張遂安,曹立虎,杜彩霞

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院,北京 102249;2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)氣體能源開(kāi)發(fā)與利用教育部工程研究中心,北京 102249;3.中國(guó)石油大學(xué)(北京)煤層氣研究中心,北京 102249)

煤層氣井產(chǎn)氣機(jī)理及排采控壓控粉研究

張遂安1,2,3,曹立虎1,2,3,杜彩霞1,2,3

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院,北京 102249;2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)氣體能源開(kāi)發(fā)與利用教育部工程研究中心,北京 102249;3.中國(guó)石油大學(xué)(北京)煤層氣研究中心,北京 102249)

煤層氣吸附/解吸特征、滲流機(jī)理和排采控制是煤層氣井生產(chǎn)的重要因素。為此,進(jìn)行了煤層氣吸附解吸實(shí)驗(yàn)和滲流特征實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明:煤層氣吸附/解吸是可逆的,存在“解吸滯后現(xiàn)象”;煤層氣滲流呈現(xiàn)二級(jí)滲流特征,即煤的基質(zhì)孔隙內(nèi)流體的滲流呈非達(dá)西滲流和天然裂隙及大孔隙內(nèi)流體的滲流呈達(dá)西滲流;煤層氣排采過(guò)程中,隨著排水降壓,規(guī)模開(kāi)發(fā)可導(dǎo)致“氣水分異”,局部高點(diǎn)氣產(chǎn)量高、水產(chǎn)量低,相對(duì)低點(diǎn)產(chǎn)水量高、產(chǎn)氣量低。同時(shí),煤層氣井排采過(guò)快、洗井修井、停抽關(guān)井、液面低于煤層頂面等易造成污染,致使氣水產(chǎn)量銳減,其傷害機(jī)理主要是煤粉堵塞傷害、應(yīng)力敏感傷害和氣鎖/水鎖傷害?；趥μ攸c(diǎn)及傷害機(jī)理,結(jié)合多年的排采經(jīng)驗(yàn),確立了以定壓排采、控制合理工作壓差和控制煤粉適度產(chǎn)出等排采工作制度。

煤層氣;產(chǎn)氣機(jī)理;控壓;控粉;排采

在原始煤層氣儲(chǔ)層(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“煤儲(chǔ)層”)條件下,煤層氣以吸附態(tài)賦存于煤儲(chǔ)層之中[1-2]?；诿簩託馕嚼碚?美國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)界創(chuàng)立了經(jīng)典的煤層氣開(kāi)采理論——“排水—降壓—解吸—擴(kuò)散—滲流—解吸—產(chǎn)出”理論[3],有力地推動(dòng)了美國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)的形成與發(fā)展。基于此,我國(guó)煤層氣業(yè)界探索并形成了一套獨(dú)特的煤層氣井排水采氣工藝技術(shù)(我國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)界將其簡(jiǎn)稱(chēng)為“排采”)。

由于美國(guó)、加拿大、澳大利亞的煤層氣儲(chǔ)層滲透率遠(yuǎn)高于我國(guó)煤層的滲透率,且其煤層結(jié)構(gòu)較我國(guó)的煤層結(jié)構(gòu)更有利煤層氣開(kāi)發(fā),因此我國(guó)煤層氣井排采遇到了美國(guó)、加拿大、澳大利亞未遇到的問(wèn)題,如煤粉傷害和應(yīng)力敏感傷害等問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題,國(guó)內(nèi)雖開(kāi)展了一系列研究,但都未系統(tǒng)的進(jìn)行闡述[4-9]。為此,系統(tǒng)研究了煤層氣的產(chǎn)氣機(jī)理和排采過(guò)程中的傷害機(jī)理,結(jié)合筆者20余年煤層氣開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的研究和實(shí)踐,提出以定壓排采、控制合理工作壓差和控制煤粉適度產(chǎn)出等排采工作制度。

1 煤層氣產(chǎn)出機(jī)理

由于煤層氣獨(dú)特的吸附態(tài)賦存特征,決定了煤層氣產(chǎn)出的先決條件是由吸附態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)(此過(guò)程稱(chēng)為“解吸”)?；诿簩託猱a(chǎn)出機(jī)理,開(kāi)展了煤層氣解吸機(jī)理和排水降壓機(jī)理研究。

1.1 排水降壓與區(qū)域壓力降

煤層氣井排采的本質(zhì)是通過(guò)排水,降低井底流壓,進(jìn)而降低儲(chǔ)層內(nèi)流體壓力,從而使吸附態(tài)的煤層氣因降壓而被解吸,由吸附態(tài)變?yōu)橛坞x態(tài),為煤層氣產(chǎn)出提供條件。儲(chǔ)層流體壓降的基本特征是壓降后的流體壓力的等壓曲線呈現(xiàn)為漏斗狀(被稱(chēng)為“壓降漏斗”),隨著持續(xù)排水降壓,壓降漏斗會(huì)不斷向外擴(kuò)展[10-11]。

研究表明,煤層氣井附近儲(chǔ)層內(nèi)的壓降漏斗形態(tài)和擴(kuò)展速率,不僅取決于該井的排水速率,同時(shí)還取決于煤層本身的孔隙度、滲透率等儲(chǔ)層特征。在排采過(guò)程中,在一定的井底流壓條件下,煤層氣儲(chǔ)層的滲透率越高,其壓降漏斗的形態(tài)就越平緩,滲流率越低其形態(tài)越陡。壓降漏斗形態(tài)和擴(kuò)展速率,決定著煤層氣的解吸總量和孔隙內(nèi)的氣、水飽和度,從而決定了該排采井的煤層氣產(chǎn)出速率和產(chǎn)出總量。

在開(kāi)發(fā)過(guò)程中,并非井底流壓或近井筒流體壓力低于臨界解吸壓力就會(huì)大規(guī)模解吸和產(chǎn)氣。實(shí)際上,只有當(dāng)煤儲(chǔ)層中流體壓力低于臨界解吸壓力的區(qū)域才會(huì)發(fā)生煤層氣解吸。根據(jù)沁水盆地南部的煤層氣勘探和開(kāi)發(fā)實(shí)踐發(fā)現(xiàn),從井底流壓低于臨界解吸壓力到大規(guī)模產(chǎn)氣,一般需要井底流壓低于臨界解吸壓力0.8 MPa才會(huì)出現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)氣,可把這個(gè)開(kāi)始大規(guī)模產(chǎn)氣的臨界井底流壓點(diǎn)定義為“臨界產(chǎn)氣井底流壓”。

井間干擾,會(huì)導(dǎo)致常規(guī)天然氣井的單井產(chǎn)量大幅度銳減,表明井網(wǎng)設(shè)計(jì)不合理。而井間干擾對(duì)煤層氣生產(chǎn)則是一項(xiàng)最有效的實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高產(chǎn)的技術(shù)措施。

從產(chǎn)出機(jī)理看,只有當(dāng)煤儲(chǔ)層內(nèi)的流體壓力降至臨界解吸壓力之下,吸附態(tài)煤層氣才可能被解吸,由吸附態(tài)轉(zhuǎn)化為游離態(tài)。但由于煤儲(chǔ)層的滲透率比較低,所以單井的臨界解吸壓力等值線壓降漏斗的擴(kuò)展區(qū)域會(huì)受到滲透率的局限。也就是說(shuō),僅僅靠單井排水降壓是很難實(shí)現(xiàn)大面積的煤儲(chǔ)層內(nèi)流體壓力降到臨界解吸壓力之下。

根據(jù)井間干擾原理,可以通過(guò)調(diào)整開(kāi)發(fā)井網(wǎng)的井間距,使相鄰井的壓降漏斗產(chǎn)生井間干擾,從而擴(kuò)大煤層氣解吸區(qū)域,實(shí)現(xiàn)煤層氣規(guī)模開(kāi)發(fā)井網(wǎng)的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。

1.2 煤層氣降壓解吸機(jī)理

為深入研究煤層氣的吸附/解吸機(jī)理,進(jìn)一步指導(dǎo)煤層氣開(kāi)發(fā),依托國(guó)家重點(diǎn)研究發(fā)展規(guī)劃(973)項(xiàng)目“煤層氣開(kāi)采基礎(chǔ)理論研究”和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“煤層氣解吸動(dòng)力學(xué)特征及解吸行為研究”,利用自主研發(fā)的AST-2000型大樣量煤層氣吸附解吸仿真實(shí)驗(yàn)裝置,深入開(kāi)展了煤層氣解吸機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究。

不同煤樣對(duì)CH4,CO2,N2等單組分氣體的吸附/解吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,不同煤樣、不同氣體的等溫解吸曲線和等溫吸附曲線有所相同。即:在同壓力點(diǎn),被吸附的氣體分子并不能被全部解吸,總會(huì)有部分氣體分子仍然被吸附,因此解吸過(guò)程具有顯著的壓力滯后現(xiàn)象,如圖 1所示,筆者將其稱(chēng)為“解吸滯后效應(yīng)”[12-13]。

多年的煤層氣產(chǎn)出機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究和開(kāi)發(fā)實(shí)踐發(fā)現(xiàn),煤層氣的吸附是偶于地質(zhì)時(shí)期煤的熱演化生烴、排烴過(guò)程之中的一個(gè)漫長(zhǎng)(以百萬(wàn)年計(jì)的地質(zhì)時(shí)間)的吸附過(guò)程(稱(chēng)之為“自發(fā)過(guò)程”),而煤層氣開(kāi)發(fā)所涉及的煤層氣的解吸問(wèn)題是一個(gè)物理解吸問(wèn)題,是一個(gè)人為的“排水—降壓—解吸”過(guò)程(“被動(dòng)過(guò)程”)[14]。

圖1 煤層氣解吸滯后效應(yīng)示意Fig.1 CBM desorption delayed effect

基于煤層氣的吸附/解吸機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),雖然用Langmuir方程擬合等溫解吸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的效果尚可,但用Weibull模型擬合的效果更好[15],其Weibull方程為

式中,V為解吸到壓力p下的殘余的吸附量,mL/g;a為煤樣最大吸附容量,mL/g;b為吸附速度/解吸速度與吸附熱/解吸熱的綜合函數(shù),MPa-1;c為匱乏壓力下的殘余吸附量,mL/g。

多年的煤層氣解吸機(jī)理實(shí)驗(yàn)以及煤層氣開(kāi)發(fā)實(shí)踐還發(fā)現(xiàn),由于煤吸附煤層氣是基于兩者之間的分子間范德華力,甲烷分子的吸附狀態(tài)是一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),其解吸是一個(gè)瞬間的過(guò)程,所以開(kāi)發(fā)過(guò)程中不會(huì)因所謂的煤層氣的解吸速度影響到煤層氣的產(chǎn)量。

1.3 煤層氣滲流機(jī)理

通過(guò)煤樣滲流機(jī)理實(shí)驗(yàn),首次發(fā)現(xiàn)煤層具有顯著的二級(jí)滲流特征,即基質(zhì)孔隙的非達(dá)西滲流和天然裂隙的達(dá)西滲流。

為探索煤儲(chǔ)層基質(zhì)孔隙內(nèi)流體的滲流機(jī)理,順煤樣分層鉆取了樣柱(稱(chēng)之為“順層樣柱”),并對(duì)順層樣柱進(jìn)行了滲流實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,流體在基質(zhì)孔隙中的流動(dòng)呈典型的非達(dá)西滲流,如圖2所示。此成果的實(shí)驗(yàn)條件為:實(shí)驗(yàn)圍壓為5 MPa,實(shí)驗(yàn)流體滲出口壓力為0.10 MPa。

1.4 規(guī)模開(kāi)發(fā)過(guò)程中的飽和度變化

在規(guī)模開(kāi)發(fā)過(guò)程中,隨著持續(xù)的排水-降壓,煤儲(chǔ)層孔隙中的流體不斷產(chǎn)出,煤儲(chǔ)層內(nèi)的流體壓力也在持續(xù)降低,從而導(dǎo)致一些吸附態(tài)煤層氣被解吸和產(chǎn)出。隨著煤層氣的解吸和產(chǎn)出,煤儲(chǔ)層孔隙中的氣飽和度、水飽和度不斷發(fā)生著變化。

以臨界解吸壓力等壓線為界,在高于臨界解吸壓力的區(qū)域,煤層氣未被解吸,為單相流狀態(tài);低于臨界解吸壓力的區(qū)域,煤層氣被不同程度地解吸,呈現(xiàn)出水和氣兩相流狀態(tài),兩相流的流動(dòng)狀態(tài)取決于相對(duì)滲透率。如圖3所示。

圖2 煤樣滲流速度與壓力梯度的關(guān)系Fig.2 Relationship between low rate and pressure gradient

圖3 煤層氣產(chǎn)出過(guò)程流體狀態(tài)示意[16]Fig.3 Diagram of fluid state during CBM production[16]

1.5 規(guī)模開(kāi)發(fā)過(guò)程中氣水分異現(xiàn)象

通過(guò)對(duì)研究區(qū)生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),在煤層氣規(guī)模開(kāi)發(fā)條件下,相對(duì)高部位井產(chǎn)氣量高、產(chǎn)水量低、甚至只產(chǎn)氣不產(chǎn)水,低部位井的產(chǎn)水量高、產(chǎn)氣量低、甚至只產(chǎn)水不產(chǎn)氣。此現(xiàn)象被稱(chēng)之為“氣水分異現(xiàn)象”。

在煤層氣規(guī)模開(kāi)發(fā)條件下形成氣水分異現(xiàn)象的主要原因主要有以下3方面:

(1)壓降-解吸作用,隨著區(qū)域壓降,煤層氣從吸附態(tài)變?yōu)橛坞x態(tài);

(2)重力-浮力,水受重力的作用,從高部位向低部位流動(dòng),從而使得低部位井水產(chǎn)量較高;煤層氣受浮力作用,從低部位向高部位流動(dòng),從而使得高部位井氣產(chǎn)量較高;

(3)氣頂現(xiàn)象,氣水分異導(dǎo)致在相對(duì)高部位形成煤層氣規(guī)模開(kāi)發(fā)過(guò)程中的“氣頂”,從而使得高部位井氣產(chǎn)量高,甚至只產(chǎn)氣不產(chǎn)水。

2 排采過(guò)程的煤儲(chǔ)層傷害機(jī)理

20世紀(jì)90年代初期,我國(guó)曾有一批煤層氣生產(chǎn)試驗(yàn)井因排采過(guò)程中速度控制不當(dāng)導(dǎo)致產(chǎn)量銳減。如沁水盆地南部的TL-006井、河北大城DC-001井等。研究發(fā)現(xiàn),導(dǎo)致這些煤層氣開(kāi)發(fā)試驗(yàn)井產(chǎn)量銳減的主要原因有排采過(guò)快、修井作業(yè)和關(guān)井停產(chǎn)。

2.1 排采過(guò)快

(1)情形1,應(yīng)力敏感性傷害。多年的開(kāi)發(fā)實(shí)踐發(fā)現(xiàn),煤層氣井排采過(guò)快,尤其是動(dòng)液面較接近煤層時(shí),會(huì)出現(xiàn)氣、水產(chǎn)量銳減。為進(jìn)一步探索應(yīng)力敏感傷害的機(jī)理,通過(guò)采集不同地區(qū)、不同變質(zhì)程度、不同巖石力學(xué)性質(zhì)、不同滲透率煤樣進(jìn)行應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn),大量的煤樣應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,煤儲(chǔ)層滲透率對(duì)有效應(yīng)力非常敏感。即:隨著有效圍壓增加,煤樣的滲透率被快速降低;而在有效圍壓逐步遞減過(guò)程中,雖然滲透率有所增加,但卻無(wú)法恢復(fù)到原來(lái)的滲透率,出現(xiàn)較大差距。此現(xiàn)象就是有效應(yīng)力對(duì)煤樣滲透率造成的傷害。所以排采過(guò)快導(dǎo)致井底流壓與煤儲(chǔ)層中流體壓力之間的壓差過(guò)大時(shí),近井筒地帶的煤儲(chǔ)層滲透率就會(huì)受到應(yīng)力敏感性傷害,從而致使煤層氣井的水產(chǎn)量和氣產(chǎn)量銳減。

(2)情形2,氣鎖或水鎖傷害。排采過(guò)快,極易造成大量煤粉產(chǎn)出,煤粉極易對(duì)泵體形成卡泵,卡泵造成停排,停排使得流動(dòng)的氣水兩相流驟然停止,從而會(huì)出現(xiàn)氣水分異現(xiàn)象。由于煤儲(chǔ)層的孔喉半徑較小,毛細(xì)管現(xiàn)象顯著,所以氣水分異會(huì)導(dǎo)致煤儲(chǔ)層的氣鎖或水鎖傷害,從而導(dǎo)致水產(chǎn)量和氣產(chǎn)量銳減。

(3)情形3,煤粉堵塞傷害。排采過(guò)快,易導(dǎo)致大量煤粉產(chǎn)出,煤粉堵塞泵體而造成卡泵,卡泵造成停抽,停抽會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)中的煤粉沉積而堵塞人工裂縫及天然裂縫,導(dǎo)致水產(chǎn)量和氣產(chǎn)量銳減。

2.2 修井作業(yè)

(1)情形1,敏感性傷害。修井作業(yè)會(huì)因外來(lái)液體進(jìn)入煤儲(chǔ)層,對(duì)煤儲(chǔ)層造成水敏、酸敏等敏感性傷害,從而導(dǎo)致水產(chǎn)量和氣產(chǎn)量銳減。

(2)情形2,煤粉堵塞傷害。修井作業(yè),循環(huán)液體會(huì)把人工裂縫中及井筒內(nèi)的煤粉推入到天然裂縫和人工裂縫之中,從而形成煤粉堵塞傷害,導(dǎo)致水產(chǎn)量和氣產(chǎn)量銳減。

(3)情形3,氣鎖或水鎖傷害。在修井作業(yè)過(guò)程中,會(huì)因外來(lái)液體進(jìn)入煤儲(chǔ)層,造成對(duì)煤儲(chǔ)層的氣鎖或水鎖現(xiàn)象,從而導(dǎo)致水產(chǎn)量和氣產(chǎn)量銳減。

2.3 關(guān)井停產(chǎn)

(1)直井。關(guān)井停產(chǎn)導(dǎo)致煤粉滯留在支撐裂縫,煤粉滯留堵塞裂縫,導(dǎo)致支撐裂縫導(dǎo)流能力降低甚至喪失,從而造成水產(chǎn)量和氣產(chǎn)量銳減;關(guān)井停產(chǎn),使?jié)B流中的氣液兩相流體形成氣鎖或水鎖,導(dǎo)致水產(chǎn)量和氣產(chǎn)量銳減。

(2)水平井。關(guān)井停產(chǎn)導(dǎo)致大量煤粉滯留在水平井近生產(chǎn)井井筒,堵塞井筒,從而造成水產(chǎn)量和氣產(chǎn)量銳減。

綜上所述,煤層氣井排采對(duì)煤層氣儲(chǔ)層及其人工裂縫可能造成的傷害有三大類(lèi),即:① 煤粉堵塞傷害;②應(yīng)力敏感傷害;③氣鎖水鎖傷害。

3 煤層氣井控壓控粉排采技術(shù)

基于上述煤層氣井排采過(guò)程中的傷害特點(diǎn)及傷害機(jī)理,結(jié)合多年的煤層氣井排采實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),確立了嚴(yán)格控制合理的工作壓差(特指井底流壓與儲(chǔ)層壓力之間的壓差)和精確控制煤粉適度的產(chǎn)出速度等關(guān)鍵的控制要素。

3.1 井底流壓、套壓與產(chǎn)量的關(guān)系

從煤層氣井排采技術(shù)的角度,制約煤層氣井產(chǎn)氣量和產(chǎn)水量的主要參數(shù)包括井口回壓、套壓、動(dòng)液面、井底流壓等,而這些參數(shù)本身又存在著相互作用、彼此影響的內(nèi)在聯(lián)系,如圖4所示。

圖4 煤層氣井筒各參數(shù)間耦合關(guān)系Fig.4 Coupling relationship of parameters of coal-bed methane well

3.2 排采技術(shù)要求及排采工作制度

為降低排采過(guò)程中的傷害,煤層氣井的排采設(shè)備選擇應(yīng)以保障長(zhǎng)期、穩(wěn)定和連續(xù)排采為前提條件。排采設(shè)備必須性能可靠,持久耐用,節(jié)能低耗,易于維修保養(yǎng)。同時(shí),要有從低排量到高排量較大范圍內(nèi)的排液能力與控制排液能力,還要有較強(qiáng)的和較靈敏的井口及產(chǎn)氣系統(tǒng)的壓力控制能力。

根據(jù)多年煤層氣井排采取得的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn),煤層氣井排采可采用的工作制度只有定壓排采,無(wú)法實(shí)現(xiàn)定產(chǎn)排采。即:煤層氣井排采應(yīng)在有效控制煤粉產(chǎn)出速率和合理的工作壓差的條件下,按照擬定的井底流壓進(jìn)行生產(chǎn)。

3.3 合理工作壓差的控制

基于上述煤層氣儲(chǔ)層易受到應(yīng)力敏感傷害,確立了控制合理工作壓差的排采控制理論。

如圖4所示,在煤層氣井排采過(guò)程中,控制工作壓差的方式是控制井底流壓,控制井底流壓的重要途徑是控制動(dòng)液面的高度和油套環(huán)空的氣體壓力(套壓)?？刂苿?dòng)液面的有效的手段是通過(guò)調(diào)整工作制度控制產(chǎn)水速率,從而控制動(dòng)液面的高度;通過(guò)有效地調(diào)整油嘴大小,調(diào)整套壓。

3.4 適度的煤粉產(chǎn)出速度的控制

多年的排采實(shí)踐發(fā)現(xiàn),無(wú)論是通過(guò)水力壓裂的直井還是水平井,都會(huì)產(chǎn)出一定數(shù)量的煤粉。煤粉的產(chǎn)出,極易導(dǎo)致卡泵,停排后煤粉又會(huì)對(duì)人工裂縫、水平井段、儲(chǔ)層造成傷害。但若不讓煤粉產(chǎn)出,同樣也會(huì)對(duì)人工裂縫、水平井段、儲(chǔ)層造成傷害。為避免煤粉造成的系列傷害,可以采取有效的“疏導(dǎo)”方式使其產(chǎn)出。從排采技術(shù)的角度考慮,控制煤粉以適度的速度產(chǎn)出的重要手段是合理控制產(chǎn)水量。

4 結(jié) 論

(1)煤層氣開(kāi)發(fā)所能涉及的煤層氣吸附/解吸主要是物理吸附和物理解吸,物理吸附的作用力是甲烷分子與煤分子的分子間力(范德華力)。鑒于這種作用力較小,所以煤層氣的物理吸附過(guò)程和物理解吸過(guò)程是可逆的,但存在“解吸滯后現(xiàn)象”(因解吸需克服范德華力)。由于物理吸附是一種動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程,因此煤層氣解吸是一個(gè)瞬間過(guò)程,所以不存在煤層氣解吸速率影響煤層氣產(chǎn)量。

(2)煤層氣滲流為典型的二級(jí)滲流,即:煤基質(zhì)孔隙內(nèi)的流體流動(dòng)多為非達(dá)西滲流,煤的天然裂隙及較大孔隙內(nèi)的滲流為達(dá)西滲流,且存在啟動(dòng)壓力、滑脫效應(yīng)等超低滲儲(chǔ)層所有的相關(guān)現(xiàn)象。

(3)在排采過(guò)程中,通過(guò)定壓排采,控制合理的工作壓差(特指井底流壓與儲(chǔ)層壓力之間的壓差),精確控制煤粉適度的產(chǎn)出速度可有效預(yù)防煤粉堵塞、應(yīng)力敏感和氣鎖/水鎖傷害,保證煤層氣井安全、有效排采。

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Study on CBM production mechanism and control theory of bottom-hole pressure and coal fines during CBM well production

ZHANG Sui-an1,2,3,CAO Li-hu1,2,3,DU Cai-xia1,2,3

(1.School of Petroleum Engineering,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China;2.Gas Energy Development Research Center of the Ministry of Education,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China;3.Coalbed Methane Research Centre,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China)

The characteristics of adsorption/desorption of coal-bed methane,percolation mechanism and drainage control are important factors in the process of CBM production.The experiments on adsorption/desorption of CBM and characteristics of percolation were carried out in this study.The results show that the process of adsorption/desorption of CBM is reversible,while the“desorption hysteresis”occurs in the process.The seepage of CBM presents the characteristics of secondary percolation,which means that the seepage flow in coal matrix porosity is non-Darcy flow and the flow in natural fractures and large pore is Darcy flow.In addition,the study has found a phenomenon of“gas-water difference”in coal seams at a large scale development for the drainage decompression in the process of gas recovery.The gas yield is high with low water production at local high locations,while the water yield is high with low gas production at relatively low locations.At the same time,the damage process includes fast production,work over,stop pumping and shut-in and low fluid level below the top surface of coal seam can easily lead to pollutions which result in the sharp decrease of gas-water production.Its damage mechanism mainly includes pulverized coal jam damage,stress sensitivity damage,air lock damage and water lock damage.Based on the damage characteristics,damage mechanisms andmany years’practical experience on CBM production,a drainage working system has been developed including draining with constant pressure,controlling a reasonable working pressure difference and maintaining a sound pulverized coal production rate.

coal-bed methane;CBM production mechanism;bottom-hole pressure;coal fines;production

P618.11

A

0253-9993(2014)09-1927-05

2014-07-20 責(zé)任編輯:韓晉平

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目(2011ZX05034-003,2011ZX05042-001,2011ZX05063)

張遂安(1957—),男,山東菏澤人,教授,博士生導(dǎo)師。Tel:010-89734802,E-mail:sazhang@263.net

張遂安,曹立虎,杜彩霞.煤層氣井產(chǎn)氣機(jī)理及排采控壓控粉研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(9):1927-1931.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.8025

Zhang Suian,Cao Lihu,Du Caixia.Study on CBM production mechanism and control theory of bottom-hole pressure and coal fines during CBM well production[J].Journal of China Coal Society,2014,39(9):1927-1931.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.8025