煤层气压裂返排过程中煤粉产出规律实验研究_姜伟.pdf

第42卷第3期 2014年6月 煤田地质与勘探Vol. 42 No.3 Jun. 2014 COAL GEOLOGY 2.中国石油勘探开发研究院廊坊分院， 河北廊坊065007;3.西安科技大学化学与化工学院，陕西西安710054 摘要煤层气压裂返排过程中产出的煤粉影响煤层气解吸运移，易造成煤层渗透率的永久伤害， 降低气井产气量。采用自主研友的压裂液裂缝返排实验苯直，模拟一定煤粉粒径配比关系下，采 用不同的排禾制度和不同外力口液体，研究裂缝中煤粉的运移规律，测定煤粉和支撑剂被携带出的 11各界流量和煤粉返排效率，揭示煤粉运移与流体流速、外加液体关系的变化规律。研究表明清 水不能润湿煤粉，煤粉悬浮剂能较好润湿煤粉；煤粉含量越大，流出率越低；1某粉流出量随时间 变化满足幕函数递减规律；变排量排禾可以增大煤粉的返排效率。 关键词煤层气；压裂返排；；屎粉；排采制度；运移规律 中图分类号P618文献标识码ADOI 10.3969/j .issn.1001-1986.2014.03.011 Regularities of coal powder migration during fracturing liquid flowback in coalbed methane well 且ANGWei1立，GUANBaoshan1气QUShicun3, LIU Ping2, LIANG Li2 I Inst山teof Porous Flow and Fluid Mechanics, CNPC 2. Research Institute of Petroleum Exploration and Deνelopment CNPC, Langfang 065007, China; 3. School of Chemistry and Chemical Engineering,Xian Uniνersity of Science and Technology, Xian 710054, China Abstract With the use of fracturing fluid flowback experiment apparatus developed independently, this paper is to study the coal powder migration regularities with different percentage of coal powder of various sizes and different drainage system, plus distinct fluids. We explored the critical flow rate for coal powder and proppant migration, as well as the coal powder flowback efficiency. We aimed at establishing the relationship among coal powder migra- tion and fluid velocity and various fluids. Experiments show that water doesn’t wet the coal powder, but coal pow- der suspending agent does. The more the coal powder is, the lower the discharge rate. The change of outflow vol ume of coal powder versus time meets the law of power function decreasing. Drainage with variable discharge rates can promote the flowback efficiency of coal powder. Key words CBM; tlowback of fracturing liquid; coal powder; drainage system; migration regularity 中国煤层气储层具有低含气饱和度、低渗透率以 及低压力的“三低”特性。在煤层气开采及煤层气增产 改造中，水力压裂是目前最常用也是最有效的技术手段 [II。煤层气井在压裂作业完成后，压裂液需要及时返排， 以降低压裂液在煤层中的滞留时间，减少对煤储层的损 害。而在压裂返排过程中，压裂返排工艺对返排过程的 控制是影响压裂效果的重要因素之一。 压裂支撑剂和压裂液体系流过煤层表面与煤的摩擦 作用都会产生煤粉，而煤粉会堵塞煤层天然裂缝系统和 支撑剂充填层孔隙，影响煤层气解吸运移，造成煤层渗 透率的永久伤害［2-6］，严重影响煤层气井的产气。煤粉的 混入还会使液体粘度增加，或堵塞在裂缝尖端，造成施 收稿日期2013-03-14 基金项目国家科技重大专项（2011ZX05037 工压力升高。同时，煤粉粒进入井筒后，形成粘稠胶状 物进入泵内，易造成卡泵现象。煤粉返排不当会造成气 井产气量低于预期或不产气，给气田造成巨大的经济损 失，故急需研究煤层微粒运移规律和控制技术。 1 实验方案 实验使用自主研发的压裂液裂缝返排实验装置。 该装置主要包括管路系统（透明裂缝模型）和注液系 统。透明裂缝模型主要由有机玻璃组成，注液系统由 恒流恒压泵和控制系统组成。装置耐压0.5阳a，有效缝 尺寸2000 mm200 mm x 5～50mm，排量0.004～10 L/mino采用一定的煤粉配比，不同的排采速度，不 作者简介姜伟（1988一），男，湖北亵阳人，硕士研究生．从事煤层气开发研究． ChaoXing 第42卷 同的外加液体进行压裂返排实验。 实验用山西晋城无炯煤，煤粉粒径为0.147～ 0.177 mm80～100目）和0.096～0.125120～160目），将 两种粒径的煤粉按ll配比使用。实验用支撑剂为 0.42～0.841mm20～40目）石英砂。首先将支撑剂与石 英砂按固定比例混合均匀后加入到返排实验装置，流 体按一定的注入速度从流体进入口由泵注入，经模拟 地层，从流体输出口流出；用量筒定量盛接煤粉流出 物，然后将煤粉流出物离心、烘干，计算煤粉随时间 的产出量和产出率。 按照φ6.35cm排采油管，实验管线为φ6mm, 长度为lm，按照线速度相同的原则，如表l所示的 对应关系。 25 图l5煤粉含量情况下自来水携带煤粉性能对比图 Fig. I Tap water caπying coal powder perfonηance with 5 per- cent of coal power →←5煤粉向来，J-12.4mυminfllc-ht －←5煤粉向来水31mUmin抖Hd 「』5煤粉．自来水-62mUminfllirl 20 10 15 H、tli1JI min 5 EL AU A怜鸣，＆ Uoxo rOA 吗 伽 AU Et --’ l nunUAUAUAU （ T」EOONM）＼扫七每当宰亨趟 ’军军 煤田地质与勘探 48 表25煤粉含量情况下煤粉产出率 Coal powder flow back yield of tap water at 5 per- cent coal power 排采盘／（m3d-2 煤粉产出率／0.1215 表1泵排量与实际排采速度对应表 The corresponding relationship between pump flow rate and practical drainage flow rate I 2 3 Table 2 Table I 10 0.6669 5 0.2302 nu 7 5 排采li1/m3d- 泵排最／（mLmin1 4←－5煤粉向来水－12.4mL/minfllirl 一←5煤粉自来水一31mUmin排放 「.＿5ijU）向来1-62mL/minfll＇放 -r-15煤粉自来1-12.4mUminflt过 -r-15煤粉自来ll-31mUmin打放 →←15煤,t）向来水-62ml/min抖lf孟 25 图25与15煤粉含量情况下煤粉产出对比 Fig.2 Tap water carrying coal powder perance with 5 and IS percent of coal power 20 10 15 时li,J/min 5 [1.4 」 E 1.2 0 飞1.0 1f 0.8 〈τ 主0.6 主0.4 等。2 ii 。。 。 表315煤粉含量情况下煤粉产出率 Coal powder flowback efficiency of tap water with 15 percent of coal power 排采量／（m3d-12 煤粉产出率／0.0063 Table 3 10 0.0691 5 0.0271 自来水与煤粉悬浮荆对煤粉携带性能对比 用煤粉悬浮剂驱替5煤粉与支撑剂的混合物，将 煤粉流出物离心、干燥、称量，绘制煤粉产出量随时间 变化关系曲线如图3；计算的煤粉产出率如表4。 由图3及表4可以看出，加入煤粉悬浮剂后，煤 粉产出的速率和最终的效率都大大提高。由于煤粉悬 浮剂吸附在煤粉表面形成双分子层结构，极性端与水 有较强的亲和力，使煤粉与水润湿性增强［8θ］；固体颗粒 间因有静电斥力而远离［10］，使煤粉有效分散，体系 均匀，悬浮性增加，减少煤粉聚集吸附在煤粉表面， 降低了煤粉沉降速率。 2.3 62 实验流体为自来水，煤粉悬浮剂为FYXF-3。每 次返排试验在流出物清澈时停止。 5煤粉含量情况下煤粉携带性能对比 用自来水驱替5煤粉与支撑剂的混合物（排量 为12.4mL/min、31mL/min、62mL/min），将煤粉流 出物离心、干燥、称量，绘制煤粉产出量随时间的变 化关系曲线如图li计算的煤粉产出率如表2。 对比图l三种排量的煤粉产出曲线可以看出，随 着排量的增大，初始煤粉产出量增大，但随时间的增 加，煤粉产出量随排量的增大减少速度更快。这是由 于煤粉具有疏水性，不易分散在水中，在产出过程中 堵塞大孔道。初始煤粉流出量越大，堵塞越严重，故 煤粉产出减少更快。随排量的增大，煤粉总产出率增 加，但总体较小，说明清水不能很好携带煤粉。在排 量达到62mL/minlO m3/d）时，有支撑剂反吐，此排量 为该模拟地层条件下支撑剂返排的临界排量［7］。 5与15煤粉含量情况下煤粉产出对比 用自来水驱替15煤粉与支撑剂的1昆合物，将煤 粉流出物离心、干燥、称量，绘制煤粉产出量随时间的 变化关系曲线如图2；计算的煤粉产出率如表3。 由图2及表3可以看出，15煤粉含量的煤粉产 出量也随时间增加而减小；随排量的增加煤粉产出效 率增加。对比5煤粉含量与15煤粉含量可以看出， 煤粉含量增大后，煤粉的流出速率和最终的煤粉流出 效率都大大降低，这同样是由于煤粉的疏水’性，在运 移过程中堵塞孔道所致。 43.4 31 18.6 12.4 6.2 实验结果与分析2 2.1 2.2 ChaoXing 49 1.4 甘1.2 8 时1.0 时】 4哥0.8 〈、二 至0.6 王若 章。4 号。2 -ii 。。 对比12.4mL/min、31mL/min、62mL/min恒定 排量的煤粉产出量与6.2mL/min、18.6mL/min、 43.4 mL/min变排量的煤粉产出量可以看出，变排量 无论是煤粉产出的速率和最终的煤粉产出效率都大 大优于恒定排量返排，这与瞬间改变排量所产生的激 动压力密不可分。这一结果对实际煤层气的返排、排 采有实际的指导意义，但应注意激动压力可能导致的 新的煤粉产出和支撑剂返排（11-13］。 伟等煤层气压裂返排过程中煤粉产出规律实验研究 －←5煤粉向来水12.4ml/min排挝 －←5煤粉向来水－31mLlminNrfil 「←5煤,ti）归来水---{52ml/min排鼓 -5-Xi,M ;tifj）悬rr齐lj12.4 mL/minJt母 →－5煤粉;t_it粉悬浮开1J31 mL/min-rW挝 ----b---5煤粉．；版将｝悬浮开1]-62mL/mintW-td 姜第3期 a.煤粉具有较强的憎水性，不能被清水润温、 分散，故清水对煤粉的携带效果差。 b.煤粉悬浮剂对煤粉有较好的润湿作用，能抑 制煤粉沉降，增大煤粉流出率。 c.煤粉含量越大对孔道的堵塞作用越剧烈，煤 粉流出率更低。 d.随着排量的增加，煤粉初始产出量增大，但 由于煤粉堵塞孔道，煤粉产出量随时间的增加下降很 快，且满足幕函数递减。 e.变排量排采由于激动压力的作用有利于煤粉流 出，但要考虑其对新的煤粉产生及支撑剂反吐的影响。 川刘贻军，委建青中同煤层气储层特征及开发技术探讨[J] 然气工业，2004.241）“一71 [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，2009,342 229- 232 [3] SHAHVlR P, BAKER H. 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