单相流驱替物理模拟实验的煤粉产出规律研究_曹代勇
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煤层气井煤粉产生及运移条件研究_东振_鲍清英_张义
—————————————— 收稿日期：20140801；改回日期：20141120 基金项目：大型油气田及煤层气开发科技重大专项 33 项目 05 课题“中国煤层气有利区块评价与勘探部署 建议” （2011ZX05033-005） 作者简介：东振(1988-)，男，助理工程师，2010 年毕业于中国石油大学(华东)石油工程专业，2013 年毕 业于中国石油大学(北京)油气井工程专业， 获硕士学位， 现从事煤层气钻完井方面的研究工作。
图 4 煤粉运移临界速度
煤层气压裂中常使用 16～30 目和 20～40 目的支撑剂，根据式(8)求得支撑剂间隙中煤 粉的半径为 0.046mm 和 0.032mm。假设压裂结束后煤层的渗透率提高到 0.6μm2，支撑剂与 裂缝之间的接触面积为 0.05mm2，由图 5 可知，随支撑剂半径的增加，支撑剂临界运移速度 减小，粒径相同的支撑剂闭合压力越大临界运移速度也越大。使用 20～40 目的支撑剂计算 得到煤粉临界流速为 2.47mm/s，压裂后裂缝中的排液速度大于 2.47mm/s 时，支撑剂间的煤 粉才能有效排出。
1.2 2 36R3.22v11.2 (222 3gK2R1.6v10.6f 0.40.6 36 3gK2R2.2f v1 )(s f ) 12R1.6v10.6 v1 111Kf 0.40.6 18Kf R0.6v10.6
(6)
(3)500<Re<20000 时属于紊流区(CD=0.44)，煤粉临界运移速度为：
其中： F R f v i π
2 2 3 4πR3 ( )g,F πR2 C v2。 , Fp 4πR v , F 3 K G 3 s f r 2 D f
(1) (2)
式中：Fi 为冲击力，N；Fp 为压差力，N；Fr 为表面力，N；Fg 为重力，N；Fb 为浮力，N； FG 为浮重，FG=Fg-Fb，N；Fn 为支持力，N；Ff 为摩擦力，N；R 为煤粉半径，m；ρf 为流体 密度，kg/m3；ρs 为煤粉密度，kg/m3；v 为流体速度，m/s；K 为渗透率，10-8μ m2；μ 为流体 黏度，Pa· s；g 为重力加速度，m/s2；CD 为表面系数；μmax 为煤粉与裂缝间最大静摩擦系数； L1、L2 为力臂长度，m。 将煤粉受力带入到式(1)、(2)中得到煤粉的临界运移速度：
图 4 煤粉运移临界速度
煤层气压裂中常使用 16～30 目和 20～40 目的支撑剂，根据式(8)求得支撑剂间隙中煤 粉的半径为 0.046mm 和 0.032mm。假设压裂结束后煤层的渗透率提高到 0.6μm2，支撑剂与 裂缝之间的接触面积为 0.05mm2，由图 5 可知，随支撑剂半径的增加，支撑剂临界运移速度 减小，粒径相同的支撑剂闭合压力越大临界运移速度也越大。使用 20～40 目的支撑剂计算 得到煤粉临界流速为 2.47mm/s，压裂后裂缝中的排液速度大于 2.47mm/s 时，支撑剂间的煤 粉才能有效排出。
1.2 2 36R3.22v11.2 (222 3gK2R1.6v10.6f 0.40.6 36 3gK2R2.2f v1 )(s f ) 12R1.6v10.6 v1 111Kf 0.40.6 18Kf R0.6v10.6
(6)
(3)500<Re<20000 时属于紊流区(CD=0.44)，煤粉临界运移速度为：
其中： F R f v i π
2 2 3 4πR3 ( )g,F πR2 C v2。 , Fp 4πR v , F 3 K G 3 s f r 2 D f
(1) (2)
式中：Fi 为冲击力，N；Fp 为压差力，N；Fr 为表面力，N；Fg 为重力，N；Fb 为浮力，N； FG 为浮重，FG=Fg-Fb，N；Fn 为支持力，N；Ff 为摩擦力，N；R 为煤粉半径，m；ρf 为流体 密度，kg/m3；ρs 为煤粉密度，kg/m3；v 为流体速度，m/s；K 为渗透率，10-8μ m2；μ 为流体 黏度，Pa· s；g 为重力加速度，m/s2；CD 为表面系数；μmax 为煤粉与裂缝间最大静摩擦系数； L1、L2 为力臂长度，m。 将煤粉受力带入到式(1)、(2)中得到煤粉的临界运移速度：
煤层气井煤粉产生原因和疏导对策分析
2281 煤层气井煤粉产出的认识1.1 煤层气井煤粉产出危害国内外的专家学者对煤层气井开发技术进行了研究分析，但是对煤层气井的煤粉产出规律认识不足造成部分井产气量低于预期。
煤粉是煤层气开采中必不可少的一个重要物质，会随着煤层气井排水采气而进入井筒之内。
排采中断引起的井底压力波动大，会打破气、水流动的连续性，同时井筒内的煤粉沉降，很容易造成井下的泵筒堵塞，形成井卡、不出液的情况，增加检泵频率。
频繁的检泵作业不仅耗费人力财力，对连续排采形成制约，更可能在修井过程中对井下造成不可逆的伤害。
探讨优化煤粉产出机理和疏导技术，能起到让煤层气井产能最大释放，合理高效开发的作用。
1.2 修井现状临汾A区块共有200余口煤层气井，现从L18井组附近选出38口井，从2013年至2016年进行了修井原因比对，发现了以下几个主要原因：煤粉影响检泵，油管漏，油杆断脱，泵故障，其中煤粉影响占据了44%。
整个区块中，煤粉直接的或者间接的影响是日常修井检泵的重要组成部分，制约了煤层气井的高效开发和可持续发展，研究煤层气井煤粉的产生原因和疏导方法是很有必要的。
2 煤粉产生的原因2.1 剪切应力过大井内煤层煤岩质地较坚硬，但性脆易破裂。
在射孔压裂时候，作业会使煤层受到不同层度的损伤，同时固井的水泥环也会产生一些碎裂。
在排采过程中，生产压力过大的时候，会对煤层一个较大的剪切应力，当剪切应力超过了煤层的抗剪切极限，即会对煤层造成一个剪切破坏，从而产生煤粉颗粒。
2.2 水流速度过快煤层颗粒之间有一个吸附力，周围水流通过煤层进入井筒时候，会对煤层颗粒因摩擦产生一个拉拽力。
当水流速度过快的时候，产生的拉力大于煤粉颗粒吸附力，煤粉颗粒就会逐渐脱离，产生大量煤粉。
2.3 波动程度（惯性震荡）抽油泵的游动凡尔打开吸入水和关闭时，会对周围形成一个来回波动，这个波动的强弱，影响着煤层因惯性震荡而产生煤粉。
当冲次过快时，游动凡尔开合频率增加，造成波动增加，使得煤粉产出增加。
034-单相流煤层气井裂隙煤粉受力分析及启动条件
力。
2 一定粒径的煤粉启动条件
前面已分析了煤层裂隙中煤颗粒的受力，并获 得： 煤颗粒在煤层裂隙中粘附或脱落，主要是受流 体动力作用、自身重力作用及范德华力等作用的影 响。因此，在煤层骨架遭受水的冲蚀破坏，煤层骨 架表面的煤颗粒要从裂隙表面脱落需要满足一定的 力学条件。下面将从力矩平衡的理论着手，分析煤 颗粒在流体作用下脱落的条件。
Abstract： For accurately calculating coal-dust starting condition in CBM mine，this paper set up mechanical model of coal grain initiation based on its force condition. It analyzed the relationship between size of uniflow coal grain in CBM mine and seepage velocity， liftingrate and pressure difference on the basis of Hancheng coal-filed data. Results showed that coal-dust starting was quadratic related with seepage velocity in uniflow phrase，and that coal-dust smaller than grain size would fall when seepage velocity was larger than limit velocity of coal-dust grain size. Seepage velocity was larger，more coal-dust appeared. Liftingrate was larger，its pulling action on coal body was larger and coal-dust fell more easily. When liftingrate was over 17m3 / d，most coal-dust would fall. Controlling liftingrate less than 17m3 / d was benefit for reducing coal-dust. Key words： uniflow； CBM mine； coal-dust； starting condition
煤层气压裂返排过程中煤粉产出规律实验研究_姜伟
1 6.2 2 12.4 3 18.6 5 31 7 43.4 10 62
Coal powder flowback yield of tap water at 5 percent coal power
2 0.1215 5 0.2302 10 0.6669
排采量 /(m3·d–1) 泵排量 /(mL·min–1)
表1
Table 1
图1
Fig.1
5%煤粉含量情况下自来水携带煤粉性能对比图
Tap water carrying coal powder performance with 5 percent of coal power
泵排量与实际排采速度对应表
表2
Table 2
5%煤粉含量情况下煤粉产出率
The corresponding relationship between pump flow rate and practical drainage flow rate
。 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-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 MPa， 有效缝 尺寸 2 000 mm×200 mm×(5~50) mm， 排量 0.004~10 L/min 。采用一定的煤粉配比，不同的排采速度，不
Coal powder flowback yield of tap water at 5 percent coal power
2 0.1215 5 0.2302 10 0.6669
排采量 /(m3·d–1) 泵排量 /(mL·min–1)
表1
Table 1
图1
Fig.1
5%煤粉含量情况下自来水携带煤粉性能对比图
Tap water carrying coal powder performance with 5 percent of coal power
泵排量与实际排采速度对应表
表2
Table 2
5%煤粉含量情况下煤粉产出率
The corresponding relationship between pump flow rate and practical drainage flow rate
。 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-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 MPa， 有效缝 尺寸 2 000 mm×200 mm×(5~50) mm， 排量 0.004~10 L/min 。采用一定的煤粉配比，不同的排采速度，不
煤储层排采液流携粉运移模型与产出规律
煤储层排采液流携粉运移模型与产出规律煤储层是一种重要的能源储藏库，为了实现煤矿资源的高效开采，需要对煤的物理性质和排采工艺进行深入研究。
其中煤储层的液流携粉运移特性是关键之一。
本文基于煤储层物理性质特点，建立了煤储层排采液流携粉运移模型，并探究了其产出规律。
煤储层具有多孔、多裂、多介质等特点，煤体孔隙度和渗透率与物理煤质、结构类型和岩石学组成等因素有关。
由于煤体的多孔介质结构，其对流、扩散和滤过现象具有显著影响。
排采液流携粉运移模型是研究扩散、吸附、输运、沉积和解吸等过程相互作用的结果。
煤储层液体流动主要包括孔隙流、渗流和滤过流。
在液体流动的过程中，会随着液体运移发生固体悬移质（即粉尘）的输移，这就是携带功能。
根据煤储层物理特性，建立了其排采液流携粉运移模型，包括自由水和吸附水的渗流、孔隙流和滤过流的动力学描述。
其中自由水渗流和孔隙流主要由达西定律描述，吸附水渗流和滤过流由洛斯方程和碟平方根律描述。
2. 煤储层产出规律煤储层产出规律是指煤储层在不同的开采条件下所能产出的煤炭数量和性质。
煤的产出受煤层裂隙、煤质、孔隙度、渗透率等因素的影响。
在煤矿开采中，不同的采矿方法和工艺条件会对煤的产出和品质产生影响。
煤储层产出规律主要是通过煤矿排采液流携粉运移模型的模拟预测和实验观测获得的。
通过煤矿排采液流携粉运移模型的分析，能够预测煤层中煤炭的产出量和质量，从而指导煤炭的开采和加工过程。
总之，煤储层排采液流携粉运移模型与产出规律的研究对于实现煤炭的高效开采和利用具有重要意义。
未来，需要继续深入探究煤储层物理性质、流体力学特性和化学反应规律等方面，为煤炭行业的发展提供科学支持。
煤层气排采中煤粉产出的影响因素
2041 煤层气排采中煤粉产出的现状气排的技术相对比较成熟，在国外矿井气排很早就投入使用。
随着煤矿相关的设施逐步改善，煤矿煤层气排的安全性和可靠性也得到了提高。
当前，国外煤矿资源发达的国家与地区，都对矿井气排问题进行了深入的研究。
矿井气排的电量使用问题是重要的问题。
提高气排的运行效率是相当重要的。
俄罗斯博士B.B.马祖连科提出了煤粉产出工况修正，可以作为气排设备的选择依据。
随着自动化控制技术的发展，控制技术在煤矿领域也得到了广泛地应用，甚至开发了微机板式的控制及安全；许多发达国家，如美国等提出了数字化煤矿的领先概念，建设综合化监控技术；伴随着传感技术的发展及精度的提高，西欧国家甚至简历了智能化煤矿概念，如：芬兰煤矿业就实现了智能化煤矿的技术，目的是为了实现煤矿的各个领域的自动化、网络化。
虽然国内部分煤矿正试图采用煤粉产出自动化，可是在这些本身就有着诸多问题，而且这些和实际煤层现状不相符合。
所以，中国大量的煤矿仍然采用人工操控，而不去使用自动气排。
并且科学技术煤粉平仍然比较低下和煤矿设备不是很先进，其中工作人员的技术煤粉平不是很高，对于检测技术的运用、设备的操作准确度等方面都有待提高。
目前所使用的传感器都是比较传统的，在煤矿煤层这种恶劣环境中，污泥、煤泥等污渍同会堵塞传感器，导致其可靠性不高，难以准确的采集信号。
虽然也有比较先进的传感器，但使用范围比较窄。
2 煤层气排采中煤粉产出的目的和意义由于矿井生产集约化煤粉水平的提升，相应生产设备工作的可靠性与稳定性必须也随之得到提升，同时也需要精准、实时、及时查探了解工作情况。
目前主要由人工控制的传统煤粉产出控制依然存在着很多问题，例如长久以来的能源浪费、工作低效、管理维护设备不周以及极大损耗人力资源等。
煤矿气排在工作的过程中需要不间断地监测其过程，包括煤粉仓的煤粉位、煤粉产出的运行状态，结合当前的状态进行分析，根据个人的经验进行开关的控制，来启动或停止煤粉产出，以控制煤粉位。
超细煤粉在中低温热解条件下的挥发氮释放特性
SBET/（m2/g） V/×102（m3/g）
D/nm
测试值 2.5 14.6 38.2 45.7 61.5 4.1 1.6 1.06 0.49 295.1
320.06 18.978
1.2 SEM 分析
使用型号为 JSM-6700 高分辨电子显微镜对样品煤粉 进行分析（如图 1 所示），放大倍数分别为 2μm 和 100μm， 从图 1（a）和图 1（b）中可以看出，煤粉样品的表面较粗 糙，孔道相对较多，有助于煤粉在锅炉中燃烧，而这种小 粒径煤粉的结构特性和比表面积特性也导致该煤粉颗粒的 表面吸附能力和气体传质效率高于大粒径煤粉，反应过程 也以扩散控制为主 [4]。因此，小粒径煤粉在工业煤粉锅炉 中的应用具有优势。
在流化床中进行煤粉的中低温挥发氮释放 推性，该研究为工业煤粉炉的超低氮燃烧技术 （燃烧器设计、燃烧方式优化以及降低工艺成本） 改造提供了技术思路。基于此，得到以下 3 个结 论 ：1）在不同温度的反应条件下，在热解过程 中超细煤粉依然会释放较多小分子还原性气体， 这些还原性气体以 CH4、C2H6 为主。2）反应温 度是 HCN 和 NH3 向 NOx 转化的重要条件之一， 当温度为 600℃左右时，NOx 趋于稳定。3）当温 度为 300℃时，挥发分完全析出时间超过 9.2h， 当温度为 800℃时，挥发分析出时间超过 4.7h。 在 300℃ ~800℃温度段，挥发分析出达到峰值 时间在 50min 内，这种温度对挥发分的影响也是 挥发氮析出特性变化规律的主导因素。
- 108 -
生态与环境工程
2023 NO.12（上） 中国新技术新产品
粉的粒径分布数据来看，该煤粉属于 A 类颗粒，流化特性 好，在试验操作的过程中保持较低的气速，使样品煤粉处 于流化装置中，通过调节电炉温度来控制反应温度，以考 察在 300℃ ~800℃的低温条件下样品煤粉的热解特性。反 应气体的检测采用了傅里叶高温红外原理的烟气分析器， 来测量并记录多种气体组分的瞬时变化规律 [2]。
D/nm
测试值 2.5 14.6 38.2 45.7 61.5 4.1 1.6 1.06 0.49 295.1
320.06 18.978
1.2 SEM 分析
使用型号为 JSM-6700 高分辨电子显微镜对样品煤粉 进行分析（如图 1 所示），放大倍数分别为 2μm 和 100μm， 从图 1（a）和图 1（b）中可以看出，煤粉样品的表面较粗 糙，孔道相对较多，有助于煤粉在锅炉中燃烧，而这种小 粒径煤粉的结构特性和比表面积特性也导致该煤粉颗粒的 表面吸附能力和气体传质效率高于大粒径煤粉，反应过程 也以扩散控制为主 [4]。因此，小粒径煤粉在工业煤粉锅炉 中的应用具有优势。
在流化床中进行煤粉的中低温挥发氮释放 推性，该研究为工业煤粉炉的超低氮燃烧技术 （燃烧器设计、燃烧方式优化以及降低工艺成本） 改造提供了技术思路。基于此，得到以下 3 个结 论 ：1）在不同温度的反应条件下，在热解过程 中超细煤粉依然会释放较多小分子还原性气体， 这些还原性气体以 CH4、C2H6 为主。2）反应温 度是 HCN 和 NH3 向 NOx 转化的重要条件之一， 当温度为 600℃左右时，NOx 趋于稳定。3）当温 度为 300℃时，挥发分完全析出时间超过 9.2h， 当温度为 800℃时，挥发分析出时间超过 4.7h。 在 300℃ ~800℃温度段，挥发分析出达到峰值 时间在 50min 内，这种温度对挥发分的影响也是 挥发氮析出特性变化规律的主导因素。
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生态与环境工程
2023 NO.12（上） 中国新技术新产品
粉的粒径分布数据来看，该煤粉属于 A 类颗粒，流化特性 好，在试验操作的过程中保持较低的气速，使样品煤粉处 于流化装置中，通过调节电炉温度来控制反应温度，以考 察在 300℃ ~800℃的低温条件下样品煤粉的热解特性。反 应气体的检测采用了傅里叶高温红外原理的烟气分析器， 来测量并记录多种气体组分的瞬时变化规律 [2]。
单相流驱替物理模拟实验的煤粉产出规律研究_曹代勇
1． 2． 1㊀ 煤砖的制作
制样工作包括煤砖㊁支撑剂充填层及驱替液的制备㊂
组 11 号煤㊂ 采用粉碎机将煤岩破碎, 经 100 目标准 筛的筛选,选用粒径小于 100 目(100 目 = 150 μm) 的 20 MPa 围压下压制成煤砖㊂ 煤砖的形状以酸蚀裂隙 导流仪的导流室规格为准, 其面积为 64． 5 cm2 , 直线 长度为 139． 7 mm,两端半圆的直径均为 38． 1 mm㊂ 支撑剂为 20 ~ 40 目标准石英砂㊂ 将石英砂平铺 1． 2． 2㊀ 支撑剂充填层的制作 煤粉 作 为 煤 砖 原 料㊂ 用 电 子 天 平 称 35 g 煤 粉, 在
围压为 5 MPa, 将驱替液流速由 3 mL / min 逐步提升 2． 1㊀ 煤粉产出量分析 行称重,获得不同实验条件下煤粉产出量( 表 2) ㊂ 在 流速为 3 mL / min 的实验中排出液为清水, 无煤粉产 出;流速为 5 mL / min 的实验中有大量煤粉产出;流速 为 7 mL / min 的实验中煤粉产出量减少㊂ ㊀ ㊀ 实验结果表明, 在流体状态下, 煤粉的形成与运 移具有一定临界速率, 本组实验中, 煤粉临界启动速 率应大于 3 mL / min㊂ 张芬娜等分析认为煤粉颗粒在 煤层中的黏附或脱落主要由其所受到的自身重力㊁流 体动力㊁浮力及范德华力等共同作用决定 [13-14] ㊂ 在 单相水流的冲蚀作用下,只有在煤粉所受的上托力大 采用电子天平对不同实验条件下产出的煤粉进 至 5,7 mL / min㊂ 在保持围压稳定, 改变驱替液流速实验中, 设置
曹代勇1 ,姚㊀ 征1 ,李小明1 ,2 ,魏迎春1 ,胡爱梅3 ,宋㊀ 波3
摘㊀ 要:为研究煤层气井排采过程中煤粉的产出机理及其影响因素,开展了单相流驱替状态下煤粉 产出物理模拟实验㊂ 通过改变单相流驱替流速及煤砖样品上㊁下围压的大小,分析不同实验条件下 煤粉产出量㊁煤粉粒度分布特征以及裂隙导流系统的渗透率变化等参数, 归纳煤粉的动态产出规 律㊂ 实验结果表明:在围压稳定的实验条件下,煤粉的产出具有一定的启动运移速率; 煤粉的产出 量与驱替液流速呈正相关㊁与围压呈负相关;煤粉在裂隙系统中的存在与运移会对其渗透率产生显 著的影响;间断后重启单相流驱替作用会使煤粉产出量瞬间剧增㊂ 根据模拟实验结果可以认为,优 化煤层气井的排采制度㊁控制井底流压降压速率的变化㊁稳定控制排水强度, 将会有效地控制煤粉 的产出量㊂ 关键词:煤层气井;煤粉产出;单相流驱替;物理模拟 中图分类号:P618． 11㊀ ㊀ ㊀ 文献标志码:A
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(1． College of Geoscience & Surveying Engineering,China University of Mining & Technology( Beijing) ,Beijing㊀ 100083,China;2． College of Safety Engineering,North China Institute of Science and Technology,Beijing㊀ 101601,China;3． Petro China Coalbed Methane Company Limited,Beijing㊀ 100028,China)
根据沁水盆地樊庄区块大量煤层气排采生产经
1㊀ 实验方案
验方法,探讨煤粉产出特征及其影响因素㊂
1． 1㊀ 实验原理
石英砂颗粒支撑煤砖既有裂隙,以单相水流的驱替作 用模拟煤层气井的排水过程,通过改变驱替液流速来 模拟排采生产中排水强度的变化, 改变煤砖上㊁ 下围 压来模拟地层压力的变化㊂ 研究不同排采条件下排 1． 2㊀ 实验制样 为查明煤粉的产出规律提供实验依据㊂ 水速率㊁围压及有效应力等对煤粉产出的动态影响, 测试仪器为国产 HXDL - Ⅱ 型酸蚀裂隙导流仪㊂
本实验以煤储层裂隙导流系统为研究主体,采用
Fig． 1㊀ The physical simulation experimental device process of single-phase water flow displacement
图 1㊀ 单相流驱替物理模拟实验装置流程
2㊀ 不同驱替液流速对煤粉产出的影响
㊀ 第 38 卷第 4 期 ㊀ 2013 年 4月
JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY
煤㊀ ㊀ 炭㊀ ㊀ 学㊀ ㊀ 报
Vol. 38㊀ No. 4㊀ Apr. ㊀ 2013㊀
㊀ ㊀ 文章编号:0253-9993 ( 2013 ) 04-0624-05
单相流驱替物理模拟实验的煤粉产出规律研究
第4 期
曹代勇等:单相流驱替物理模拟实验的煤粉产出规律研究
625
然裂隙系统以及支撑剂充填层的缝隙, 使得裂隙闭 合,导致煤储层渗透能力降低, 煤层气井产能过早地 出现衰减;煤粉的大量产出并聚集于井底和排采系统 内,造成埋泵㊁卡泵, 以及频繁的检泵作业, 对煤层气 的稳定开采带来严重的负面影响 [1-4] ㊂
[5]
1． 2． 3㊀ 驱替液的配置ห้องสมุดไป่ตู้
1． 3㊀ 实验方案
储 层 中 的 地 层 水㊂ 其 配 方 ( 质 量 比 ) 为 NaCl ʒ CaCl2 ʒ MgCl2 ㊃6H2 O = 7 ʒ 0． 6 ʒ 0． 4㊂
驱替液为矿化度为 8% 的标准盐水, 以此模拟煤
结果,煤岩自身性质是煤粉产出的基础, 工程扰动是 煤粉产出的诱因 煤层结构㊁煤岩变形变质程度
[6-9]
煤层气井中煤粉的产出是多种因素综合作用的 ㊂ 其中煤岩组分及其相对含量㊁ 等属于地质因素;
一变量稳定㊁改变另一变量来研究煤粉产出规律㊂ 实 验方案见表 1,实验装置流程如图 1 所示㊂ 两组实验 分别采用规格相同的煤砖,每一驱替液流速及围压条 件均持续 2 h㊂
表 1㊀ 单相流驱替物理模拟实验方案 single-phase water flow displacement
Abstract:For studying the output mechanism and influencing factors of coal powder during the production process in CBM( coalbed methane) wells,the physical simulation experiments about coal powder output which was under the state of single-phase water flow displacement were conducted. The dynamic output rules of coal powder was tried to be concluded by means of changing the size of displacement velocity of single-phase water flow and confining pressure bebution characteristics of coal powder which was produced under different experimental conditions. The experimental retween coal briquette samples,and through studying the changes of permeability rate,the weight and particle size distrisults show that in the stable confining pressure condition,coal powder has a certain starting migration rate;the weight of coal powder output is positively correlated with the displacement velocity of single-phase water flow,but negatively correlated with the confining pressure;the existence and migration of coal powder in fracture diverting system has a make the amount of coal powder increased sharply. According to the experimental results,it confirms that optimizing the production system of CBM wells,controlling the change of the depressurization rate of the bottom-hole fluid pressure reasonably and keeping the drainage strength stable can effectively control the output of coal powder. Key words:CBM wells;coal powder output;single-phase water flow displacement;physical simulation ㊀ ㊀ 煤层气井中煤粉的产出对产能的持续与提高具 significant impact on permeability rate;after intermitting the single-phase water flow displacement and restarting it will
有严重的危害㊂ 煤粉产生和运移会堵塞煤储层中天
收稿日期:2012 - 05 - 02㊀ ㊀ 责任编辑:韩晋平 ㊀ ㊀ 基金项目:国家科技重大专项资助项目(2011ZX05038-001) ;国家自然科学基金资助项目(41272181,41272179) ㊀ ㊀ 作者简介:曹代勇(1955 ) ,男,重庆人,教授,博士生导师㊂ Tel:010-62339301,E-mail:cdy@ cumtb． edu． cn
1． 2． 1㊀ 煤砖的制作
制样工作包括煤砖㊁支撑剂充填层及驱替液的制备㊂
组 11 号煤㊂ 采用粉碎机将煤岩破碎, 经 100 目标准 筛的筛选,选用粒径小于 100 目(100 目 = 150 μm) 的 20 MPa 围压下压制成煤砖㊂ 煤砖的形状以酸蚀裂隙 导流仪的导流室规格为准, 其面积为 64． 5 cm2 , 直线 长度为 139． 7 mm,两端半圆的直径均为 38． 1 mm㊂ 支撑剂为 20 ~ 40 目标准石英砂㊂ 将石英砂平铺 1． 2． 2㊀ 支撑剂充填层的制作 煤粉 作 为 煤 砖 原 料㊂ 用 电 子 天 平 称 35 g 煤 粉, 在
Rules of coal powder output under physical simulation experiments of single-phase water flow displacement
CAO Dai-yong1 ,YAO Zheng1 ,LI Xiao-ming1,2 ,WEI Ying-chun1 ,HU Ai-mei3 ,SONG Bo3
[1]
Table 1㊀ The physical simulation experimental conditions of
验,煤粉产出与排液速率密切相关, 其产出机率随排 液强度的提高而大幅度增加 尔多斯盆地东缘众多煤层气水平井排采实践表明,在 煤层气井排采各阶段均存在煤粉产出现象 [10-12] , 且 煤粉粒度随排采生产的持续进行具有逐渐变小的规 律㊂ 查明排水ң降压ң采气过程中煤粉产出规律,是 采取合理控制措施的前提条件,本文采用物理模拟实 ㊂ 沁水盆地南部及鄂
围压为 5 MPa, 将驱替液流速由 3 mL / min 逐步提升 2． 1㊀ 煤粉产出量分析 行称重,获得不同实验条件下煤粉产出量( 表 2) ㊂ 在 流速为 3 mL / min 的实验中排出液为清水, 无煤粉产 出;流速为 5 mL / min 的实验中有大量煤粉产出;流速 为 7 mL / min 的实验中煤粉产出量减少㊂ ㊀ ㊀ 实验结果表明, 在流体状态下, 煤粉的形成与运 移具有一定临界速率, 本组实验中, 煤粉临界启动速 率应大于 3 mL / min㊂ 张芬娜等分析认为煤粉颗粒在 煤层中的黏附或脱落主要由其所受到的自身重力㊁流 体动力㊁浮力及范德华力等共同作用决定 [13-14] ㊂ 在 单相水流的冲蚀作用下,只有在煤粉所受的上托力大 采用电子天平对不同实验条件下产出的煤粉进 至 5,7 mL / min㊂ 在保持围压稳定, 改变驱替液流速实验中, 设置