黄坤

摘  要：煤层气生产过程中，煤粉能够通过井筒适量、高效排出对制定合理的排采制度，提高和稳定煤层气产量具有重要意义。因此，充分认识煤粉在井筒内的运移规律尤为必要。关于煤粉颗粒在垂直井筒中运移规律的研究很少。为此，借鉴垂直井筒携砂规律的研究方法，开展了煤粉颗粒运移规律的实验研究，通过建立煤粉颗粒在垂直井筒中静态沉降和动态运移的数学模型，得到了煤层气井煤粉颗粒的表观机械运移规律。

关键词：煤层气井井筒;煤粉颗粒;运移规律

煤层气是一种重要的非常规资源，具有较高的经济价值并且由于其清洁能源的属性，煤层气的开发越来越受到重视。我国煤层气资源分布广泛、储量丰富，大力开发煤层气，对于缓解我国能源紧张的局势具有重要的作用。在制定煤层气排采制度时，如果排采速度过高，煤储层会因速敏效应产生大量煤粉，如果煤粉不能够及时排采出，滞留在储层、水平井筒和垂直井筒底部就会造成事故的产生。而排采速度在考虑生产效率的前提下，又不能过低。因此，结合储层煤的性质、产出煤粉的情况以及井筒气水携煤粉能力制定出合理的煤层气排采制度在煤层气开发中具有至关重要的作用。

一、水平井筒煤粉运移机理

在煤层气排采过程中，煤粉产出是不可避免的问题。随着水平井技术越来越多的应用于煤层气开采，对煤粉在水平井中的运移规律的认识变得愈加重要。煤粉在水平井筒内沉积，一方面会引起井筒压降的增加，影响产量，严重的还会堵塞井筒;另一方面，煤粉沉积会加剧套管的腐蚀并且会损坏井下部件，最重要的是不能对煤粉的运移规律有清晰认识的话，煤粉的突然产出会造成煤粉在垂直井筒底部大量沉积，产生埋泵和卡泵的事故。煤粉在水平井筒内的运移属于液固两相流，其运移机理和动力学特性较为复杂：煤粉与液相、煤粉与气相、煤粉与煤粉之间、煤粉与固壁以及气相与液相的复杂相互作用难以用理论进行清晰准确的分析，同时气相与液相相内也存在复杂的流动。

1、煤粉颗粒的运动形式。煤粉颗粒的运动形式可以分为接触质、跃移质、层移质和悬移质。在接触质、跃移质和层移质三种情况下，颗粒依旧与床层连续或短時间断性接触，故而三者又统称为推移质运动，在实际气液固三相流动中运动形式可以同时存在。

2、水平井筒煤粉运移流型。根据固体颗粒在圆管内的运动状态和管内的固液配置形式可以将固液两相流流型分为：分层流流型和分散流流型。当液体流速比较低时，颗粒床层表面颗粒以接触质和跃移质方式向前运移，表层以下的颗粒床保持静止，最上层是纯液体层;随着液体流速增加，最上层的纯液体层中就会出现以悬移质形式运移的颗粒，此时最上层变为分散流动。因为在垂直方向上管内共出现三种不同的固液配置形式，因此均称为三层分层流动。液体流速继续增加，原先固定床层内的各颗粒也开始以不同的运动形式参与运移，固定床层消失，此时圆管内只存在移动床层和分散流动层，故而叫做两层分层流动。当液体流速持续增加，原先移动床层中的固相颗粒会受到较强的紊动扩散作用，颗粒开始连续脱离床层直到移动床层消失，只剩下分散流动，此时即为分散流流型。

二、煤粉颗粒的表观机械运移规律

1、球形颗粒的自由沉降末速。研究表明[1]，当流体中的颗粒粒径大于 2 ～ 3 μm 时，将不会产生布朗运动，此时流体可视为连续介质。假设有一密度为 ρs、粒径为 ds 的球形颗粒在密度为 ρl、黏度为 μ 的流体中作自由沉降运动，当球形颗粒仅受重力作用时，引起球形颗粒沉降的作用力为：

结合球形颗粒的实际沉降过程，可以简化为其在经过短暂的加速运动后，做持续的匀速运动，此球形颗粒的沉降速度亦称为自由沉降末速，即可得到自由沉降末速的计算公式为：

2、煤粉颗粒的沉降末速计算。结合煤粉颗粒静态沉降实验数据，可以计算出不同目数煤粉颗粒相应的雷诺数，雷诺数的计算结果表明： 对于20～ 100目的煤粉颗粒，其静态沉降末速的计算应服从 Allen 定律; 而对于 100 目以上的煤粉颗粒，其静态沉降末速的计算应服从 Stokes 定律。不同目数的煤粉颗粒在流体中的运动属于不同的沉降区，不能应用统一的公式进行处理。根据煤粉颗粒的雷诺数，结合煤粉颗粒和实验流体的物性参数，分别选用相应的自由沉降末速理论计算公式，可以计算得到不同目数煤粉颗粒的理论自由沉降末速，继而绘制出不同目数煤粉颗粒实际沉降末速与理论自由沉降末速间的关系，结合不同沉降区的球形颗粒自由沉降末速理论计算公式，可以得到任意目数煤粉颗粒在静置流体中的实际沉降末速，为研究煤粉颗粒动态运移规律提供基础。

3、煤粉颗粒动态运移规律。根据煤粉颗粒的动态运移实验数据，结合煤层气开发现场实际，以排采现场主要应用的 英寸的油管为例计算煤层气井的最小日排水量数据。见表。

在煤层气井的排液降压阶段，为了保证 20目以上的所有目数煤粉颗粒均随流体产出，煤层气井的日排水量应该在 18. 2 m3 /d 以上。进一步分析实验数据，可以得到煤粉颗粒的目数和流体最小携带速度与煤粉实际沉降末速比值间的关系，结合煤粉颗粒的沉降末速计算公式和煤层气井的排采油管尺寸等参数，可以得到携带出不同目数煤粉颗粒所需最小日排水量，这对于煤层气井的排采方案设计具有很好的指导作用。

结论

（ 1） 同一目数的煤粉颗粒，在静置的流体中会出现分层现象，分层现象的严重程度与煤粉颗粒的目数有关，表明煤粉颗粒的物理特性存在着差异。

（ 2） 根据煤粉颗粒的目数范围，应用上述成果可优化煤层气井的排采方案。对于产水量较大的井，流体携带煤粉颗粒的能力很强，无需考虑井筒内煤粉颗粒的沉积问题; 而对于产水量较小的井，流体携带煤粉颗粒的能力与煤粉颗粒的粒径、井筒内流体流速间的关系特别敏感，需要重点考虑煤粉颗粒沉积的问题，这对于煤层气井的高效开发具有很好的指导作用。

参考文献

[1] 张公社，田文涛，陶 杉.煤层气储层煤粉运移规律试验研究[J]. 石油天然气学报，2019，33（ 9） ： 18.

[2] 李明忠，王卫阳，赵国景.垂直井筒井液携砂流动规律研究及其在油井生产中的应用[J]. 实验力学，2017（ 3） ： 12.

[3] 刘爱萍，邓金根.垂直井筒低黏度液流最小携砂速度研究[J].石油钻采工艺，2019（ 1） ： 31-33.

[4] 李爱芬，王士虎，王文玲. 地层砂粒在液体中的沉降规律研究[J]. 油气地质与采收率，2018（ 1） ： 70-73.

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