煤层气开发中煤粉产出机理及管控措施_魏迎春.pdf

第 46 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 46 No.2 2018 年 4 月 COAL GEOLOGY 2. PetroChina Coalbed Methane Co. Ltd., Beijing 100028, China Abstract Pulverized coal is the key factor restricting continuous stable coalbed methane production. Taking Hancheng coalbed methane block as the research area, adopting the research s of the field monitoring, experiment test and analyses, physical simulation experiment, the engineering application, from the aspects of the reasons and influence fac- tors of the pulverized coal, the pulverized coal output laws and control measures, the research on output mechanism and control measures of pulverized coal were conducted systematically. The results show that the influence factors of pulver- ized coal output are divided into static geologic factors of coal reservoir and dynamic engineering factors of coalbed methane development. The different coal body structure has different orientation and characteristics of pulverized coal. The pulverized coal concentration of granulated coal and scaled coal output is high, the yield is large. Pulverized coal is mainly composed of inorganic minerals and vitrinite. The concentration and particle size of the pulverized coal have dis- tinct stages change in the different coalbed methane production stage. Based on the output mechanism research of the pulverized coal, combined with the production practice of the coalbed methane well, the control measures system of the pulverized coal is put forward from the geological prevention, reservoir reconstruction, equipment selection, early warn- ing, drainage controlling and process treatment. The control measures have been applied to the CBM wells in Hancheng block. The good results have been achieved. Keywords coalbed methane; pulverized coal; influence factors; output mechanism of the pulverized coal; control measures ChaoXing 第 2 期 魏迎春等 煤层气开发中煤粉产出机理及管控措施 69 由于我国煤盆地构造–热演化的复杂性和煤储 层的特殊性， 煤层气排采过程中普遍存在煤粉产出 问题[1-4]，煤粉产出是制约煤层气连续稳定排采的 关键因素之一[5-7]。煤粉运移滞留在储层孔裂隙内 或运移通道内， 会逐渐降低裂缝导流能力和煤层渗 透率，使煤层气井产能过早出现衰减现象；煤粉运 移到井内聚集沉淀或进入排采系统， 将导致埋泵和 卡泵，引起频繁检泵和修井作业，严重影响煤层气 井的排采进而影响煤层气井产气潜力[8-12]。因此， 笔者以韩城煤层气区块为研究区，采用现场监测、 测试分析、物理模拟及现场工程应用相结合的方 法，系统分析煤粉产出的影响因素及成因、煤粉产 出特征及规律，提出煤粉管控措施体系。为有效保 障煤层气井高效稳定排采提供理论基础和实际应 用。文中的煤粉是指在煤层气开发过程中，存在、 滞留或运移在储层、 通道和排采设备系统中的固相 颗粒物，也称之为“煤泥” 。 1 煤粉产出的影响因素及成因 煤层气井排采过程中产生的煤粉，主要包括两 种类型①原生煤粉，地质演化过程中，煤化作用 和构造变形产生的煤粉，这部分煤粉主要存在断层 面、层间滑动面及煤中孔裂隙内，煤层中的黏土矿 物，也是原生煤粉的重要来源。原生煤粉，在煤层 气开发前一直存在煤储层内，排采过程中随着裂隙 内的流体运移。②次生煤粉，即煤层气开发中由机 械破坏或应力改变产生的煤粉。机械破坏产生的煤 粉，主要包括钻井过程中钻具对煤层的研磨、压裂 过程中压裂液对煤层的冲刷及压裂支撑剂的打磨等 产生的煤粉；应力改变产生的煤粉主要为在排采过 程中应力条件的改变， 导致煤岩应力平衡遭到破坏， 煤基质破裂，产生的煤粉。 煤粉的产出是多种因素共同作用的结果[13]，从 煤粉成因方面进行分析，煤粉产出影响因素划分为 煤储层物性静态地质因素与煤层气开发动态工程因 素两类。煤储层物性静态地质因素煤岩自身性质 是煤粉产出的基础，煤储层物性静态地质因素包括 煤岩特征、煤体结构特征及煤层结构特征等。而煤 层气开发动态工程因素工程扰动是煤粉产出的诱 因，直接导致煤粉的生成，煤层气开发动态工程因 素包括钻井、射孔压裂及排采的机械破坏及应力改 变。根据煤体结构测井曲线解释结果与煤层气开发 中煤粉监测数据分析可知，煤层中构造煤越发育， 产出煤粉体积分数越高[14]。因此，构造煤的发育在 煤粉产出方面起到关键性作用[15]。 通过煤体结构对煤粉产出影响的物理模拟实 验[16]和煤层气井产出煤粉与煤岩粉特征对比研究， 从产出煤粉量、煤粉粒度、煤粉形态等方面，分析 不同煤体结构煤对煤粉产出的倾向性及特征不同 表 1，其中，碎粒煤和糜棱煤产出的煤粉量大， 粒度小，呈单峰。通过 SEM 观察物理模拟实验产 出的煤粉形态， 发现原生结构煤和碎裂煤易产出柱 状煤粉，碎粒煤易产出粒状煤粉，糜棱煤易产出片 状煤粉。 表 1 产出煤粉的倾向性及特征 Table 1 The orientation and characteristics of the pulverized coal 煤体结构类型 脱落方式 煤粉形态 煤粉粒度/μm 煤粉量 产生煤粉倾向性 原生结构煤 块状脱落 柱状或块状 双峰10100，1 000 碎裂煤 块状脱落 柱状或块状 双峰10100，420850 煤粉量小 岩石力学强度大，原生煤粉少， 后期可产生次生煤粉 碎粒煤 粒状脱落 粒状 单峰180420 糜棱煤 片状脱落 片状 单峰10100 煤粉量大 岩石力学强度小，原生煤粉多， 后期易产生次生煤粉 2 煤粉产出规律 煤层气排采阶段是一个排水降压采气的过程， 也是煤粉产生的过程。排水过程中，流体在搬运煤 粉颗粒的同时，也对煤层进行冲蚀，对于水平井容 易造成井壁坍塌和破裂，形成煤粉。如果排采过快， 流体就会迅速流出，使煤粉大量排出，还可能造成 储层裂缝闭合，井眼坍塌。如果排采过程中出现卡 泵停机，在重新启动排采时，流速瞬间增大，流体 冲蚀作用将扰乱先前沉淀下来的煤粉，煤粉大量产 出。通过煤层气井现场排采实践、煤层气井的现场 监测和煤粉特征的系统分析，韩城区块的煤粉产出 伴随整个煤层气生产过程，随着排采的递进，煤粉 产出特征具有明显的阶段性[17]。 韩城区块煤层气井生产排采阶段划分为排水降 压、起套压、放产和稳定产气 4 个阶段。结合韩城 ChaoXing 70 煤田地质与勘探 第 46 卷 区块煤层气井生产排采阶段的划分，本文选取 7 口 煤层气井，这 7 口井所处地质构造条件相同、但处 于 4 个不同的排采阶段。对 7 口煤层气井产出的 93 个煤粉液样，进行煤粉体积分数测试和粒度测试分 析。由图 1 可知，韩城区块煤层气井产出煤粉的体 积分数整体上随排采阶段递进先增高后降低。在排 水降压阶段产出煤粉的体积分数不高， 数值波动小； 在起套压和放产阶段，产出煤粉的体积分数大，数 值波动大；在稳定产气阶段，产出煤粉的体积分数 低，数值波动小。采用激光粒度仪对各排采阶段的 煤粉样进行粒度测试。由图 2 可知，由于不同排采 阶段的排水采气强度的变化，产出煤粉粒度随排采 阶段也具有一定的规律，韩城区块煤层气井产出煤 粉的粒度随排采阶段递增而变小。 图 1 不同排采阶段产出煤粉体积分数 Fig.1 The pulverized coal concentration in the different production stages 图 2 不同排采阶段产出煤粉粒度[18] Fig.2 The particle size of the pulverized coal in the different production stages 3 煤粉管控措施体系 基于煤粉产出影响因素及成因、煤粉特征、煤 粉产出规律的研究，结合煤层气井生产实践，本着 “有效避开、少产煤粉、疏而不堵、事前预防、事 后处理”的思想，从地质预防、储层改造、设备优 选、生产预警、排采控制和工艺治理方面提出了一 套煤粉管控措施体系表 2。 在煤层气开发选区布井 阶段，主要从地质预防方面，通过地质分析和地球 物理解释，避开易产出煤粉区域和层段，降低原生 煤粉产出。在储层改造阶段，主要通过间接压裂、 酸化压裂和压裂参数优化，减少次生煤粉的生成。 在生产排采阶段，从设备优选方面，选择自洁泵、 射流泵、电潜螺杆泵或杆式泵，顺利排出煤粉。从 表 2 煤粉管控措施体系 Table 2 The controls system of the pulverized coal 煤层气开发阶段 措施类型 具体措施 具体措施目的 选区布井阶段 地质防预 地质分析和地球物理解释 避开易产出煤粉区域和层段 间接压裂 压裂煤层顶板砂岩，减少次生煤粉生成 酸化压裂 减少无机矿物颗粒生成 储层改造阶段 储层改造 压裂参数优化 减少次生煤粉生成 自洁泵 稀释煤粉浓度 射流泵 加速煤粉排出 电潜螺杆泵 缓解煤粉聚集 设备优选 杆式泵 能排出少量煤粉 煤粉浓度监测 煤粉浓度情况 生产预警 示功图监测 反映井下工况及煤粉情况 排采控制 排采制度精细化 适度产粉，疏而不堵，稳定排采 常规洗井工艺 稀释煤粉浓度 酸化洗井工艺 溶解固结煤泥 空心抽油杆洗泵 清洗泵中煤粉、煤垢 生产排采阶段 工艺治理 防粉筛管工艺 防大颗粒煤粉进入泵内 ChaoXing 第 2 期 魏迎春等 煤层气开发中煤粉产出机理及管控措施 71 生产预警方面，通过煤粉浓度监测和示功图监测， 掌握煤粉情况，事前预防。从排采控制方面，通过 排采制度精细化，适度产粉，疏而不堵，稳定排采。 从工艺治理方面，通过常规洗井、酸化洗井、空心 抽油杆洗泵和防粉筛管，预防煤粉事故或事故后处 理。不同的煤粉管控措施，其适用条件不同表 3。 表 3 不同煤粉管控措施的适用性 Table 3 The applicability of different pulverized coal controls 措施 类型 目的 理论依据 具体措施 措施适用性 措施不足 地质 预防 减少原生煤 粉产出 构造、水文、煤层、 煤体结构等影响煤粉 产出的静态地质因素 地质分析和地 球物理解释 煤层气开发选区和布井阶段 预测分析结果，与实际可能 有差异 间接压裂 煤粉高发区，且煤层顶板为 弱含水砂岩层 若顶板为强含水砂岩层，导 致只产水，不产气 酸化压裂 无机矿物含量高煤层 易伤害储层 储层 改造 减少次生煤 粉生成 煤岩组分、煤层顶板 岩性及含水性等煤粉 产出的影响因素 压裂参数优化 煤层气直井和定向井 压裂参数调整复杂 自洁泵 产煤粉多的煤层气井 射流泵 水量大、煤粉严重的斜井和水平井 易泵芯结垢，导致停机 电潜螺杆泵 易发生煤粉卡泵、高产水浅井 安装较为复杂，定子易坏 设备 优选 顺利排出煤 粉， 防止煤粉 卡泵、埋泵 地层供液能力，产出 煤粉浓度 杆式泵 产煤粉少的浅井 不适用产煤粉严重的井 煤粉浓度监测 产煤粉的井 无法实时监测 生产 预警 监测煤粉情 况， 预警提示 煤粉产出影响因素， 煤粉产出规律 示功图监测 产煤粉的井 可能非煤粉原因引起示功 图变化 排采 控制 疏而不堵， 稳 定排采 煤粉产出的动态影响 因素，煤粉产出规律 排采制度精细化所有煤层气井 不同井不同排采阶段参数 选择不同 常规洗井工艺 产出煤粉中含无机矿物少的井 煤泥垢严重的井通过常规 注水洗井是无法有效避免 井筒卡堵的 酸化洗井工艺 煤泥垢严重的井 由于不同井煤粉中矿物不 同，需要酸液配置不同 空心抽油杆 洗泵 煤粉导致的泵效低、软卡的产气井 或有套压井 泵卡死后无法使用 工艺 治理 预防卡泵和 埋泵， 解决卡 堵 产出煤粉浓度、 粒度、 成分特征，煤粉产出 的影响因素 防粉筛管 所有煤层气井 筛管孔易堵塞 3.1 地质预防措施 通过煤粉产出的影响因素分析，煤储层静态 地质因素是煤粉产出的基础，构造煤类型与发育 程度是控制煤粉产生的关键因素。煤体破碎程度 越严重，煤层中所含原生煤粉越多。煤层结构越 复杂，产出煤粉的无机矿物含量也高。因此，在 煤层气开发选区布井阶段，通过地质分析和地球 物理解释方法，分析煤岩组分、煤体结构、煤层 结构等储层地质条件，预测和圈定煤粉高发区域 和层段，提前优化选区布井，为地质方面预防煤 粉产出提供依据。 3.2 储层改造措施 压裂液和压裂砂不仅造成煤岩的物理破坏，还 会引起无机矿物发生水岩反应等，导致大量的次生 煤粉生成和运移[18]。因此，在储层改造阶段，通过 分析煤岩成分、煤岩力学性质和顶板岩性及含水性 等，从改变压裂工艺、改进压裂液成分或改换压裂 层位等三方面制定煤粉管控措施。针对煤岩力学性 质，优化压裂参数，减少次生煤粉生成。针对顶板为 弱含水砂岩层的煤粉高发区， 采取压裂煤层顶板的砂 岩， 而不是直接压裂煤层的间接压裂， 减少对煤层的 伤害， 降低次生煤粉的生成。 针对无机矿物含量高的 ChaoXing 72 煤田地质与勘探 第 46 卷 煤层，采用酸化压裂，溶解无机矿物颗粒。 3.3 设备优选措施 根据煤储层地质与排采生产资料，评估地层供 液能力与预测煤粉产出强度，优选排采设备，达到 顺利排出煤粉，防止煤粉卡泵、埋泵。针对产水情 况、产煤粉情况和设备的适用性，选取具有足够携 粉能力的泵型。自洁式抽油泵和射流泵具有稀释煤 粉浓度、加速煤粉运移、缓解煤粉聚集等功能的排 采生产设备，可顺利有效排出煤粉。 3.4 生产预警措施 在煤层气生产排采过程中，采用示功图监测和 煤粉浓度监测，需定期监测煤层气井的排水采气强 度、动液面深度、套压、抽油机工作状况及地面井 口排出液的含煤粉情况等。根据示功图形态和煤粉 浓度情况，采取相应防治措施，延缓或避免井下故 障的发生。达到事前煤粉预防，维持煤层气井连续 稳定排采。根据示功图形状特征与载荷数据，分析 井下设备工况，对出现故障苗头的煤层气井，及时 采取排采控制和洗井等措施[19]。根据监测的煤粉浓 度，对煤粉浓度超过浓度极限值的煤层气井，及时 采取排采控制和洗井等措施。 3.5 排采控制措施 本着煤层气井控粉控压的“双控逐级排采”理 念， 在煤层气井不同排采阶段采用不同的排采制度。 根据煤粉产出规律和煤粉特征，结合排水采气和储 层压力情况，针对不同排采阶段，不同排水采气和 产煤粉情况的煤层气井， 制定相应的排采控制措施， 实现排采制度精细化，起到适度产粉，疏而不堵， 稳定排采的目的。 3.6 工艺治理措施 根据煤粉产出的影响因素和煤粉浓度、粒度、 成分等特征，通过煤粉浓度监测和示功图监测，对 出现故障苗头的煤层气井或已出现泵效低、软卡或 卡泵的煤层气井，采用不同的洗井工艺措施，预防 煤粉事故发生或事故后处理。针对产出煤粉中含无 机矿物少的井，采用常规水洗井工艺治理，针对煤 粉中含无机矿物多、煤泥垢严重的井，采用酸化水 洗井工艺治理，针对煤粉导致的杆式泵效低或软卡 的产气井或有套压井，采用空心抽油杆洗泵工艺治 理，预防或解决卡泵和埋泵事故。在煤层气开发中， 为防止大颗粒煤粉进入泵内造成卡泵，在泵吸入口 增加防粉筛管。 根据提出的煤粉管控措施体系，结合韩城区块 煤层气井生产实践，针对煤层气井的具体情况和煤 粉管控措施的适用性，对韩城区块煤层气井制定了 相应的煤粉管控措施。对煤粉管控措施效果监测， 结果表明，延长了修井时间，减少了修井费，保障 了煤层气井稳定排采，取得了良好效果。 4 结 论 a. 从煤粉成因方面，将影响煤粉产出的因素分 为煤储层物性静态地质因素与煤层气开发动态工程 因素两类。煤储层物性静态地质因素是煤粉产出的 基础，包括煤岩特征、煤体结构特征及煤层结构特 征等。而煤层气开发动态工程因素是煤粉产出的诱 因，包括钻井、射孔压裂及排采的机械破坏及应力 改变。指出了不同煤体结构煤对煤粉产出的倾向性 及特征不同， 原生结构煤和碎裂煤易产出柱状煤粉， 碎粒煤易产出粒状煤粉，糜棱煤易产出片状煤粉。 碎粒煤和糜棱煤产出的煤粉量大。 b. 随着排采的递进，煤粉产出特征具有明显的 阶段性。韩城区块煤层气井产出煤粉的体积分数随 排采阶段递增先增高后降低，产出煤粉的粒度随排 采阶段递增而变小。在排水降压阶段，产出煤粉体 积分数不高，但产出煤粉量大，产出煤粉的粒度大， 粒度分布范围较广。在起套压阶段和放产阶段，煤 层气井产出煤粉的体积分数大，煤粉粒度小。在稳 定产气阶段，煤层气井产出煤粉的体积分数小，体 积分数波动小，粒度逐渐变小。 c. 基于煤粉产出影响因素及成因、煤粉产出规 律的研究，结合煤层气井生产实践，从地质预防、 储层改造、设备优选、生产预警、排采控制和工艺 治理方面，提出了一套煤粉管控措施体系。针对不 同煤层气井的特点，根据不同煤粉管控措施的适用 性，对韩城区块煤层气井制定了适宜的煤粉管控措 施，取得了良好效果。 参考文献 [1] 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，2009，342229–232. 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