李袖臣，张文，吕洋，吴威

(1.中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司辽河物探处， 辽宁 盘锦 124000；2.中石油煤层气有限责任公司忻州分公司， 山西 太原 030000)

0 引言

目前保德区块煤层气田共有800余口排采井，我们统计2019年排采井检泵结果，发现修井主要原因有油管漏失、泵漏失、煤粉堵塞井下设备、杆柱断脱和煤粉卡泵，其中与煤粉影响相关的卡泵、堵塞井下设备和泵漏失故障占据了27%，可见煤粉影响是排采井发生故障的主要因素.

排采井受煤粉影响发生故障的主要原因都是排采过程产生的煤粉在排采过程中由煤层进入到管柱之后，没有在抽采过程中经过泵筒和油管被携带至地面，而在泵筒之中沉淀堆积，堵塞筛管、凡尔等泵体构件及粘附在泵柱塞上，造成泵漏失和卡泵等井下故障.

由于煤层气开采过程中要遵循 “连续、稳定、缓慢、长期”原则，一旦出现泵漏失和煤粉卡泵等问题后，将对煤层气井的连续稳定开采形成制约降低生产效率，同时通过检泵措施恢复排采井生产，还将增加排采井的运行成本，更可能在检泵过程中对井造成不可逆的损伤.因此针对保德煤层气井因煤粉沉淀产生井下故障的情况，进行原因分析，制定相应措施消减排采过程中煤粉对生产的影响，延长保德排采井的检泵周期，对提高保德区块煤层气整体开发水平具有重大意义.

1 煤粉产出原因分析

根据岩石力学理论，煤粉从煤层中产出的原因有剪切应力过大和滑移破坏2种.

1.1 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，即会对煤层气造成一个剪切破坏，从而产生煤粉颗粒[1].

1.2 滑移破坏滑移破坏形成主要原因是在渗流过程中，气水两相流与煤层发生摩擦，当流体速度加快，流体与煤层颗粒摩擦力变大，作用在煤层颗粒表面上的拖拽力增大.当拖拽力大于煤粉颗粒附着力时，孔眼表面煤粉逐渐脱落[2].

2 煤粉沉淀原因分析

煤层产出煤粉在排采过程中随地层流体运移至井筒，再通过排采设备进入管柱，在管柱中能否被顺利携带至地面不发生沉淀，与煤粉粒径和排液速度相关.

2.1 颗粒沉降速度与粒径的关系应用stokes定律计算颗粒沉降速度.计算公式[3]如下：

V=g(ρs-ρ)d2/(18μ)，

式中：V为颗粒沉降速度，m/s；ρs-ρ为粒水密度差值,d为颗粒直径，mm；μ为水的动力黏度，Pa·s.

从此定律中可以看出颗粒的沉降速度与其粒径的平方成正比，那么进入到管柱内的煤粉粒径越大就越容易沉淀堆积，为了防止煤层堆积，我们首先就要防止大粒径煤粉进入管柱.

2.2 颗粒沉降与排液速度的关系因为只有当油管内排水的流速大于煤粉颗粒在液体中的沉降速度时，煤粉颗粒才能总体上表现为上升运动，即能被产出的管柱流体携至地面.因此，加大油管内排水的流速，可有利于煤粉排出，防止煤粉沉淀堆积.

油管内水的流速计算公式[4]：

V=Q/(S1-S2)，

式中：Q为产水量,m3/d;S1为油管内径截面积,mm2;S2为抽油杆截面积,mm2.

从此计算公式中可以看出，油管内排水的流速与油管内排水量成正比，与油管内径与抽油杆截面积之差成反比.由于油管内排水量取决于煤层气排采需要，此处可视为常数，因此为了防止煤粉沉淀堆积，我们就需要减小油管内径或加粗抽油杆，来提高油管内水的流速.

3 防粉技术对策

煤层出粉是煤层气井排采过程中必不可少的一种现象，查阅资料发现国内各大煤层气田都已经进行了相关防粉技术的研究，有通过预防性强抽、碰泵、注水洗井[5]等地面措施预防煤粉将泵筒堵死，有改良井下工艺防止煤粉在泵筒内堆积等各种防粉方法.但由于各煤层气区块的地质情况存在差异，导致地层产水量、煤粉产出量和粒径等参数也都存在差异，若一味照搬其他区块的防粉方法，将无疑增大日常工作量，而不能取得较好的防粉效果.我们参考其他区块的相关研究，结合保德区块的地质情况和现场特点梳理出一套适合保德区块的防粉技术.

3.1 优化排采制度排采压差越大，煤粉从煤岩脱落越容易，煤粉产生量越大. 因此排采压降遵循“连续、稳定、缓慢”原则，优化排采制度，避免压力差和排采速度太大，有利于减少煤粉产出[6].

3.2 优化井下工艺通过对保德区块含煤粉水样进行检测，我们发现保德区块90%的煤粉粒径小于0.2 mm，50%的煤粉粒径小于0.1 mm，与其他区块煤粉粒径相比相对较小，基于上述的理论研究，我们在现场采取了如下措施.

3.2.1 防砂管的选择 保德现场根据各井井况和煤层气地质特点，通过选用0.1 mm的割缝筛管或0.2 mm的绕丝筛管[7]阻止粒径大于0.1或0.2 mm的煤粉进入管柱内,同时保证较小粒径的煤粉不至堵塞在尾管处.

3.2.2 油管的选择 由于保德区块煤粉粒径相对较小，使用防砂管技术后，仍有大部分煤粉进入管柱，那么通过加快排液速度让较小粒径的煤粉随油管内排水携至地面至关重要.现场我们将在用的73 mm普通内衬62 mm的油管改用为(53±0.5) mm的油管，提高管内液体流速42.3%，防止煤粉卡泵效果明显.

以保德区块北部某排采井为例，该井于2011年12月投产，截至目前累计运行3 200余天，初期井下采用73 mm普通内衬62 mm的油管构造，2013年1月、2014年3月、2015年11月、2017年8月、2017年8月和2017年10月分别由于煤粉影响造成井下故障，平均因煤粉影响导致的井下故障周期接近1年，尤其在2017年出现井下故障达到3次(表1).该井于2017年12月修井时改用为(53±0.5) mm的油管后，截至目前仅出现过一次套管变形故障，由于煤粉影响所导致的故障几乎未再次发生，同时该井产水也逐渐从水色黑过渡为水色清.

表1 保德某井检泵情况统计表

3.3 地面管理措施

3.3.1 常规预防措施 所有排采井每月进行一次示功图测试，通过示功图分析煤层气井井下工况，识别和判断出受煤粉影响出现早期软卡和漏失的排采井.针对早期软卡的排采井可通过大冲次快抽、洗井等措施，提前将粘附在泵筒处的煤粉冲刷排出，防止泵被煤粉堵死夯实，延缓煤粉堵塞泵筒的情况发生，从而延长检泵周期，提高生产效率[8]；针对漏失的排采井可通过大冲次快抽和碰泵，将粘附在凡尔处的煤粉震荡下来排出，提高泵效.

3.3.2 异常情况处理 在排采现场日常巡检中，发现抽油机出现光杆和驴头抖动、出水量减少和不出液的情况后，可进行示功图测试，判断其是否是受煤粉影响的井下故障造成，针对具体情况可采取大冲次快抽、碰泵等措施，提前解决受煤粉影响造成的井下故障，防止煤粉彻底堵死泵筒的情况发生和延缓泵效变低，从而延长检泵周期，提高生产效率.

4 结论

保德区块位于我国西北部低阶煤层区块，通过历年来的排采现场摸索和对该区块煤粉影响的针对性研究，我们得出以下结论：

1)排采过程中应遵循“连续、稳定、缓慢”原则，合理制定排采指令，避免压力差和排采速度太大.

2)该区块煤粉以0.2 mm粒径以下的煤粉渣砾为主，通过在管柱底部尾管处加装防砂尾管，能过滤较大煤渣且可避免粒径更小的煤粉堵塞尾管.

3)减小油管内径可以在同等排采强度条件下加快油管内液体流动速度，促进防砂尾管无法过滤的过小煤粉渣砾排出至地面.

4)排采井受煤粉影响卡泵以前，现场会出现软卡、抽油机抖动和泵漏失等现象，可提前采取大冲次快抽、碰泵等预防性措施，减少煤粉在泵筒、管柱内的沉淀，延缓泵效变低和预防煤粉堵死泵筒，延长检泵周期.

其他煤层气田也可参考此种防粉技术，消减煤粉对排采工作的影响，提高排采效果.但随着保德区块逐步进入煤层气排采中后期阶段，井下压力逐渐降低，产水逐渐减少，导致地下煤层松垮易坍塌，煤粉渣砾大量产出，不仅加重了排采过程中的煤粉影响，也增加了煤层气通道的堵塞几率，如何通过更有效的排采制度调控防止煤层垮坍塌，将成为下一阶段解决煤粉影响的关键，也是我们一下步在煤粉控制方面的研究重点.