煤层气水平井桶煤粉迁移特征实验研究

摘要

煤层具有低抗拉强度、抗压强度、弹性模量和高泊松比的特性。煤层气井在钻井、排采过程中由于压力波动、气液冲刷、机械碰撞等外力作用，不可避免地会产生煤粉，煤粉产出对煤层气的排采有有利的一面，适量的煤粉排出，可以疏通流体运移通道，有利于煤层流体导通，扩大压降范围，增大煤层气井的控气面积，提高煤层气井的产气量。但是当煤粉产出量过大时，就会产生不利的影响。一方面，压力波动或者排水强度过大会导致煤粉激动，煤粉随液相或者气相一起运移。当流速降低或者遇到狭窄不能通过的缝隙，煤粉便沉降淤积在该处，会降低原始裂隙和支撑裂隙的导通能力，导致储层渗透性下降。另一方面，由于水平井在钻进时是略有起伏式的，和液相一同进入水平井段的煤粉，当运移至上行井段，若液相流速不足以搬运抬升煤粉，煤粉便逐渐淤积在井筒中。造成不同程度的阻塞井筒，有可能造成水平井报废。运移至排水泵位置的煤粉，可能会导致埋泵现象。煤粉堵塞泵吸入口，致使阀门关闭不严，大幅度降低水泵功效。有时会形成黏稠胶状物进入泵内，对泵筒和柱塞造成磨损，泵效降低，甚至造成卡泵现象，导致排采过程中频繁检泵。为此，有必要确定煤粉启动的条件和规律，为控制排采速度提供依据，进而防止发生埋泵，卡泵等排采事故，延长检泵周期。通过实验模拟钻屑样和捞砂样在水平井中的运动得到如下认识：
　　不同粒径的钻屑煤粉的启动运移规律基本相同。相对而言捞砂样的运移规律更为复杂。但是这两种煤样随着液相流量的增加，遵循静止-滑动-滚动-层移-悬移的运移状态变化规律。与钻屑样相比，粒径较小时，捞砂样运移需要的流量值较小，这是由于捞砂样磨圆度好，易于滚动。粒径较大时，由于捞砂样中的沙粒密度大，钻屑样相对更好启动。改变模拟管道的倾角，则启动流量也会发生相应的变化。随着管道下倾加剧，煤粉启动流量变小，倾角越大，启动越困难。在确定的管道倾斜角度下，随着粒径增大，煤粉的启动流量增加。用一次函数对启动流量和煤粉粒径之间的关系进行拟合，拟合度较高。一次函数对启动流量和倾角间关系的拟合度也很好，这说明通过一次函数可以较好的预测不同粒径和管道倾角下的煤粉启动流量。
　　气相加入后，管道中为三相介质相互作用状态，气相对水流的扰动作用很强，煤粉很容易就悬浮起来随水流开始移动。管道一有角度，气液比越大，气相的扰动作用就越强，煤粉的运移效率随之增加。管道的流量与压差直接相关，压差越大流量越大，两者关系用一次函数拟合度高。研究的最后建立了液固两相流、气液固三相流煤粉启动-运移模型，可大概预测不同粒径煤粉在特定水平井倾角下的启动流量，以及不同气液比对应的压差。

目录

声明

1 绪论

1.1 选题的背景及意义

1.2 国内外煤层气煤粉防治的研究动态

1.3 研究目标、研究内容和技术路线

2 煤层气水平井中的煤粉产出的原因

2.1 煤粉产生与煤岩性质的关系

2.2 围压、温度和排采对煤粉产出量的影响

2.3 煤层气井位置与煤粉产出的关系

2.4 钻井完井对煤层气井煤粉量的影响

3 煤层气水平井煤粉运移规律

3.1 水平管中煤粉运动的形式及流区的划分

3.2 煤粉在排采流体中均匀的分布时于水平井中的运动

3.3 层流和紊流对煤层气中的煤粉运移的作用

4 煤粉运移实验

4.1 实验平台建立

4.2 实验样品

4.3 实验进行

5 实验结果及分析

5.1 煤粉迁移动力学特征

5.2 煤粉颗粒迁移基本特征

5.3 煤粉迁移启动条件

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间参与科研项目与成果