排采制度对煤粉运移的影响原因浅析——以某区块B1煤层气井为例

原玉东 王星锦 杜 明 王小明

(1．中国地质大学资源学院，湖北 430074;2．加拿大英发能源有限公司，北京 100062)

1 引言

煤岩基质破裂和结构完整性的破坏是煤粉的主要来源。与常规砂岩储层相比，煤的弹性模量低、泊松比高，在相同的外界条件下，结构更易破坏而产生煤粉，因此在煤层气储层的排采过程中经常会遇到由于煤粉运移、卡泵而停采的情况，极大地影响了煤层气井排采的效果。煤储层原生结构越差，这种情况就越严重。

研究区块内B1煤层气井开始排采7个月后，因卡泵停采，提泵后发现泵内被煤粉堵死，为分析排采制度对煤粉运移的影响提供了典型实例。本文的目的就是利用B1井的排采数据分析排采过程中煤粉的产生和运移特征，探讨排采制度对煤粉运移的影响因素及机制。

2 B1井生产排采情况分析

B1井目标煤层顶板深度683m，厚约7m，含气量约23m3/t，经清水+2%KCl压裂后于2011年4月3日开始使用螺杆泵排采，未下井下压力计，每天定时使用液位仪测定动液面深度。

排采初期井筒满液面，至4月9日液面降至215m，平均日降约36m，之后液面降低速度为8～27m/d不等，产水量为5m3/d左右，伴有少量游离气产出;4月21日液面降至305m时开始解析，临界解析压力为3.05MPa，产气量75m3/d，之后液面降低速度4～15m/d，平均7m/d，50天后产气量达到峰值284m3/d后很快下降，至6月19日液面降至煤层顶板 (6月29日因设备故障停泵后液面有所恢复)，从满井筒至液面降低至煤层顶板，平均液面降低速度为9.75m/d;之后产气量稳定在160m3/d左右至卡泵，产水量从最初的5.5m3/d逐渐下降至后来的0.6m3/d(图1)。从整个排采过程来看，液面降低速度过快且不稳定，产气量低，且达到峰值后很快降低。

图1 B1煤层气井生产排采曲线

3 煤粉运移原因分析

3.1 储层粘土矿物影响

研究区受区域构造影响，构造煤发育，煤体结构疏松，极易遭到破坏 (图2);对目标煤层煤进行XRD分析表明，粘土矿物含量高达18.1%，其中主要成分为高岭石，高达92%，由于其与煤岩基质颗粒附着力差，是典型的易运移粘土矿物。这些因素增加了煤粉产生和伤害煤储层的可能性，而排采速度过快和不稳定触发了煤粉的运移而堵塞渗流通道，导致气、水产量低，直至卡泵停产。

图2 B1煤层气井目标煤层煤芯照片

3.2 渗流速度

煤粉在煤岩孔隙系统和煤层流体中受到自身重力、煤粉之间和煤粉与孔隙壁间的范德华力、煤粉间双电层排斥力以及流体流动时的水动力的综合作用。在这个力学体系中，重力与范德华力维持煤粉在原处不动，双电层排斥力和水动力促使煤粉发生运移。正反两方面作用力的综合结果决定了煤粉的运移能否发生。

在多孔介质中，细粒的携带和沉积存在一个临界速度，当孔隙中流体速度低于临界速度时，不发生细粒的运移;当超过临界流速时，细粒由于受到流体扰动、平衡状态被打破而开始运移，且运移速度随流体速度线性增加。根据达西定理，地层流体向井筒径向流动时的渗流速度与单位距离内的压降成正比，井筒液面降低速度越快，井底流压越低，造成单位距离内的压降越大，渗流速度也越大，当渗流速度超过临界速度后，煤粉运移速度随排采速度的增大而线性增大;同时，渗流速度与离井筒的距离成反比，即越接近井筒，流体运移速度越快，从而携带更多的煤粉运移，最终导致煤粉在近井筒地带的堆积和堵塞。

多孔介质中的流体在稳定流速状态下，其携带的细粒物质浓度相对稳定，但当速度变化时，细粒浓度会出现剧增，即紊流使细粒受到的粘滞力增加，从而增加了对细粒的携带能力。这表明不稳定的排采制度、液面降低速度时高时低，将加剧煤粉的运移。

在B1井的排采过程中，由于没有安装井底压力计，对降液面的速度无法控制，导致排采速度快且不稳定，降液面速度在4～36m/d之间变化，造成了煤粉的运移和对储层的伤害。

3.3 孔隙变形和割理闭合

煤粉发生运移但若能从煤层排出至井筒，并不会导致渗透率的严重降低;若煤粉运移后被孔隙吼道或割理捕获，将最终堵塞渗流通道。因此煤粉和孔隙直径 (或割理宽度)的相对大小是这一过程的决定因素。若煤粉粒径足够小时不会发生堵塞;而当煤粉直径大于基质孔喉直径 (或割理宽度)，或多个小于孔喉直径 (或割理宽度)的煤粉同时进入孔喉 (或割理)时，则会发生桥堵。

排采速度过快将会影响压降漏斗向地层深部的有效传播，只有井筒附近很小范围内的煤层得到有效的排水降压;李金海等等通过数值模拟认为在达到临界解吸压力之前液面下降速率以5～10m/d为最佳，以扩大压降漏斗向储层深部延伸。

由于B1井经过水力压裂且排采速度过快，气体解析之前液面降低速度达到8～30m/d，导致压降漏斗扩散半径有限，近井筒小范围内煤层承受的有效应力急剧增加，一方面支撑剂的嵌入增加了煤粉的产生，另一方面由于应力敏感性，有效应力的增加使得孔隙结构变形和割理系统闭合，降低了孔喉直径 (或割理宽度)对煤粉粒径的有效比，造成了煤粉对渗流通道的堵塞;同时由于供气面积有限，导致B1井达到峰值产量后产气量迅速降低。

3.4 气水两相流

由于煤层气解析后，气水两相流会降低水的有效渗透率，影响排水降压的效果，因此在排水降压阶段，应控制降液面速度，尽可能在一段时间内使井底流压保持在临界解析压力之上，从而相对延迟煤层气的解析，维持水的有效渗透率，增加压降漏斗的影响半径，最终促进煤层气的大面积解析。

B1井由于液面降低速度过快，不仅影响了压降漏斗向深部地层的有效传播，还导致煤层气的过早解析，出现了气水两相流。一方面，煤层气的解析会造成煤岩基质的收缩，收缩率可达0.5%，虽然这在一定程度上会增加裂隙的宽度和新裂隙的产生，但同时煤岩完整性的缺失会导致煤粉增加，有可能造成渗透率短暂上升后的再次降低;另一方面，流体从单向流转变为双相流时，会造成煤粉运移所需的临界速度降低，即两相流使煤粉更加易于运移，增加了渗流通道堵塞的可能性，进而又影响了泄压半径的扩展。可见，两相流的过早出现会使压降漏斗限制在近井筒附近，制约煤层气的大面积有效解析。

4 结论

研究区内B1煤层气井的排采实践表明，过快且不稳定的排采制度导致了煤粉的运移和对渗流通道的堵塞，不利于煤层气的大面积解析。

(1)疏松的煤体结构和高粘土矿物含量是煤粉产生的来源;

(2)井筒液面降低速度过快增加了煤层内单位距离上的压差，使流体渗流速度超过煤粉运移的临界速度;

(3)不稳定的排采制度产生的紊流增加了对煤粉的粘滞力和携带能力;

(4)近井筒小范围内煤层承受的有效应力急剧增加，致使孔隙结构变形和割理闭合，同时产生更多的煤粉，导致渗流通道被煤粉堵塞;

(5)气水两相流的过早出现增加了煤粉运移的可能性，并进一步限制泄压面积的扩展。

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［2］陈振宏，王一兵，孙平.煤粉产出对高煤阶煤层气井产能的影响及其控制［J］.煤炭学报，2009，34(2):229－232.

［3］晏海武.煤层气井管内环空中煤粉排出条件的研究［D］.东营:中国石油大学，2010.