Output characteristics and control mechanism of coal powder from coalbed methane wells in Shizhuang Block in the south of Qinshui Basin
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摘要:
针对沁水盆地柿庄南区块部分煤层气井煤粉产出严重的问题,利用测井曲线和构造曲率识别研究区煤层气井的煤体结构，分析不同煤体结构煤层气井煤粉质量浓度、粒度、形态等产出特征。研究发现：测井参数与构造曲率两者的判识结果匹配程度高，研究区南部构造曲率值低，以原生−碎裂结构煤为主，断层发育附近构造曲率值高，以碎裂−糜棱结构煤为主,煤粉特征与煤体结构之间存在良好的相关性；原生结构煤质量浓度为0.271 g/L，碎裂结构煤质量浓度为0.634 g/L，碎粒−糜棱结构煤质量浓度为4.872 g/L，产出煤粉的粒度主要在1～100 μm之间；随煤体结构破碎，1～10 μm煤粉逐渐增加，大于1 000 μm煤粉逐渐减少；受构造及排采影响，煤粉形态逐渐趋于球状、片状集合体。
Abstract:For the serious problems of pulverized coal production in some coalbed methane wells in Shizhuang Block in the south of Qinshui Basin, this study recognizes the coal structure of CBM wells in the study area by using the integrated identification method of the well-logging curve and the tectonic curvature, and analyzes the output characteristics of different CBM wells, such as the mass concentration, particle size, and morphology of the coal powder. It is found that the identification results of logging parameters and tectonic curvature are well matched, in the southern part of the study area, the structural curvature value is low, and the primary and cataclastic structural coal is the main one, while the structural curvature value near the fault development is high, and the cataclastic and mylonitic structural coal is the main one, there is a good correlation between the characteristics of coal powder and the coal body structure. The concentration of primary structural coal in Shizhuang south CBM well is 0.271 g/L, the mass concentration of fractured structural coal is 0.634 g/L, and the concentration of granulated-mylonitic structural coal is 4.872 g/L. The particle size of the output coal powder is mainly in the range of 1-100 μm; the pulverized coal with particle size of 1-10 μm gradually increases with the crushing of the coal structure, and the pulverized coal with particle size more than 1 000 μm gradually decreases. Under the influence of structure and drainage, the shape of pulverized coal gradually tends to be spherical and flaky aggregate.
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煤层气是一种绿色的清洁能源，合理开发利用煤层气具有环境保护−能源补充−煤矿安全三重意义。煤层气井在生产过程中，煤粉在生产压差和流体的作用下在裂隙内运移，一部分煤粉滞留在裂隙中，逐渐降低裂隙导流能力，导致煤层气井产量出现衰减现象[1-2]；另一方面，煤粉在井筒内沉积积聚或进入排采设备内，导致煤层气井排水不畅，排采泵功效降低，不仅造成机械磨损，甚至形成黏稠胶状物进入泵内，造成埋泵卡泵，由此在生产过程中需要频繁检泵，破坏煤层气井产气的连续性，影响产气潜力[3-4]。
目前，国内外学者对井筒内流体运移规律开展了相关研究。胡胜勇等[5]建立了煤粉运移与沉积的支撑裂缝渗透率演化模型；张芬娜等[6]提出了适用于深部煤层气井垂直井筒的颗粒沉降末速计算公式；冯常青等[7]根据赵庄矿区煤层气井生产条件，建立了抽油杆与油管环空区域内煤粉液相两相流动的瞬态模型，数值模拟了煤粉颗粒尺寸和井液流速对煤粉排出的影响；牛骏等[8]建立了井筒内垂向和径向煤粉运移数学模型及求解方法；魏迎春等[9]、杜军军等[10]开展了静态沉降实验，实验得到了不同粒度煤粉的上浮、下沉及悬浮情况；郑春峰等[11]用数值模拟方法分析了不同流速、不同粒径煤粉的运移规律及沉降特征；HAN等[12]通过静态沉降实验建立了阻力系数与雷诺数的函数关系，获得了不同粒径煤粉的临界速度；韩国庆等[13]开展了煤粉颗粒静态和动态运移实验，研究了煤粉颗粒静态沉降末速和最小携带速度。
前人研究成果集中在煤层气排采过程中的单相流阶段，主要通过运移与沉降模型、数值模拟的方法，采用静态沉降实验和携粉运移实验，获得煤粉颗粒的沉降末速、携粉临界流速等特征参数。为此，建立了煤粉动态沉降实验平台，根据现场煤层气井排采工况和煤粉产出特征，设计了符合现场生产特征的实验条件，探讨了煤层气井在单相流阶段，不同煤粉质量浓度、不同流体速度条件下全井筒煤粉的运移沉降规律，为煤层气生产井煤粉的管控措施提供指导意义。
1. 煤层气井煤粉产出特征
通过在潘河、柿庄南、柿庄北和寿阳区块采集到303井次的煤粉溶液样品，在实验室内测试了煤粉质量浓度、煤粉粒径、煤粉成分和煤粉形态特征，获取煤层气井排采现场煤粉的产出特征。
1）煤粉质量浓度特征。4个区块煤层气井煤粉溶液测试的煤粉质量浓度为0.02~27.58 g/L，平均为0.6 g/L；其中潘河区块的PH-116H3、PH-117H1、PH-117H2超过20 g/L。
2）煤粉粒径特征和成分特征。煤粉溶液中煤粉粒径在0.2~3 080 μm区间都有分布，但是主要的粒径分布区间为3.5~300 μm。煤粉产出成分主要为无机矿物，其中黏土矿物质量分数为59.3%~85.3%，平均为74.4 %；黏土矿物主要为高岭石、绿泥石及云母。
3）煤粉形态特征。煤粉的产出形态特征主要表现为煤粉颗粒磨圆度较好，大多数颗粒呈次棱角状及次圆形。碎粒−糜棱煤的裂缝中含有更多的细小煤粉颗粒，在地层气−液两相流的冲刷下，经历更高强度的剪切作用和颗粒间摩擦，煤层气井煤粉产出形态特征如图1所示。
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图 1 煤层气井煤粉产出形态特征Figure 1. Morphological characteristics of coal powder output from coalbed methane wells2. 实验设计
依据测试结果设计了在单相流阶段，不同煤粉浓度、不同流体速度条件下全井筒煤粉的运移沉降实验，实验条件符合现场煤层气井的排采特征。实验通过改变搅拌罐中煤粉的浓度来模拟煤层气生产过程中煤层产出煤粉浓度，改变螺杆泵泵入速度来模拟生产过程中排水速度，研究煤层气井在排水降压单相流阶段全井筒煤粉的沉降规律。
2.1 实验原理和实验平台
实验通过音叉谐振密度传感器监测整个实验过程中煤粉浓度的变化。音叉谐振密度传感器是根据元器件振动原理设计，振动元件类似于两齿的音叉，叉体因位于齿根的1个压电晶体而产生振动，振动的频率通过另1个压电晶体检测出来，通过移相和放大电路，叉体稳定在固有谐振频率上。当介质流经叉体时，因介质质量的改变，引起谐振频率的变化，根据固有频率变化确定被测液体的密度。其计算原理如下：
$$ D=K_{0}+K_{1}f+K_{2}{f}_{2} $$ (1) 式中：D为被测介质的密度，kg/m3；f为叉体的固有振动频率，μs；f2为被测介质流经叉体时的振动频率，μs；K0、K1、K2为常量。
按照式（1），通过电子处理单元即可计算出准确的介质密度值。
实验采用河南理工大学自主研发的一套煤层气井煤粉动态沉降运移模拟测试系统，装置主要由数据采集系统、模拟井筒、动力系统组成。该装置可以通过动力系统中的螺杆泵、空压机向模拟井筒中注入气体、液体，在模拟井筒中实现煤层气生产过程中煤粉的动态沉降运移过程。螺杆泵可以实无级变速进而控制泵入水流速度，空压机可通过流量计调整注入气体流速模拟实际生产过程中产水、产气情况。数据采集系统可以将实验过程中数据实时采集保存。
2.2 实验方案和实验步骤
在煤层气井现场排采过程中，见套压前的排水降压阶段，为只产水不产气的单相流阶段[14]。统计了4个区块40口煤层气井现场的排采数据，平均产水量8.3 m3/d，设计了流速为0.005 ~0.035 m/s的7种流速参数。向搅拌罐中加入的煤粉质量浓度为1 ~20 g/L，煤粉粒径为180~250 μm、150~180 μm 2种粒径范围煤粉颗粒，通过改变螺杆泵的转速改变注液速度，通过音叉谐振密度传感器测试值建立密度值与煤粉质量浓度的对应关系。在正式试验前，为测试装置稳定性首先进行清水实验获取螺杆泵转速与水流速度的关系，实验装置泵速与流速关系见表1。
表 1 实验装置泵速与流速关系表Table 1. Relationship between pump speed and flow rate of experimental setup泵速/min 流量/min 流速/（m·s−1） 产水量/（m−3·d−1） 170 0.9 0.005 1.3 320 1.8 0.010 2.6 470 2.7 0.015 3.9 630 3.6 0.020 5.2 780 4.5 0.025 6.5 940 5.4 0.030 7.8 1090 6.3 0.035 9.1 实验主要设计2种变量：煤粉质量浓度及水流速度。每一组煤粉质量浓度下的水流流速保持运行60 min。单相流动态沉降实验方案：煤粉粒径为180~250 μm，煤粉质量浓度分别为：1、2、4、6、8、10、15、20 g/L；煤粉粒径为150~180 μm，流体速度为0.005、0.010、0.015、0.020、0.025、0.030、0.035 m/s。
实验步骤如下：①样品制备，首先将煤样使用高速破碎机进行粉碎，然后使用标准筛进行筛选，选取实验所需粒径煤粉进行实验；②根据实验方案向搅拌罐中加入目标浓度的煤粉溶液，然后调整搅拌机速度保证煤粉溶液搅拌均匀；③检查实验设备密封性是否完好，各个管道阀门是否开启；④通过数据采集系统改变螺杆泵转速进而控制水流注入速度；⑤观察音叉谐振密度传感器数据，待数据稳定时可以进行数据采集；⑥实验过程中观察不同煤粉质量浓度情况下井筒煤粉沉降情况，并进行拍照记录；⑦根据实验方案改变实验参数重复进行实验；⑧数据处理分析，将实验采集数据进行处理并分析总结。
3. 实验结果
物理模拟测试中，首先校正密度与质量浓度值的对应关系。通过计算每一组质量浓度下测量结果的平均值，利用线性拟合建立密度与质量浓度之间的相关关系。随着加入煤粉质量浓度的增加，音叉谐振密度传感器的密度值增大，结果表明两者之间的拟合很好，说明可以通过音叉谐振密度传感器数据来表征煤层气井生产过程中产出煤粉质量浓度，实现井下煤粉质量浓度的实时监测。
不同流速下煤粉质量浓度变化规律如图2所示，180~250 μm条件下不同液流速度下井筒煤粉挂壁率如图3所示。
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图 2 不同流速下煤粉质量浓度变化规律Figure 2. Variation of coal powder mass concentration at different flow rates![]()
图 3 180~250 μm条件下不同液流速度下井筒煤粉挂壁率Figure 3. The wall hanging rate of 180-250 μm coal powder in wellbore under different liquid flow velocity conditions在180~250 μm煤粉实验过程中，当流速低于20 mm/s时，大量煤粉沉积在井筒底部，堵塞孔道，进入到油管内的煤粉量较少，煤粉质量浓度值低于搅拌筒内注入的预设值；当流速大于20 mm/s时，液体流速增加，沉积在井筒底部的煤粉被携带运移进入油管，煤粉质量浓度值迅速上升，波动较大，甚至超过全井筒平均值。
流速较小时，壁面上附着的颗粒较少，可以清楚地观察到单个颗粒的形态。20 mm/s的速度下挂壁煤粉量达到最大，此处流速也是煤粉质量浓度迅速上升的时期，煤粉携带量增强，沉积在井筒底部的煤粉被运移。随着流速继续增大，管壁附着的煤粉颗粒被冲刷下来，煤粉充满整个油管与环空，煤粉质量浓度增大，颜色加深。在搅拌罐中加入煤粉随着质量浓度的变化，传感器监测值整体趋于上升趋势；由于流体流速增大，煤粉更易被携带冲刷。在将煤粉质量浓度增加到15 g/L时，煤粉质量浓度在井筒中随着水流速度的变化趋势更明显，此时整个井筒区域颜色加深。
在单相流阶段，煤粉颗粒受到重力、浮力、流体阻力、流体拖曳力作用；只有煤粉所受的向上的力大于其向下的力，煤粉才有可能发生运移。在低流速下，由于煤粉颗粒受到向下的力大于其向上的力，观察到煤粉颗粒逐渐下沉，传感器监测值减小。流速变大，向上的力逐渐增大，煤粉质量浓度逐渐趋于稳定，180~250 μm的煤粉在20 mm/s左右的速度时会被携带运移，150~180 μm的煤粉在10 mm/s左右的速度时会被携带运移。
4. 煤粉沉降模型
煤粉颗粒在静态的液体中，受到重力、浮力和水流阻力作用。开始时，重力大于浮力和阻力之和，颗粒做加速运动；随着颗粒流动速度的增大，阻力也随之增加，直至重力与向上的力相平衡，颗粒做匀速直线运动，此时颗粒的运行速度就称之为静态沉降末速[15]。
根据力学与运动学可以计算球形颗粒的沉降末速${v}_{{\mathrm{t}}} $如式（2）：
$$ {v}_{{\mathrm{t}}}=\sqrt{\frac{4\left({\rho }_{{\mathrm{s}}}-{\rho }_{{\mathrm{l}}}\right)g{d}_{{\mathrm{p}}}}{3{\rho }_{{\mathrm{l}}}{C}_{{\mathrm{D}}}}} $$ (2) 式中：${v}_{{\mathrm{t}}} $为沉降末速，m/s；CD为阻力系数，无因次；dp为颗粒直径，m；ρl为流体的密度，kg/m3；ρs为颗粒密度，kg/m3；g为重力加速度。
阻力系数CD为固体颗粒雷诺数Re的单值函数，Re的表达式可以表示为式（3）：
$$ {{Re}}=\frac{{\rho }_{{\mathrm{l}}}{U}_{{\mathrm{t}}}{d}_{{\mathrm{p}}}}{\mu } $$ (3) 式中：μ为流体黏度，m2/s。
当Re<2，沉降末速${v}_{{\mathrm{t}}} $为式（4）：
$$ {v}_{{\mathrm{t}}}=\frac{g\left({\rho }_{{\mathrm{s}}}-{\rho }_{{\mathrm{l}}}\right){{d}_{{\mathrm{p}}}}^{2}}{18\mu } $$ (4) 当2≤Re<500，沉降末速${v}_{{\mathrm{t}}} $为式（5）：
$$ {v}_{{\mathrm{t}}}=0.152{\left[\dfrac{\left({\mathrm{\rho }}_{{\mathrm{l}}}-{\mathrm{\rho }}_{{\mathrm{s}}}\right)}{{\mathrm{\rho }}_{{\mathrm{l}}}}\right]}^{0.714}\dfrac{{{d}_{{\mathrm{p}}}}^{1.143}}{{\dfrac{\mathrm{\mu }}{{\mathrm{\rho }}_{{\mathrm{l}}}}}^{0.429}} $$ (5) 当500≤Re<200 000，沉降末速${v}_{{\mathrm{t}}} $为式（6）：
$$ {v}_{{\mathrm{t}}}=1.74\sqrt{\frac{\left({\rho }_{{\mathrm{s}}}+{\rho }_{{\mathrm{l}}}\right)g{d}_{{\mathrm{p}}}}{{\rho }_{{\mathrm{l}}}}} $$ (6) 联合计算式（2）～式（6），180~250 μm煤粉颗粒静态沉降末速为7~14 mm/s，150~180 μm煤粉颗粒静态沉降末速为1~7 mm/s。
煤层气井在排采过程中，流体从井底运移到井口，流体会携带煤粉运移。煤粉的临界携带流速，是指流体速度恰好能够使得煤粉颗粒悬浮的液流速度，可以作为煤粉随液流一起运动的启动速度。理想状态下，只需要流体速度达到煤粉的静态沉降速度，就可以使得煤粉悬浮在流体中。但在实际的煤粉运移过程中，煤粉粒径、煤粉形状、煤粉质量浓度、井筒内径等因素都会对临界携带流速产生影响，实际临界携带流速大于静态沉降末速。在实验过程中发现180~250 μm的煤粉颗粒，当流体速度为20 mm/s（日产水量5.2 m3/d）时，煤粉会被携带运移从井底运移到井口；150~180 μm的煤粉颗粒，当流体的速度大于等于10 mm/s（日产水量2.6 m3/d）时，煤粉会被携带运移从井底运移到井口，实验结果与煤粉沉降模型计算结果一致。
由于单相流阶段煤粉粒径一般较大，煤粉沉降造成井筒堵塞，增大煤粉卡泵风险，需增大排量才能将井筒中的大颗粒煤粉排出。通过音叉传感器的监测数据实时反映排水降压单相流阶段井底煤粉富集程度，为现场生产提供预警，及时改变排采条件适度排出煤粉，减少检泵周期，有利于煤层气井高效生产。
5. 结 语
通过研发建立动态煤粉沉降实验平台，根据现场煤层气井排采工况和煤粉产出特征，设计了符合现场生产特征的实验条件，探讨了煤层气井在单相流阶段，不同煤粉质量浓度、不同流体速度条件下全井筒煤粉的运移沉降规律。
1）音叉谐振密度传感器监测值与煤粉质量浓度呈现较好的线性关系，在实际生产过程中，可以通过音叉谐振密度传感器实现井下煤粉质量浓度的实时监测。
2）实验过程中发现，当流体的速度大于等于20 mm/s时的180~50 μm煤粉颗粒，流体的速度大于等于10 mm/s时的150~180 μm煤粉颗粒，分别会被从井底携带运移至井口，实验结果与煤粉沉降模型计算结果一致。
3）在保持煤粉质量浓度一定的情况下，流速的增加会导致井筒内煤粉质量浓度值总体上随之增加，证明了增加排水速度有助于把井下的沉降煤粉排出井筒。
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图 1 柿庄南区块3#煤顶板构造图
Figure 1. Roof structure diagram of 3# coal in Shizhuang Block in the south of Qinshui Basin
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图 2 煤体结构测井参数概率密度分布
Figure 2. Probability density distribution of logging parameters of coal structure
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图 3 柿庄南区块样品采集井产出煤粉质量浓度
Figure 3. Mass concentration of output coal powder in sample collection wells from Shizhuang Block in the south of Qinshui Basin
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图 4 不同煤体结构煤粉粒径分布
Figure 4. Coal powder particle size distribution of different coal body structures
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图 5 不同粒径范围煤粉质量分数
Figure 5. Mass fraction of coal powder in different particle size ranges
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图 6 不同煤体结构煤粉微观形态特征
Figure 6. Microscopic morphological characteristics of coal powder with different coal structures
表 1 煤体结构判识结果
Table 1 Identification results of coal structure
样品
编号井型 测井
识别构造曲率
绝对值/
10−4 m构造曲率
识别采用
结果1# 水平井 碎粒−
糜棱结构3.95~10.43 原生−
碎粒结构碎粒结构 2# 水平井 碎粒结构 3.52~4.35 原生结构 原生−
碎粒结构3# 水平井 碎粒−
糜棱结构9.18~14.88 碎裂-
糜棱结构碎粒−
糜棱结构4# 水平井 碎裂结构 0.53~10.13 原生−
碎粒结构碎裂−
碎粒结构5# 定向井 原生结构 7.87 碎裂结构 原生−
碎裂结构6# 水平井 原生结构 0.80~1.37 原生结构 原生结构 7# 直井 原生结构 5.94 碎裂结构 原生−
碎裂8# 定向井 碎裂结构 13.04 碎粒−
糜棱结构碎裂−
糜棱结构9# 定向井 碎裂结构 0.26 原生结构 原生−
碎裂结构10# 水平井 原生结构 1.29~1.75 原生结构 原生结构 11# 定向井 原生结构 0.60 原生结构 原生结构 12# 水平井 原生结构 0.57~2.68 原生结构 原生结构 13# 水平井 原生结构 2.39~2.73 原生结构 原生结构 14# 直井 原生结构 0.51 原生结构 原生结构 15# 定向井 碎裂结构 1.09 原生结构 原生−
碎裂结构
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表 2 煤粉质量浓度和粒径测试结果
Table 2 Test results of coal powder mass concentration and particle size
主要煤体结构 样品编号 煤粉质量浓度/（g·L−1） 不同粒径煤粉质量分数/% 第1批 第2批 第3批 ＜1 μm 1~10 μm ＞10~100 μm ＞100~1 000 μm ＞1 000 μm 原生结构煤 6# 0.227 3.06 25.77 49.04 6.02 16.11 10# 0.167 0.076 0.00 1.65 97.63 0.72 0.00 11# 0.020 1.574 5.22 31.77 61.31 1.70 0.00 12# 0.377 0.039 3.66 18.67 50.40 8.31 18.96 13# 0.357 0.035 0.032 2.20 16.68 48.79 8.94 23.39 14# 0.074 23.32 58.41 18.27 0.00 0.00 碎裂结构煤 5# 2.800 0.288 5.23 61.34 13.29 14.78 5.36 7# 0.290 1.99 14.77 42.92 14.90 25.42 9# 0.172 0.053 4.91 31.94 47.82 4.85 10.48 15# 0.200 0.00 0.00 34.21 65.79 0.00 碎粒−糜棱结构煤 1# 2.258 3.315 3.44 61.94 34.13 0.49 0.00 2# 20.000 0.513 1.854 5.33 41.14 12.66 40.70 0.17 3# 22.000 0.717 7.85 81.50 10.65 0.00 0.00 4# 0.900 0.323 1.338 3.28 42.51 49.25 3.61 1.35 8# 0.371 7.79 61.76 30.45 0.00 0.00
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