第30卷第4期 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2011年8月 Vol.30 No.4 Journal of Liaoning Technical University（Natural Science） Aug. 2011

收稿日期：2011-02-12 网络出版时间：2011-8-26 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/21.1379.N.20110826.1720.006.html 基金项目：国家科技重大专项基金资助项目（2009ZX05038-002，2011ZX05038-001） 作者简介：刘升贵（1978-），男，四川 宜宾人，博士后，主要从事渗流力学、煤层气开发技术等方向研究。本文编校：朱艳华

文章编号：1008-0562(2011)04-0508-05 DOI: CNKI:21-1379/N.20110826.1720.006 煤层气水平井煤粉产生机理及控制措施

刘升贵1，贺小黑2，李惠芳1 (1.中国矿业大学 力学与建筑工程学院，北京100083；2.中国科学院地质与地球物理研究所，北京100029) 摘 要：为了揭示煤层气水平井煤粉产生机理，采用理论分析和现场实验的方法，分析了煤层气水平井产出煤粉的质量分数及颗粒粒径变化规律，提出了使用防砂尾管结合油套环空注水稀释煤粉质量分数预防卡泵的措施。研究结果表明：煤层气水平井产出煤粉颗粒粒径呈阶段变化特征，煤粉质量分数超标是导致卡泵停机的主要原因，使用防砂尾管结合井底注水稀释煤粉质量分数措施能有效延长煤层气排采井检泵周期。 关键词:煤层气；水平井；生产动态；煤粉；卡泵 中图分类号：TE 33 文献标志码：A Production mechanism and control measures of coal powder

in coalbed methane horizontal well LIU Shenggui1，HE Xiaohei2，LI Huifang1 (1.School of Mechanics & Civil Engineering, China University of Mining and Technology (Beijing), Beijing 100083, China; 2.Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China) Abstract: To reveal the production mechanism of coal powder in coalbed methane horizontal wells, the coal powder concentrations and particle size variations in coalbed methane horizontal wells are analyzed by combining theoretical analyses with field experiment. Also, the measures of using sand control liner combination of water injection in tube-casing annular space to dilute coal powder concentration is proposed for preventing pump stuck. The study results show that the stepped changes characteristic of coal powder particle size, and higher coal powder concentration than standard are major causes of pump stuck. The field application results demonstrate that the pump inspection cycle in a coalbed methane drainage wells is effectively extended by the measure proposed in this study. Key words: coalbed methane; horizontal well; production performance; coal powder; stuck pump

0 引 言 煤粉的控制是煤层气井排采管理中的重要环节，过量煤粉产出引起的机械故障将导致频繁检泵作业，从而产生大幅度的井底压力波动而破坏气、水、煤粉流态的连续性进而影响产气潜力[1-2]。经统计沁水盆地南部煤层气水平井平均检泵周期为六个月，鄂尔多斯盆地东缘煤层气水平井平均检泵周期为三个月，频繁的检泵作业对气井生产动态产生负面影响，增加了排采成本[3]。研究煤粉产出机理

有利于预防和减少煤粉卡泵事故发生，能有效释放煤层气井产能，实现煤层气资源高效开发。本文基于水平井煤粉监测数据，分析了煤粉产出规律，总结了煤粉产生机理；针对煤粉产出特点提出了使用防砂尾管结合油套环空注水稀释煤粉浓度预防卡泵的措施，使检泵周期延长。

1 水平井煤粉产出规律 煤层气绝大部分以吸附的方式储存在煤基质中，需要降低储藏压力才能使煤层气解吸[4]。煤储藏特点决定了煤层气井排采管理中的核心内容应该是井底压力和煤粉的控制[5]。煤粉的控制是非常重要

的环节[6]，煤层气水平井多采用裸眼完井方式[6-10]，随排采过程中，煤粉随水、气运移至生产直井井筒，一部分煤粉经排采泵吸入、提升至地表通过井口水管线排放，另一部分煤粉沉降至直井井底口袋。现场通过计量排出煤粉量加上检泵作业捞出井底煤粉量，总结各排采阶段煤粉产出规律。沁水盆地南部和鄂尔多斯盆地东缘近百口煤层气水平井排采实践表明，煤层气井煤粉产出伴随气井生产全过程，依据煤层气水平井排采现场取样测试，产出煤第4期 刘升贵，等：煤层气水平井煤粉产生机理及控制措施 509

粉颗粒粒径呈阶段变化特征（见图1），可划分为四个阶段，规律如下：

010203040506070

<11234567

8910>10

第一阶段第二阶段第三阶段第四阶段

颗粒粒径/mm

图1 煤层气水平井各生产阶段煤粉颗粒粒径分布特征 Fig.1 particle sizes distribution characteristics of coal powder during coalbed methane horizontal wells’ production phase （1）第一阶段以中、粗颗粒煤粉为主，粗颗粒煤粉沉积到井底口袋内，见图2、图3，大颗粒煤粉吸入排采泵容易造成卡泵，颗粒粒径5~10 mm，煤粉质量分数低，质量分数一般低于1%。该阶段煤层气井井底压力高于临界解吸压力，仅产水，不产气。

图2 沁南水平井产气前井筒聚集的煤粉颗粒 Fig.2 particle sizes collected within horizontal well shaft in Qinnan before gas producing （2）第二阶段为初期产气阶段，以中、细颗粒煤粉为主，颗粒粒径1~3 mm，煤粉质量分数高，部分井煤粉质量分数达到8%，细颗粒煤粉以悬浮液形式排出井筒，由于产水量下降，高质量分数煤粉往往造成卡泵，或煤粉在井底口袋内沉积造成埋泵（见图4、图5）；如沁水盆地南部PZP02-1井在产气初期表现出了强势的持续增长，而且是套管压力、产水量、产气量同步增长。但该井排采遭遇到了非常严重的煤粉干扰，致使产气增长势头被不断

打断，出现起伏。该阶段煤层气井井底压力处于临界解吸压力附近波动，产水、产气量波动较大。

图3 三交水平井产气前井筒聚集的煤粉颗粒 Fig.3 particle sizes collected within horizontal well shaft in Sanjiao before gas producing

图4 沁南水平井产气初期井筒聚集的煤粉颗粒 Fig.4 particle sizes collected within horizontal well shaft in Qinnan at initial gas production stage

图5 三交水平井产气初期井筒聚集的煤粉颗粒 Fig.5 particle sizes collected within horizontal well shaft in Sanjiao at initial gas production stage （3）第三阶段为产气高峰期，以细颗粒煤粉为主，颗粒粒径小于2 mm，煤粉质量分数较低，多数井质量分数低于0.5%，一部分煤粉以悬浮液形式排出井筒，另一部分沉积到井底口袋内（见图6）。该阶段煤层气井井底压力接近于零，仅少量产水。

体积分数/% 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 第30卷 510 （4）第四阶段为产气后期，基本无水产出，以微细颗粒为主，颗粒粒径小于1 mm，可随气体以粉尘形式排出，位于大宁煤矿的DNP02井排采两年半以后出现该情况，高速气体携带微细颗粒煤粉对干煤层微孔隙、裂隙孔道具有疏通、打磨作用，使水平井井筒周围煤层透气性明显提高，有利于充分释放煤层气产能。该阶段煤层气井井底压力为零，基本不产水。

图6 沁南水平井产气高峰期井筒聚集的煤粉颗粒 Fig. 6 particle sizes collected within horizontal well shaft in Qinnan at the peak of gas production

2 煤粉产生机理 煤粉是在钻井工程及排采扰动作用下引起煤层失稳破坏而产生的。按煤粉来源可分为钻井残留煤粉，井壁失稳产生煤粉，煤基质破裂产生煤粉。

2.1 钻井残留煤粉 由于煤储层微裂隙和割理发育，所以在钻进煤层时，要采取必要的措施对煤层加以保护，严防固相微粒堵塞煤层的微裂隙和割理系统形成污染。煤储层一旦污染，则很难恢复。为确保水平井产能，水平井钻井需要采用插管注气欠平衡施工工艺[11-12]，该技术有效保护煤储层，减少井筒煤

粉残留。井筒残留煤粉分为水平井井筒残留煤粉和直井洞穴台阶及井底残留煤粉两部分。 （1）水平井井筒残留煤粉 煤屑一旦被破碎、脱离井底后，被钻井液带走（小颗粒）或滞留在水平段某处的下井壁（较大颗粒）。煤屑的重力方向与钻井液流动方向相垂直，钻井液流动不能像在垂直井筒内那样直接克服重力沉降而使煤屑运移。重力使钻具躺在下井壁上，这种偏心环空造成下井壁处低速区，而这些低速区