煤储层排采液流携粉运移模型与产出规律

基于液固两相流理论建立煤层液流渗流数学模型,并给出描述煤岩产气通道流动状态的偏微分方程和煤层液流携粉运移特征的数学模型,依据数值求解结果分析产气通道中的液流压力和流速以及煤粉随液流运移的浓度分布情况。结果表明,煤储层近井区域液流高流速状态使得通道液流中的含煤粉量达到最高值,排采初期较大的排液量和压差波动使得其煤粉产出较多,而稳产阶段的产液量减小且煤储层与井底间的生产压差降低使得通道中煤粉浓度较低,生产压差由2.05 MPa提高到3.05 MPa后,产气通道各节点最大含煤粉量由0.112%迅速升至0.608%;且稳产阶段煤层泄流体产气通道孔径的增大,会进一步降低通道中煤粉浓度,产气通道高度由0.30 mm扩大到0.90 mm,产气通道各节点最大含煤粉量则由0.759%降至0.160%。该算法提出煤储层泄流体煤岩产气通道管流的概念并定量描述排采液流携煤粉运移的特征,为准确预测煤层气井排采中的煤粉产出情况和制定合理的防煤粉措施提供了依据。     

煤层气井煤粉的运移与控制

通过对煤粉进行分离、运移等模拟实验查明了煤粉的运移规律:糜棱煤遇水后容易完全分解成煤粉,是煤层气井产粉的主要来源;粒径小于0.2 mm煤粉产出量随水流速度增大而增加,粒径在0.2~0.3 mm的煤粉产出量随水流速度增大无明显变化规律;当煤粉运移介质为气液两相时,煤粉的产出量明显增多,并随着气液比的增大而增大;近井通道是垂直煤层气井煤粉产出运移的主要通道,水平分支井所穿过的煤层带决定了水平煤层气井煤粉产出运移。依据实验结果与煤层气井排采实际,提出了控制煤层气井煤粉产出的若干措施。     

煤层气井产气阶段临界排采参数分析

依据煤层气排采实际,基于煤岩破坏出煤粉机理,建立了煤层气井产气通道较近井地带、近井和远井地带破坏出煤粉模型。分析得出较近井地带主要是降压程度大引起的压实破坏,而近井和远井地带主要是流体拖拽引起的拉伸破坏,由此给出了产气通道破坏出煤粉的临界排采参数。结合井筒压力分布模型,建立了煤层气单井多层合采的井底压力和产水量模型,分析了单井多层合采井底压力和排水量,优选多层合采时排采参数。     

煤层气排采中煤粉产出量动态变化及影响因素

为了解煤层气排采过程中煤粉产出动态变化规律,对沁水盆地南部投产后的煤层气井不同排采阶段煤粉产出量进行记录和统计,分析了煤粉产出影响因素,并通过实例研究了煤粉产出量动态变化与产气量的关系。结果表明:产水阶段和产水产气两相流阶段是最易产出煤粉的阶段,其中产水产气两相流阶段煤粉产出量总体较高,且煤粉产出明显不稳定、不连续。导流裂缝发育特征、储层构造软煤带发育特征及其与导流裂缝的配置关系,地层流体携粉作用以及排采工作制度是影响煤粉产出量变化的主要因素。最后,提出了加强煤储层地质研究,避开原生煤粉源,研制便携式煤粉产出定量测定装置,制定煤粉预警措施,以及合理优化排采工作制度以减少煤粉对煤层气排采的危害。     

煤层气井煤粉产出规律及排采管控实践

为减少煤粉对储层的伤害,分析了煤层气井煤粉产出规律及其对排采的影响。基于煤层气井煤粉浓度、产气量、产水量等监测数据,总结了煤粉产出动态规律;研究了产气初期煤粉大量产出对采气设备及储层渗流通道的影响;提出了通过提高排采设备携粉能力,增加煤粉排出量的极限煤粉浓度管控方法。实践表明该方法能减少煤粉对储层的伤害,延长检泵周期,释放煤层气井产能。     

煤层气井煤粉产生机理探讨

煤层气井在生产过程中经常发生煤粉堵塞产气通道、煤粉在井筒中淤积、煤粉卡泵等现象,渗透率的降低和频繁的检泵,严重影响了煤层气的整体开采效益。根据岩石力学的岩层破坏理论和地层出砂理论探讨了煤层气排采过程中煤层的破坏机理,分析了裂隙中煤粉的种类、产生机理及排采各阶段产出规律,并提出了一定的煤粉控制措施。     

煤粉运移与沉积对支撑裂缝渗透率动态影响规律

煤粉沉积导致的支撑裂缝渗透率的伤害是影响煤层气排采效果的重要因素之一。基于毛细管束模型,结合Carman-Kozeny公式建立了考虑煤粉运移与沉积的支撑裂缝渗透率演化模型,并利用煤岩导流性能测试系统进行了不同条件下的煤粉侵入支撑裂缝实验,验证了模型的正确性,探讨了煤粉沉积特性对支撑裂缝内煤粉分布规律及渗透率时空演化的影响。研究结果表明:沿煤粉运移方向,支撑裂缝内沉积煤粉体积分数逐渐减小,大量煤粉沉积在裂缝入口端,导致裂缝入口端孔隙堵塞程度较大,裂缝内孔隙堵塞程度较小,支撑裂缝渗透率沿煤粉运移方向减小,且随着煤粉运移时间增加,支撑裂缝内悬浮煤粉质量浓度先快速上升到峰值,随后保持不变,沉积煤粉体积分数不断增大,支撑裂缝内孔隙的堵塞程度增大,支撑裂缝的渗透率不断减小。煤粉沉积系数与弥散系数是影响支撑裂缝内煤粉分布规律及渗透率的重要因素,且随着煤粉沉积系数增大,煤粉运移越困难,支撑裂缝入口端沉积煤粉量增大,运移至支撑裂缝内的煤粉量减小,支撑裂缝内悬浮煤粉质量浓度与沉积煤粉体积分数减小,煤粉占据孔隙体积变小,支撑裂缝渗透率增大;而煤粉弥散系数越大,煤粉越容易运移,运移至支撑裂缝内的煤粉量越大,支...     

煤层气井多相流条件下不同粒径煤粉启动-运移规律

为系统研究煤层气井中多相流条件下煤粉启动-运移规律,以捞砂煤粉为研究对象,通过控制不同相流(液固两相、气液固三相)控制煤粉产出,开展多相流条件下不同粒径(小于0.075 mm、0.075～0.25 mm、0.25～0.85 mm、大于0.85 mm)煤粉启动-运移试验模拟,分析流量、压差、管道倾角、粒度等因素对煤粉启动-运移的影响。研究结果表明:液固两相流下,随着液体流量逐渐增大,煤粉由静止状态向滑动—间歇滚动—滚动—层移—层移+悬移—悬移状态逐渐过渡。煤粉粒径越小,管道倾斜角度越小,启动流量越低;流量与压差呈现很好的线性关系,并受管道倾角影响;煤粉的粒径和管道倾角对煤粉的启动-运移难易程度具有重要影响,但二者的影响较为复杂,不同粒径煤粉的启动-运移流量与管道倾角之间并非简单的线性关系;不同角度下煤粉颗粒粒径(除大于0.85 mm大颗粒煤粉外)与启动流量关系可用一次线性关系表征,同时方程也可用于预测特定管道倾角下不同粒径煤粉对应的启动流量。气液固三相流下,煤粉启动-运移主要控制因素为流型,而流型受气液流量比和管道倾角影响,主要包括气泡流、塞状流、分层流、波状流、弹状流等流型,各流型携粉运移能力为气驱水分层流弹状流塞状流气泡流分层流;随气液流量比增大,压差先快速减小再趋于平缓,最终微弱反弹,管道倾斜角度越小,压差下降越快。     

水岩反应中泥质夹层生成固相微粒的实验研究

在煤储层地质条件和煤层气开发工程的双重控制下,以煤粉为主的固相微粒生成和运移对煤层气井连续稳定排采的制约作用尤为严重。为查明复杂煤层结构对煤层气开发中固相微粒生成规律的影响,以叠置发育煤层和泥质夹层的岩芯样品为研究对象,应用单相液流岩芯驱替仪,开展了水岩反应物理模拟实验,对比分析了在不同浓度的KCl溶液环境中泥质夹层与煤层生成固相微粒的数量、类型、运移特征及其对玻璃珠层导流能力的伤害程度。结果表明:在相同的物理模拟实验条件下,与煤层相比,泥质夹层在水岩反应中易于生成数量更多、粒径更小的黏土矿物型固相微粒;KCl溶液浓度影响着泥质夹层中固相微粒的产出规律,低浓度的KCl溶液与泥质夹层会发生高强度的水岩反应,从而使固相微粒的生成量和迁移率增大;固相微粒的黏滞状态会伤害玻璃珠层的导流能力,随着溶液浓度升高,固相微粒的生成强度和运移距离减小,渗透率降低幅度的波动变化持续时间相应缩短。结合渭北石炭—二叠纪煤田韩城矿区煤层气开发实践研究认为,以复杂结构煤层为煤层气井排采对象会使煤中夹矸的层数增加、厚度变大、岩性多样和矿物复杂,这将导致泥质夹层等敏感岩层的矿物组分和岩石结构稳定性因水岩反应和应力破坏的综合作用而相应降低,造成煤储层固相微粒的产出类型趋于复杂多样化,使固相微粒的生成强度升高和运移距离增大,进而引起更加严重的储层伤害和频繁发生的设备故障,直接影响着煤层气井排采效果。通过查明煤层气井开发层内夹矸的空间发育特征、敏感矿物类型及其含量,可在钻井、压裂和修井等生产环节中适当使用防膨剂和稳定剂来降低黏土矿物的膨胀分散程度、增强煤岩表面疏水性和提高煤粉在裂隙面的黏附力,以此减少固相微粒的生成量和迁移率,从而有效防治煤储层固相微粒的产出问题。     

煤层气井不同类型煤粉的静态沉降规律

为研究卡泵煤粉的粒径大小,减少卡泵事故的发生。通过煤粉粒度分析实验确定了造成卡泵的煤粉粒径主要在小于0.037 4 mm和大于3.8 mm的范围,进一步利用激光粒度分析仪分析,缩小了造成危害的细煤粉粒径范围;针对粒径小于0.037 4 mm的煤粉进行静态沉降速度测定实验,发现当煤粉浓度很小时,沉降速度随浓度的增加急剧减小,当浓度继续增大时,煤粉的沉降速度将不再变化,趋于一个常值。同时通过测定不同粒径煤粉和不同浓度煤粉的悬浮率,发现煤粉浓度越低,煤粉的悬浮率越高;在对不同煤粉的润湿性实验中发现与排采样相比,钻屑样润湿性差,但润湿改造效果较好。依据实验结果,总结了细煤粉的基本物理特性以指导预防煤层气井中卡泵等事故的生产措施。     

煤层气排采井壁出煤粉时间预测

煤层气排采过程中经常发生煤粉堵塞产气通道、煤粉在油管中沉降、煤粉埋泵卡泵等现象,对煤层气的整体开采效益产生很大的影响,研究煤层气排采井壁出煤粉时间具有重要的实际意义。首先建立煤层双重介质渗流数学模型,其次根据摩尔-库伦破坏准则确定出煤粉井底流压,根据井底压降曲线与临界井底压力最终计算出井壁煤层开始出煤粉时间。该研究对指导现场提出防止煤粉的措施、提高排采装置的寿命,减少修井次数,降低开发的成本,增加采收率具有重要意义。     

煤粉对裂缝导流能力的伤害机理

应用FCES-100裂缝导流仪和平流泵模拟了煤层气排采过程中煤粉颗粒侵入压裂裂缝支撑剂充填层的过程,研究了煤粉在支撑剂充填层内的运移规律及其对导流能力的伤害机理、影响程度。实验表明：煤粉易侵入支撑剂充填层,不易随水排出,对导流能力伤害严重,并且随着煤粉浓度增加伤害程度急剧增大。煤粉的聚集附着、桥堵孔喉是支撑剂充填层导流能力伤害的主要原因。粒径较小的煤粉更易运移聚集伤害裂缝导流能力,使用小粒径支撑剂可以有效地俘获煤粉颗粒,有利于提高主裂缝的导流能力;压裂后快速返排有助于煤粉迅速排出,减少其在裂缝内的滞留,并保持排采稳定有利于煤粉顺利排出,避免聚集堵塞。     

煤粉沉积对支撑剂充填裂缝导流能力的影响北大核心

为研究水力压裂过程中产出的煤粉沉积对支撑剂充填裂缝导流能力的影响机制,有效优化煤层气井的排采机制;运用支撑剂充填裂缝内多相流实验平台,制定相应的实验方案,针对煤层气井排采过程中产出的煤粉造成的支撑剂充填裂缝导流能力伤害问题进行实验研究。研究结果表明:悬浮煤粉质量分数越大,支撑剂充填裂缝出水时间越晚,出水点处压差值越大;且随着悬浮煤粉质量分数增大,裂缝内的煤粉沉积量呈线性增长趋势,煤粉沉积率先急剧增长到最大值后缓慢下降,支撑剂充填裂缝渗透率及导流能力呈下降趋势。     

压裂中煤粉对煤储层损害机理分析与防控对策

为了减轻煤储层压裂过程中煤粉对煤储层的损害,分析了煤粉的形成机理及其对煤储层损害的机理。以沁水盆地柿庄南区块为例,根据工业分析和X衍射资料,采用DLVO理论分析了煤粉的水润湿性。研究认为,因为煤粉具有一定的亲水性,煤粉运移容易受水流动的影响,因而压裂后的返排阶段与排水采气阶段是煤粉运移的主要阶段。从煤粉的来源和运移堵塞条件看,在近井带裂缝有效应力大、水流速度高的地方,容易形成煤粉运移损害。采取以下措施可减少煤粉运移损害:在压裂时尽量避开原生煤粉发育的软煤层段;压裂液中避免使用阴离子表面活性剂;在顶替液阶段可适量注入阳离子表面活性剂;煤层气井压裂后的排采过程中,应严格控制排水速度。     

下行定向钻孔氮气泡沫幂律多相流携渣解堵技术

为了解决下行定向钻孔煤屑堵塞、瓦斯抽采有浓度无流量技术瓶颈难题,提出下行定向钻孔氮气泡沫幂律多相流携渣、解堵技术,采用理论分析、数值模拟、现场工业试验等方法,对煤矿井下下行定向钻孔瓦斯抽采引起煤屑堵塞的原因、下行定向钻孔环空氮气泡沫幂律多相流携渣理论及实践应用进行了研究。通过含壁函数的湍流模型数值模拟耦合瓦斯流动和煤体变形,钻孔抽采后流体压力变化引起的孔壁弹性位移。通过三维库仑失效准则模型数值模拟求解抽采引起的压力变化以及压力变化引发的应力、应变、位移变化及下行定向钻孔塌孔风险。通过幂律多相流理论分析氮气泡沫的稳定性、泡沫在钻杆内、钻头处、环空间隙的流动性、泡沫中煤粉悬浮性能、环空间隙泡沫排渣的压力损失、泡沫向上排渣受力情况。在下行定向钻孔环空氮气泡沫幂律多相流携渣理论分析的基础上,设计了稳定氮气泡沫发生器、泡沫发生灌注系统、下行定向钻孔氮气泡沫钻进工艺、瓦斯抽采钻孔氮气泡沫二次解堵工艺,并进行下行定向钻孔氮气泡沫排渣现场工业试验。研究结果表明：钻孔壁摩擦曳力和弯曲处的离心力会造成煤屑颗粒聚集及孔壁坍塌风险增大,瓦斯携带的煤粉颗粒会撞击孔壁使孔壁变形或剥离,进而导致抽采钻孔塌孔堵塞;建...     

煤粉对支撑裂缝导流能力的影响特征及其防控

针对煤层气井的煤粉伤害问题,运用LD-1A导流能力测试系统模拟了煤层气井变排量、恒排量及间抽过程中煤粉在支撑裂缝中的运移沉积情况,分析了不同流速下煤粉对支撑裂缝导流能力的影响特征及伤害机理。实验表明:煤粉易滞留沉积在支撑裂缝底部严重影响导流能力,导流能力伤害率可达90%以上;在没有煤粉持续进入支撑裂缝的情况下,有效排出煤粉导流能力有增大的趋势;排采制度、煤粉质量含量、煤粉粒径对导流能力的影响特征存在明显差异;煤粉随水运移时对支撑剂窄口的疏通作用和聚集堵塞作用共同影响支撑裂缝导流能力。压裂前期使用小粒径支撑剂,尾追大粒径支撑剂,合理控制排采速度,使排采速度略小于煤粉运移的临界流速,并使用煤粉分散剂,有利于适量排出煤粉减小导流能力伤害。     

煤粉在支撑裂缝中的运移与沉积规律

针对煤储层压裂过程中易产生大量煤粉问题,应用LD-1A导流能力测试系统进行了支撑裂缝中不同流速、不同煤粉含量的流体流动物模实验,分析了流体在变流速、恒流速和间断流动下,煤粉在支撑剂充填层中的运移、沉积及产出规律。实验表明:煤粉运移具有一定的临界流速,不同条件下,临界流速差别较大,在20~40目石英砂支撑裂缝中,过60目煤粉临界流速可达5.20 cm/min,而过140目煤粉临界流速为2.01 cm/min;流体流速、支撑剂粒径、煤粉粒径、煤粉含量、排采制度等多重因素共同控制煤粉产出量;煤粉容易沉积在支撑裂缝中堵塞支撑剂构建的孔隙,对支撑裂缝导流能力的伤害严重。压裂后有效排出煤粉,可减小堵塞伤害;排采过程中控制流体流速,有利于减少煤粉运移及产出。     

古交区块煤层气L型水平井排采工艺及配套技术研究

由于L型水平井具有全角变化率大、井斜角大、斜井段长且水平位移大的特点,加上古交区块煤储层水平段吐砂、吐煤粉严重,单井产水量小(小于1 m3/d),排采过程中易卡泵、易气锁等特征,为后期排采带来困难。通过已有21口L型水平井的排采经验,摸索出了适宜古交区块煤储层特征的以抽油机加新型斜井泵工艺为主体,配套防偏磨、防气锁、柱塞泵循环洗井、负压捞砂等技术的排采工艺,取得一定成效。     

煤与瓦斯突出两相流运移衰减规律实验研究北大核心

为了研究煤与瓦斯突出后煤与瓦斯两相流的运移衰减规律,利用自主搭建的煤与瓦斯突出实验模拟系统,研究突出后煤粉运移分选特征、煤与瓦斯两相流冲击压力的演变规律。研究结果表明:在轴向应力为0.54 MPa、瓦斯压力为0.5 MPa时,煤粉相对突出强度为55.1%;突出煤粉有较强分选特性,管道内粒径小于1 mm的煤粉分布呈现沿程递减的趋势,而粒径为1~3mm和粒径大于1 mm的煤粉分布呈现沿程递增的趋势;突出启动后,两相流冲击压力呈先增大后减小的趋势,且增大速率大于其减小速率,冲击压力峰值出现的时间随着突出距离增加而滞后;由于突出瞬间发生,两相流快速喷出,从未完全膨胀状态转化成完全膨胀状态,产生层层叠加压缩波,最终形成冲击波,导致冲击压力峰值在管道前段出现突增现象,整体呈震荡衰减的变化趋势。     

临汾区块煤层气井提产阶段排采控制研究

为查找出影响临汾区块煤层气高产稳产井和峰后下降井稳产效果差异的原因,分别对高产稳产井和峰后下降井提产阶段的井底压力下降速度、日产气增速等排采控制指标进行了对比分析,首次揭示出了产气速度对煤储层压降扩展的影响机理及在排采控制中的重要性,制定出了临汾区块煤层气井提产阶段的排采参数控制指标与方法。研究表明:峰后下降井稳产效果差的原因在于提产阶段未对井底压力降速和日产气增速进行缓慢控制;产气速度过快,易引起大颗粒煤粉运移造成堵塞,且近井地带煤层中的气相相对渗透率快速增加,水相相对渗透率急剧下降,水的流动阻力增大,影响水的有效排出,造成压降扩展变慢;临汾区块煤层气井提产阶段的压降速度合理值应控制不超过0.01MPa/d,日产气增速应控制不超过15 m~3/d为宜,可采用阶梯式稳产、提产交替进行的方式进行提产。