混合液+2 mL不同體積分數B劑)

2.4 不同含量煤粉的聚集成團效果

當煤粉含量不同時，需SMF含量和用量不同。為此制作20 mL質量分數分別為1%、5%、10%的煤粉混合液，采用10%體積分數A劑和4%體積分數B劑，改變A和B劑體積來觀察聚集煤粉效果，設計實驗2組。實驗結果表明：隨著煤粉含量增加，需要增加A劑和B劑的用量，即通過改變SMF用量也能實現對不同含量煤粉聚集成團(圖7)。在實際生產中，若井筒中煤粉含量過多，可考慮增加A劑和B劑的量來實現煤粉聚集成團并沉降。因此，無論是通過改變SMF含量或者是SMF用量，能夠有效聚集煤粉成團并沉降，可實現其對井筒煤粉的有效控制。

2.5 最優A、B劑組合

在SMF中由于A和B劑含量不同，分子間相互反應會形成不同的網狀結構大小和煤粉聚集效果。網狀結構大小主要取決于A劑的含量，同時可適當增加B劑含量，但需控制B劑量。為了能夠保證形成的煤團下沉到井底，且形成的體積盡量小，根據不同含量的煤粉含量，確定了SMF中不同的含量組合關系及A、B劑的用量(表2)。

圖7 不同含量煤粉混合液凝聚成團效果(A、B劑體積分數分別為10%和4%)

表2 不同煤粉含量對應的SMF用量

SMF復配體系控煤粉實驗結果表明：SMF能夠有效地聚集煤粉成團，并沉降，降低煤粉含量，加入SMF后的煤粉液體變清澈，說明SMF可以控煤粉。

在實際生產應用中，當煤層氣井井筒中煤粉質量分數接近3%時，通過油套環空加入SMF復配體系，并通過周期性添加，使煤粉聚集成團，沉降到井底口袋，使井筒中煤粉含量始終低于臨界含量0.5%以下，降低卡泵風險，大幅度延長檢泵周期。煤層氣井的井底口袋距離泵吸入口距離一般大于50 m，即口袋容積大于0.5 m3，利用SMF復配體系形成的煤粉團有效體積很小，不到煤粉混合液的1/10，理論上在一個檢泵周期內可以利用SMF處理10次以上來清潔井筒，因此，理論上可延長檢泵周期至10倍以上。當井筒中煤粉堆積過多時，可加入適量的酸性破膠劑破環網狀結構，使煤團分散，恢復單個顆粒煤粉，再利用其他措施將煤粉集中排出井筒，為煤粉卡泵的治理提供一種有效的解決方法。該方法工藝操作簡單，不影響煤層氣井的正常排采，理論上是一種可行的大幅度延長檢泵周期的煤層氣井井筒煤粉治理新技術。

3 結論

a.超級分子膜試劑(SMF)中A劑體積分數高于5%、B劑體積分數高于2%時，均可有效聚集煤粉成團。A劑含量越高形成的網狀結構越密，但吸附煤粉后整體密度低，導致煤粉懸浮。B劑的用量過多時，會促使網狀結構破壞，為了能夠保證控煤粉效果，盡量保證A、B劑用量保持或低于1∶1。

b. 針對不同煤粉含量，需調整實驗中A劑含量或用量，當煤粉含量達到10%以上時，通過增加A劑含量或用量，仍然能夠有效地聚集煤粉并沉降。

c.實驗證實，提出的SMF除煤粉試劑可有效控制煤粉量，使煤層氣井筒中的煤粉聚焦成體積較小的煤粉團，并沉降到井底，井筒中的液體變清澈、中性，降低井筒煤粉含量和卡泵風險，應用該方法進行周期性多次井筒煤粉清潔，可延長檢泵周期10倍以上，是一種可行的大幅度延長檢泵周期的井筒煤粉治理新技術。在應用于煤層氣井現場實際時，應結合煤儲層物性特征來優化配比和注入參數。

[1] 王丹，趙峰華，宋波，等. 分散劑影響煤粉采出效果的實驗研究[J]. 煤炭學報，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] 劉升貴，胡愛梅，宋波，等. 煤層氣井排采煤粉濃度預警及防控措施[J]. 煤炭學報，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，袁遠，魏迎春，等. 煤粉的成因機制–產出位置綜合分類研究[J]. 中國煤炭地質，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] 鄭春峰，李昂，程心平，等. 煤層氣有桿泵井排采煤粉產出規律表征與分析[J]. 科學技術與工程，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] 楊宇，曹煜，田慧君，等. 壓裂中煤粉對煤儲層損害機理分析與防控對策[J]. 煤炭科學技術，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] 許耀波. 煤層氣水平井煤粉產出規律及其防治措施[J]. 煤田地質與勘探，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，孫玉英，李薇，等. 高煤階煤層氣井煤粉產出對滲透率影響研究[J]. 中國煤層氣，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. 煤層氣洗井中不同粒徑煤粉的分散劑優選實驗[J]. 煤炭學報，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，張桂敏，賀鐵柱，等. JP2–4煤層氣井井筒煤粉煤塊沖銑工藝[J]. 油氣井測試，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，劉冰，刁秀芳，等. 煤層氣井循環補水排采工藝[J]. 煤炭學報，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] 張宏錄，謝先平，張龍勝，等. 延川南煤層氣田防煤粉工藝技術現狀及建議[J]. 油氣藏評價與開發，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，張傲翔，曹代勇，等. 臨汾區塊煤層氣井排采中產出煤粉特征[J]. 煤田地質與勘探，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. 煤層氣洗井中煤粉分散劑對煤巖的影響[J]. 煤炭學報，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] 劉春花，劉新福，周超. 煤層氣井排采過程中煤粉運移規律研究[J]. 煤田地質與勘探，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] 張文洪. 延川南煤層氣田修井原因分析及對策[J]. 中國煤層氣，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] 劉子雄，劉汝敏，韓冠楠，等. 煤層氣井壓裂裂縫內超級分子膜控煤粉可行性研究[J]. 煤炭科學技術，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] 劉升貴，張新亮，袁文峰，等. 煤層氣井煤粉產出規律及排采管控實踐[J]. 煤炭學報，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. 煤層氣開發中煤粉產出機理及管控措施[J]. 煤田地質與勘探，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，張遂安，張亞麗，等. 煤層氣水平井煤粉產出及運移特征[J]. 煤田地質與勘探，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，馮汝勇，柳迎紅，等. 煤粉產出機理及排采控制措施[J]. 大慶石油地質與開發，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

請聽作者語音介紹創新技術成果等信息，歡迎與作者進行交流

P618.11

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.06.017

1001-1986(2020)06-0125-05

2020-06-11；

2020-08-25

中海油田服務股份有限公司科研項目(YSB16YF004)

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

吳英，1979年生，女，遼寧大連人，碩士，從事油氣田開發工作. E-mail：wuying6@cosl.com.cn

吳英，李嘯南，劉子雄，等. 基于超級分子膜的煤層氣井控煤粉方法[J]. 煤田地質與勘探，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.

(責任編輯 范章群)