李小剛，宋峙潮，陳星宇

(1.西南石油大學(xué) 油氣藏地質(zhì)與開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500；2.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司 井下作業(yè)公司，四川 成都 610500)

煤層氣的開(kāi)采與其他常規(guī)儲(chǔ)層不同，由于煤儲(chǔ)層的天然裂縫中充滿了地層流體，而以甲烷為主要成分的煤層氣則以吸附的狀態(tài)儲(chǔ)集在煤層中[1-3]。所以煤層氣的開(kāi)采通常都需要經(jīng)歷排水、降壓、解吸、滲流這四個(gè)過(guò)程，而煤巖具有低彈性模量、高泊松比的特征，排水過(guò)程中產(chǎn)生的水動(dòng)力及降壓解吸等導(dǎo)致的壓力變化，都會(huì)導(dǎo)致煤體結(jié)構(gòu)的坍塌破碎，形成大量煤粉在重力、水動(dòng)力、范德華力、雙電子層斥力、波恩短程斥力等力的綜合作用下，在煤層中運(yùn)移，形成氣液固三相流，增大滲流阻力或吸附在煤巖骨架表面，堵塞孔喉[4-6]。除了對(duì)地層中的滲流造成影響外，也會(huì)在井筒內(nèi)沉降堆積，阻礙氣體的舉升[7]。

前人從數(shù)學(xué)模型和實(shí)驗(yàn)?zāi)M兩個(gè)角度，研究了煤粉在煤層及井筒內(nèi)的運(yùn)移規(guī)律。本文詳細(xì)介紹了煤粉產(chǎn)出機(jī)理及影響煤粉運(yùn)移的因素，總結(jié)了煤粉運(yùn)移的防治措施，指出了當(dāng)前對(duì)煤粉運(yùn)移規(guī)律研究的不足之處，對(duì)未來(lái)研究進(jìn)行了展望。

1 煤粉產(chǎn)出機(jī)理分析

煤粉產(chǎn)出與煤質(zhì)特征、現(xiàn)場(chǎng)施工情況以及排采過(guò)程有著密不可分的關(guān)系，例如：糜棱煤等煤質(zhì)就是產(chǎn)生煤粉的主要來(lái)源，因?yàn)槊永饷菏且驈?qiáng)烈形變和發(fā)生塑性流動(dòng)形成的，本身就是構(gòu)造應(yīng)力作用破碎成細(xì)粒狀，并被重新壓緊的產(chǎn)物，在輕微水動(dòng)力影響下或壓力變化下就會(huì)完全分解成煤粉[8]；現(xiàn)場(chǎng)施工情況對(duì)煤粉產(chǎn)出的影響程度，則要根據(jù)完井方式及是否進(jìn)行過(guò)增產(chǎn)改造等判斷，例如射孔完井的煤層氣井產(chǎn)出煤粉的幾率就比裸眼完井大，因?yàn)樯淇走^(guò)程會(huì)對(duì)煤質(zhì)產(chǎn)生沖擊，并且會(huì)造成儲(chǔ)層應(yīng)力變化，誘導(dǎo)煤粉產(chǎn)出[9]；排采過(guò)程對(duì)煤粉產(chǎn)出的影響主要體現(xiàn)在氣水動(dòng)力上，氣水動(dòng)力強(qiáng)的排采階段，攜帶出的煤粉也多[10-12]。

1.1 煤質(zhì)特征與煤粉產(chǎn)出的關(guān)系

煤化學(xué)特征包括煤的水分、灰分、揮發(fā)分、固定碳和煤化程度等?；曳执碇簬r的無(wú)機(jī)組分，因?yàn)槊簬r的無(wú)機(jī)組分主要由粘土礦物、氧化硅(石英)、碳酸鹽和硫酸鹽等組成，揮發(fā)分代表煤巖有機(jī)組分中的鏡質(zhì)組和殼質(zhì)組，固定碳代表著煤巖有機(jī)組分中的惰質(zhì)組[13]。這三種組分的硬度強(qiáng)弱順序依次為：鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組、殼質(zhì)組。其中鏡質(zhì)組含量越多，煤巖硬度越高，脆度越小，也就越易受到擠壓剪切后破碎形成煤粉[14]。除此之外，煤巖中的無(wú)機(jī)組分如黏土礦物等對(duì)煤巖骨架的吸附能力較弱，也容易脫落形成細(xì)質(zhì)煤粉[15]。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)施工與煤粉產(chǎn)出的關(guān)系

對(duì)煤巖造成影響的施工過(guò)程主要有射孔施工和壓裂施工，相對(duì)于煤層氣這種非常規(guī)儲(chǔ)層，這兩個(gè)施工過(guò)程又是必不可少的。由于煤層具有低彈性模量、高泊松比的特征，所以一般煤層完井方式都是套管完井，為了溝通近井帶與井筒，需要對(duì)目的層位進(jìn)行射孔作業(yè)[16]。射孔彈穿透套管與近井地帶，造成儲(chǔ)層應(yīng)力變化，擠壓剪切目的層煤巖產(chǎn)生煤粉，同時(shí)其內(nèi)所含化學(xué)物質(zhì)也會(huì)污染儲(chǔ)層，也會(huì)造成套管損害[17]。對(duì)于天然裂縫不發(fā)育的煤儲(chǔ)層來(lái)講，需要進(jìn)行水力壓裂建立煤層氣井的滲流通道，增大甲烷滲流能力[18]。高速水流的沖擊會(huì)破壞煤體結(jié)構(gòu)，誘導(dǎo)煤粉的產(chǎn)出，同時(shí)返排過(guò)程則會(huì)攜帶煤粉在儲(chǔ)層孔喉中運(yùn)移，或者堵塞滲流通道或者進(jìn)入排采系統(tǒng)，如泵筒或井筒中，長(zhǎng)期沉積會(huì)嚴(yán)重影響煤層氣產(chǎn)出，對(duì)水平井的影響更為巨大。

1.3 排采過(guò)程與煤粉產(chǎn)出的關(guān)系

煤層氣井的開(kāi)采可以分為以下四個(gè)過(guò)程，首先是排水降壓階段，其次是不穩(wěn)定產(chǎn)氣階段，然后是穩(wěn)定產(chǎn)氣階段，最后為產(chǎn)氣遞減階段[19]。這幾個(gè)過(guò)程主要通過(guò)氣水綜合動(dòng)力強(qiáng)度及壓力變化來(lái)影響煤粉產(chǎn)出程度及粒徑大小，例如：排水降壓階段，流體由地層向井筒內(nèi)流動(dòng)，流體在滲流過(guò)程中對(duì)裂縫壁面產(chǎn)生一定的粘滯力，對(duì)煤巖進(jìn)行剪切破壞，并在相對(duì)較強(qiáng)的水動(dòng)力作用下，破碎的煤巖隨流體運(yùn)移至井筒中。隨著日產(chǎn)氣量的增加，氣水動(dòng)力強(qiáng)度逐漸提升，會(huì)使煤粉大量運(yùn)移產(chǎn)出，同時(shí)使產(chǎn)出煤粉的粒徑也普遍增大。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定產(chǎn)氣時(shí)期后，由于產(chǎn)水量日趨降低，致使煤粉產(chǎn)出量又一次降低，且煤粉運(yùn)移逐漸趨于穩(wěn)定[20]。不穩(wěn)定產(chǎn)氣階段，產(chǎn)氣強(qiáng)度相對(duì)較小，在氣水兩相流動(dòng)的情況下，煤層氣與煤層水在煤儲(chǔ)層滲流通道內(nèi)將會(huì)相互制約，降低了氣水綜合動(dòng)力強(qiáng)度，使產(chǎn)出煤粉強(qiáng)度及煤粉粒度大小都大大降低[21]。表1總結(jié)描述了不同開(kāi)采階段，煤粉產(chǎn)出程度及粒徑分布范圍[22]。

表1 煤粉產(chǎn)出程度及粒徑分布范圍

2 煤粉運(yùn)移影響因素分析

對(duì)不同環(huán)境下的煤粉運(yùn)移情況來(lái)講，影響煤粉運(yùn)移的因素也不盡相同。前人針對(duì)不同區(qū)域(地層或井筒中)或同一區(qū)域但不同情況(地層支撐裂縫和地層割理裂縫中)下的煤粉運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了研究，研究手段包括室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬。王東營(yíng)等[23]進(jìn)行了水平井筒內(nèi)水?dāng)y煤粉及氣水兩相攜煤粉的宏觀實(shí)驗(yàn)，分析了氣液流量、煤粉粒徑、管徑大小等因素對(duì)煤粉運(yùn)移的影響，得到了單相與兩相流情況下煤粉的運(yùn)移機(jī)理，并建立了水平井筒中煤粉床高度的半理論模型。鄒雨時(shí)等[24]進(jìn)行了煤粉顆粒侵入壓裂裂縫支撐劑充填層的模擬實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為煤粉在支撐裂縫中的聚集附著，以及堵塞孔喉是損害支撐裂縫導(dǎo)流能力的主要因素；基于該項(xiàng)研究，2017年劉巖等[25]通過(guò)控制不同流速(模擬排采制度)、煤粉粒徑及煤粉質(zhì)量含量，模擬在支撐裂縫這些因素對(duì)煤粉運(yùn)移的影響，在研究中發(fā)現(xiàn)，煤粉與支撐劑混合后，易沉降滯留在支撐裂縫底部，對(duì)導(dǎo)流能力造成極大的損害，并且煤粉質(zhì)量含量越大，這種損害程度就越深，使用較大流速時(shí)，又會(huì)導(dǎo)致煤粉對(duì)支撐劑窄口的堵塞作用大于疏通作用，進(jìn)一步降低裂縫導(dǎo)流能力。由于煤層氣產(chǎn)出過(guò)程中需要經(jīng)歷氣水兩相流，所以陳文文等[26]指出了氣液比對(duì)煤粉運(yùn)移的影響規(guī)律，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氣體攜煤粉能力遠(yuǎn)強(qiáng)于液體，所以氣液比越大，煤粉產(chǎn)出越高。劉寒月等[27]則根據(jù)Fluent中連續(xù)相湍流模型理論及離散相模型理論，建立了煤粉顆粒運(yùn)移的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程及能量方程等湍流數(shù)學(xué)模型和煤粉顆粒離散相數(shù)學(xué)模型，基于這些模型，模擬計(jì)算了煤粉粒徑、煤粉質(zhì)量流率、流體粘度及流速對(duì)煤粉運(yùn)移的影響。

2018年，蔣金龍等[28]使用顯微鏡和鋼化玻璃板，首次實(shí)現(xiàn)了微觀下煤粉運(yùn)移規(guī)律的可視化研究。作者對(duì)驅(qū)替流量、煤粉粒徑、流體類型及煤粉來(lái)源等特征量在有無(wú)支撐劑的情況下進(jìn)行刻畫(huà)與分析，使用極差分析的方法比較了這些因素對(duì)煤粉運(yùn)移影響的強(qiáng)弱程度，發(fā)現(xiàn)驅(qū)替流量與煤粉粒徑是影響煤粉運(yùn)移的主要因素，由此可見(jiàn)，在割理裂縫和支撐裂縫中水動(dòng)力與煤粉自身重力對(duì)煤粉運(yùn)移有顯著影響。針對(duì)單一因素進(jìn)行分析，確定了各個(gè)影響因素對(duì)煤粉產(chǎn)出和運(yùn)移速度的影響規(guī)律。

根據(jù)前人對(duì)煤粉運(yùn)移影響因素的研究，本文作者發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段對(duì)運(yùn)移規(guī)律的刻畫(huà)大部分止步于發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象，總結(jié)規(guī)律卻無(wú)法揭示其運(yùn)移機(jī)理。即使有少量學(xué)者從微觀的角度，分析煤粉運(yùn)移規(guī)律，也存在著許多問(wèn)題。比如簡(jiǎn)化了煤粉在裂縫中的運(yùn)移環(huán)境，煤層壓裂使煤層縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，從單一裂縫推演整體縫網(wǎng)的運(yùn)移規(guī)律顯然是有失妥當(dāng)?shù)?；使用鋼夾進(jìn)行夾持密封，也無(wú)法準(zhǔn)確模擬煤層壓力環(huán)境，且每次實(shí)驗(yàn)的壓力也會(huì)由于操作者的原因產(chǎn)生較大誤差?？紤]在以后的研究中，建立大型可視化多裂縫裝置，可以從宏觀整體以及微觀局部觀察煤粉在其中的運(yùn)移規(guī)律；考慮增加穩(wěn)定的加環(huán)壓裝置，量化每次實(shí)驗(yàn)夾持壓力，這樣既可以增加實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性，也可以在不同夾持壓力下，分析煤層深度對(duì)煤粉運(yùn)移的影響規(guī)律。

3 煤粉運(yùn)移防治措施

對(duì)于煤粉運(yùn)移的防治措施，需要總結(jié)前文中對(duì)煤粉產(chǎn)出因素及運(yùn)移規(guī)律的研究，有針對(duì)性的提出相應(yīng)的方法。

3.1 減少煤粉的生成

①根據(jù)煤質(zhì)特征分析，煤層直井射孔時(shí)，應(yīng)盡量避開(kāi)糜棱煤層；水平井鉆井時(shí)，應(yīng)盡量避開(kāi)小微褶曲帶、斷層和底板附近構(gòu)造煤帶等[29]。②根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況分析，應(yīng)盡量采用控壓措施，能有效降低儲(chǔ)層應(yīng)力變化，相對(duì)穩(wěn)定的儲(chǔ)層應(yīng)力使煤體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，不易垮塌破碎[30]。③根據(jù)排采制度分析，應(yīng)盡量控制生產(chǎn)壓差穩(wěn)定，減少流體對(duì)煤層的沖刷。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中主要通過(guò)控制液面來(lái)控制壓差，進(jìn)而控制流速，避免頻繁停泵及液面快速升降，保持流速恒定且緩慢，才能盡量減少煤粉的產(chǎn)出[31]。

3.2 防止煤粉進(jìn)入裂縫

前期壓裂使用小粒徑支撐劑，后期尾追大粒徑支撐劑填充裂縫。在裂縫前端，較密的支撐劑鋪置可以有效防止煤粉進(jìn)入裂縫，裂縫尾端，大粒徑支撐劑有效增大近井地帶滲透率。

3.3 進(jìn)入后防止堵塞裂縫

在入井液流體中加入有分散煤粉作用的添加劑，能防止煤粉在裂縫中團(tuán)聚沉降，堵塞窄口。使之易被流體攜帶運(yùn)移，有效排出井筒[28]。

3.4 防止煤粉進(jìn)入井筒

最常規(guī)的方法為下入篩管，這種方法簡(jiǎn)單有效，但也需要優(yōu)化合理的篩管縫隙尺寸、篩管直徑及篩管長(zhǎng)度，才能有效防止煤粉進(jìn)入井筒[32]。

3.5 進(jìn)入后防止堵塞井筒

煤粉進(jìn)入水平井筒會(huì)形成煤粉床，進(jìn)入垂直井筒會(huì)沉積在井筒底部，影響氣體流動(dòng)，造成許多負(fù)面影響。針對(duì)煤粉進(jìn)入井筒后，可以使用泡沫沖洗液循環(huán)洗井排粉，泡沫粘度高、攜煤粉能力強(qiáng)、對(duì)地層傷害小[33]。也可以考慮專門(mén)鉆一口直井用于排液，可以有效將煤粉攜帶至地面，這樣生產(chǎn)井可以只用于采氣[29]。

3.6 優(yōu)化排采裝置

在上述防治措施的基礎(chǔ)上，還可以從優(yōu)化裝置的角度入手，采用螺桿泵、射流泵、防砂泵、空心抽油桿等裝置。

4 結(jié)論

(1)分析煤粉生成機(jī)理后，可以得出：鏡質(zhì)組含量多的煤硬度大，脆度小，更易受到擠壓剪切后破碎形成煤粉。為了建立滲流通道，增大導(dǎo)流能力，不得不對(duì)煤層進(jìn)行施工時(shí)，應(yīng)盡量減少應(yīng)力變化，降低流體對(duì)煤體結(jié)構(gòu)的沖擊，減少入井液傷害。煤層氣井生產(chǎn)制度應(yīng)遵循穩(wěn)定緩慢且持續(xù)的原則，才能減少煤粉的生成。

(2)分析煤粉運(yùn)移規(guī)律后，發(fā)現(xiàn)從微觀角度探索煤粉運(yùn)移機(jī)理的研究較少，且無(wú)法模擬帶地層壓力的多裂縫環(huán)境，考慮在今后的研究中可以建立大型可視化多裂縫裝置，從宏觀整體以及微觀局部觀察煤粉在其中的運(yùn)移規(guī)律，并增加穩(wěn)定的加環(huán)壓裝置，量化每次實(shí)驗(yàn)的夾持壓力。

(3)按照煤粉的生成、進(jìn)入地層、在地層中運(yùn)移、進(jìn)入井筒、在井筒中運(yùn)移的步驟思路，總結(jié)了各個(gè)步驟中現(xiàn)在廣泛應(yīng)用或處于構(gòu)想階段的煤粉運(yùn)移防治措施，并從裝置的角度，總結(jié)了能夠有效防治煤粉堵塞的現(xiàn)有手段。