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煤层气井煤粉产出机理和控制措施

文档作者：陆希希，郭越文档来源：东北石油大学石油工程学院		点击数：	更新时间： 2022年08月27日
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化工能源化 工 设 计 通 讯
Chemical Energy Chemical Engineering Design Communications
·182·
第43卷第5期
2017年5月
随着国家对非常规能源煤层气的重视，在煤层气开发利用
“十三五”规划中，为了鼓励煤层气的开发利用，补贴标准从0.2
元/m3提高到0.3元/m3。煤层气的开采是一个排水降压解析吸
附的复杂过程，与常规能源的开采有所区别。煤层气开采过程中，
煤粉的产生和未及时排出，造成井筒流道过流面积减小，流体
携煤粉能力减弱，煤粉沉积堵塞井筒，甚至造成煤粉卡泵和埋
泵事故发生。为了降低煤粉大量产出和未及时排出带来的危害，
研究煤粉产出机理，有利于因地制宜的采取控制煤粉措施。
1 煤粉产出机理
根据岩石力学理论，煤层气井煤粉产出机理[1] 有剪切破坏、
拉伸破坏和滑移破坏3 种。
1.1 剪切破坏
剪切破坏是由于生产压差过大或者井筒压力过低，射孔
孔眼周围或井壁附近煤岩所受应力大于煤岩骨架的剪切强度，
导致煤层应力平衡失稳。射孔作业会使煤岩发生不同程度损
坏，导致孔眼周围水泥环受到松动。
1.2 拉伸破坏
拉伸破坏主要原因是排采速度过快，煤层中存在生产压
差的应力场，流体流动产生的压力脉冲降低煤层的剪切强度，
流体与煤层之间形成摩擦力和煤岩颗粒表面的压力梯度力，
在两者的共同作用下，当煤层基质空隙壁受到的拉伸应力大
于抗拉强度时，煤粉从煤岩上剥落。
1.3 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。当拖曳力大于煤粉颗
粒附着力时，孔眼表面煤粉逐渐脱落。
2 煤粉控制措施
2.1 钻井阶段
为减少水平井眼煤粉残留，提前做好井眼净化工作，需
要做到以下4 点：增加钻进排量，提高钻井液速度，从而加大
携带能力；使用偏心PDC 钻头，加大环空距离；合理控制钻
头速度，降低井眼坍塌风险；适当延长循环时间，增加返砂量。
遵循“钻进一米，起出两米，充分划眼”的原则，推荐
采用低钻压和低转速钻井工艺，采取欠平衡或者近平衡钻井
方法，同时尽量避开软煤层钻井。
2.2 完井阶段
（1）优化压裂施工方案、调整施工参数[2]，选用圆度高的
支撑剂，减少施工过程中压裂支撑剂打磨引起的煤粉产生。
（2）采用PE 管和玻璃钢管对煤层气U 型井完井后，实施
水力喷射作业清洗沉积在井筒和油套环空的煤粉。
（3）煤层压裂后，尽快返排，避免煤粉在裂缝残留，降
低裂缝导流能力。
2.3 排采阶段
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，避免压力和
排采速度波动太大，有利于减少煤粉产出。
（1）优选泵型，提高泵效，尽量减少排采泵的抽停时间
和次数，有效避免煤粉在裂缝中沉积，保证气水两相通道畅通。
（2）选择携煤粉能力强的螺杆泵，合理调节泵的冲程和
冲次，提高泵入口排量，可减缓煤粉沉积。
（3）为了防止大颗粒煤粉进入泵筒，造成卡泵和埋泵，
可在螺杆泵吸入口接防砂尾管，同时在油套环空处注水稀释
煤粉可以有效预防卡泵发生，延长检泵周期。
（4）大颗粒煤粉容易沉降在井底和粘附在井筒壁面，这
将导致井筒有效过流面积减少，气水两相携煤粉效果变差。
为了解决井筒中携带大颗粒煤粉问题，在排采液中加入分散
剂可以把大颗粒煤粉分散成小颗粒煤粉，这样更容易由井筒
被携带至井口。
（5）在产气阶段保持合理套压，避免煤层压力波动引发
煤层坍塌。
2.4 关井和修井阶段
煤层气井产气量和产水量较低，采取关井生产制度。在
此期间，地层水不断流向井筒，水量增加，煤层气不断富集，
压力增加。基于入射口冲淤理论，结合排采泵间抽时间、煤
粉沉积时间、煤粉浓度三者的关系，在产水量较低工况下，
采取排采泵间隔一段时间排水携煤粉的作业制度。
总体来说，煤粉的控制需要综合多方面因素，煤粉产生前，
从煤粉成因来说，控制煤粉产出，主要从地质内因和工程外
因两方面，尽可能减少煤粉的产生；煤粉产生后，需要通过调
整排采制度、优选排采工艺和精选排采设备等措施减少煤粉
的沉积，防止由于煤粉的产生造成煤层气井不连续生产，增
加煤层气开采成本。
（下转第196 页）
摘 要：煤粉堵塞井筒和煤粉卡泵、埋泵严重影响煤层气井的正常开发，合理控制煤粉的产出和排出是煤层气井持续高效
开发、保持稳产的关键环节。基于岩石力学和地层出煤粉理论，总结了煤粉产出机理分为剪切破坏、拉伸破坏和滑移破坏。结
合不同工程阶段，分别提出了相应的煤粉控制措施，主要分为两个方面：从源头上尽量减少煤粉的产生；通过调整排采制度、
优选排采工艺和精选排采设备等措施尽可能把产生的煤粉排出。
关键词：煤粉；产出机理；控制措施
中图分类号：P618.11 文献标志码：B 文章编号：1003–6490（2017）05–0182–02
Coal Production Mechanism and Control Measures of Coalbed Methane Wells
Lu Xi-xi，Guo Yue
Abstract ：The blockage of pulverized coal and pulverized coal injection pump and buried pump seriously affect the normal
development of coalbed methane wells，and the reasonable control of the output and discharge of pulverized coal is the key to the
sustainable and efficient development of CBM wells.Based on the theory of rock mechanics and coal production，the mechanism of
pulverized coal production is divided into shear failure，tensile failure and sliding failure.The combination of different engineering
stages，puts forward corresponding control measures of coal，mainly divided into two aspects ：reducing coal generated from the
source ；by adjusting the drainage system，drainage process optimization and selection of production equipment and other measures as
close as possible to the discharge of pulverized coal.
Key words ：pulverized coal ；output mechanism ；control measure
煤层气井煤粉产出机理和控制措施
陆希希，郭 越
（东北石油大学石油工程学院，大庆 163000）
收稿日期：2017–04–15
作者简介： 陆希希（1992—），男，湖北孝感人，研究生在读，主要
研究方向为井筒多相流。
资源与环境化 工 设 计 通 讯
Resources and Environment Chemical Engineering Design Communications
·196·
第43卷第5期
2017年5月
处理工段数量主要设计参数
有效尺寸
（长× 宽× 高，m）
备注
pH 值调整池1 HRT=1.0h φ2.0×3.0 PE 成品水箱
污泥池1 HRT=1.0h φ2.0×3.0 PE 成品水箱
浓水池1 V=4m3 φ1.75×2.1 PE 成品水箱
清水池1 HRT=1.0h PE 成品水箱
综合机房1 S=100m2 原有
表4 各处理单元主要设备及材料表
处理工序数量主要设备主要材料备注
调节池1
曝气搅拌系统1 套；提升泵2 台
（1 用1 备）
PVC 管道
反应池1 曝气搅拌系统1 套；加药装置1 套。NaOH
沉淀池1 污泥泵2 台（1 用1 备）
PTFE-MCR 1
PTFE 膜系统1 套；自吸泵1 台
（材质304）；清洗系统1 套
PTFE 膜400m2 上海同
盟环境
PH
调整池
2
曝气搅拌系统1 套；加药装置1 套；
保安过滤器（5um）1 套；RO 反渗
透装置（6m3/h）1 套
GE 膜（AG8040F）
18 支；槽钢，
方管1 批
药剂
HCl
污泥池1
隔膜泵（QBY-40）1 套；污泥脱水
机（XM70/800—30U，60m2）1 套
浓水池2
提升泵2 台（1 用1 备）；2m3/h 三
效蒸发器1 套
上海同
盟环境
清水池1
反冲洗水泵，1 台，消毒药剂投加
装置，1 套
综合机房1 配电柜1 套西门子S200
4 废水调试与运行结果
污水厂开始进水调试15d 即稳定达标，药剂用量如表5 所
列：
5 处理效果
调试成功后，通过监测，出水指标全部达标，于2016 年7
月通过当地环保部门验收。每个处理环节控制好pH 值是处理
好此类废水的关键[1] 出水主要指标见表6。
表5 药剂消耗量和污水量关系表
药剂
水量
NaOH（固体） HCl（30% 溶液） NaHSO3（固体）
Pwt（阻垢
剂、母液）
kg
/d
kg/
次
浓度
%
kg
/d
kg/
班
浓度
%
kg
/d
kg/
班
浓度
%
kg
/d
浓度
%
200m3/d
150
左右
50
左右
10
20
100
左右
50
左右
10
15
10 4
5
10
0.1
0.1
0.2
表6 废水处理系统出水水指标
污染因子pH 值
COD
（mg/L）
锡离子
（mg/L）
铜离子
（mg/L）
镍离子
（mg/L）
氨氮
（mg/L）
水质6.5～7.5 ≤ 30 ≤ 0.05 ≤ 0.05 ≤ 0.01 ≤ 3
由表中数据可以看出系统出水稳定达标，出水中60% 回
用于车间生产，为可观的经济效益。
6 工艺经济性分析
6.1 项目总投资概算
项目总投资概算为187 万元，其中设计费为9.10 万元，土
建费为3.85 万元，设备费为168.80 万元，安装费为8.50 万元，
调试及培训费为5.25 万元。
6.2 运行成本和效益分析
处理成本包括动力费、药剂费、人工费三部分。其中动
力费约为2.6 元/m3，药剂费约为5.5 元/m3，人工费约为1.0 元
/m3，总处理成本（不含蒸汽费用和折旧及大修费用）约为9.1
元/m3。
自来水按2.5 元/m3，日回用水量为120m3，则创造效益为
120×2.5=300元/ 天（不含折旧及大修费用）。
7 结论
电镀废水水质复杂，水质、水量差异大，直接综合处理
难度大、投资高。根据废水的水质，采取物化沉淀为预处理、
“PTFE-MCR 膜+RO 反渗透膜”和“三效蒸发”为主要处理
的工艺，能实现电镀废水处理达标排放，同时实现部分回用水，
节约废水处理成本，创造良好的经济效益。
参考文献
[1] 刘定富，郭丽颖.pH 值调控对电镀废水处理的影响[J]. 环保科技，
2008，（1）.
续表
（上接第183页）
需要寻找的导电聚合物应具有更好的掺杂特性，提高聚合物
电极的充放电能力、重复使用次数和化学稳定性等。
参考文献
[1] 王松宇，王国庆. 双电层电容器及其应用[J]. 国外电子元器件，
2001，（6）：11-14.
[2] 梅滨. 新型双电层电容器研究现状及展望[J]. 炭素，2003，（2）：
32-35.
[3] 邱照远. 赝电容材料用作超级电容器电极材料的研究[D]. 华侨大
学，2013.
（上接第182页）
3 结论与建议
1）根据煤岩受力分析，得到煤粉产出机理分为三种，分
别是剪切破坏、拉伸破坏和滑移破坏。
2）针对不同阶段提出了相对应的控制煤粉措施，目前控
制煤粉措施和方法大多数基于防煤粉理论，减少煤粉进入井
底和排采泵；可以借助油田适度携砂经验，打破以防煤粉为
主的想法，开展基于携煤粉理论研究，充分利用井筒内流体
携煤粉的能力。
参考文献
[1] 王庆伟. 沁南潘庄区块煤粉产出机理与控制因素研究[D]. 北京：中
国矿业大学，2013.
[2] 王战锋，许耀波. 构造煤储层煤粉产出机理及防治对策[J]. 中国煤
层气，2013，（5）：20-22.
（上接第186页）
应综合使用多种手段来抑制天然气水合物生成。现阶段应加
强对新技术的试验与研究，从而增强天然气水合物防治手段
的经济性与有效性，从而使天然气管道的正常运行得以保
障。
参考文献
[1] 史博会，全恺，乔国春，等. 榆济输气管道水合物冰堵防治措施[J].
油气储运，2014，（3）：274-282.
[2] 徐昌晖，申凯，王有良. 天然气水合物预测方法与防治措施分析[J].
辽宁化工，2016，45（1）：74-75.
（上接第194页）
1h的采集获取平均值，也可在1h内，采用相等时间间隔的方
式采集4个样品，算出平均值。
3 结束语
锅炉废气进行质量监测是一项较高难度的工作，因此，
应该从多个角度，进行全面工作，综合分析，确保废气监测
结果的精确，保护大气环境以及生态环境。
参考文献
[1] 聂涛. 锅炉废气监测中质量控制问题的探讨[J]. 科技风，2014，（8）：
122-123.

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