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煤層氣井煤粉產(chǎn)出機(jī)理和控制措施

文檔作者：陸希希，郭越文檔來源：東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2022年08月27日
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化工能源化 工 設(shè) 計 通 訊
Chemical Energy Chemical Engineering Design Communications
·182·
第43卷第5期
2017年5月
隨著國家對非常規(guī)能源煤層氣的重視，在煤層氣開發(fā)利用
“十三五”規(guī)劃中，為了鼓勵煤層氣的開發(fā)利用，補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)從0.2
元/m3提高到0.3元/m3。煤層氣的開采是一個排水降壓解析吸
附的復(fù)雜過程，與常規(guī)能源的開采有所區(qū)別。煤層氣開采過程中，
煤粉的產(chǎn)生和未及時排出，造成井筒流道過流面積減小，流體
攜煤粉能力減弱，煤粉沉積堵塞井筒，甚至造成煤粉卡泵和埋
泵事故發(fā)生。為了降低煤粉大量產(chǎn)出和未及時排出帶來的危害，
研究煤粉產(chǎn)出機(jī)理，有利于因地制宜的采取控制煤粉措施。
1 煤粉產(chǎn)出機(jī)理
根據(jù)巖石力學(xué)理論，煤層氣井煤粉產(chǎn)出機(jī)理[1] 有剪切破壞、
拉伸破壞和滑移破壞3 種。
1.1 剪切破壞
剪切破壞是由于生產(chǎn)壓差過大或者井筒壓力過低，射孔
孔眼周圍或井壁附近煤巖所受應(yīng)力大于煤巖骨架的剪切強(qiáng)度，
導(dǎo)致煤層應(yīng)力平衡失穩(wěn)。射孔作業(yè)會使煤巖發(fā)生不同程度損
壞，導(dǎo)致孔眼周圍水泥環(huán)受到松動。
1.2 拉伸破壞
拉伸破壞主要原因是排采速度過快，煤層中存在生產(chǎn)壓
差的應(yīng)力場，流體流動產(chǎn)生的壓力脈沖降低煤層的剪切強(qiáng)度，
流體與煤層之間形成摩擦力和煤巖顆粒表面的壓力梯度力，
在兩者的共同作用下，當(dāng)煤層基質(zhì)空隙壁受到的拉伸應(yīng)力大
于抗拉強(qiáng)度時，煤粉從煤巖上剝落。
1.3 滑移破壞
滑移破壞形成主要原因是在滲流過程中，氣水兩相與煤
層發(fā)生摩擦，當(dāng)流體速度加快，流體與煤層顆粒摩擦力變大，
作用在煤層顆粒表面上的拖拽力增大。當(dāng)拖曳力大于煤粉顆
粒附著力時，孔眼表面煤粉逐漸脫落。
2 煤粉控制措施
2.1 鉆井階段
為減少水平井眼煤粉殘留，提前做好井眼凈化工作，需
要做到以下4 點(diǎn)：增加鉆進(jìn)排量，提高鉆井液速度，從而加大
攜帶能力；使用偏心PDC 鉆頭，加大環(huán)空距離；合理控制鉆
頭速度，降低井眼坍塌風(fēng)險；適當(dāng)延長循環(huán)時間，增加返砂量。
遵循“鉆進(jìn)一米，起出兩米，充分劃眼”的原則，推薦
采用低鉆壓和低轉(zhuǎn)速鉆井工藝，采取欠平衡或者近平衡鉆井
方法，同時盡量避開軟煤層鉆井。
2.2 完井階段
（1）優(yōu)化壓裂施工方案、調(diào)整施工參數(shù)[2]，選用圓度高的
支撐劑，減少施工過程中壓裂支撐劑打磨引起的煤粉產(chǎn)生。
（2）采用PE 管和玻璃鋼管對煤層氣U 型井完井后，實(shí)施
水力噴射作業(yè)清洗沉積在井筒和油套環(huán)空的煤粉。
（3）煤層壓裂后，盡快返排，避免煤粉在裂縫殘留，降
低裂縫導(dǎo)流能力。
2.3 排采階段
排采壓差越大，煤粉從煤巖脫落越容易，煤粉產(chǎn)生量越大。
因此排采壓降遵循“連續(xù)、穩(wěn)定、緩慢”原則，避免壓力和
排采速度波動太大，有利于減少煤粉產(chǎn)出。
（1）優(yōu)選泵型，提高泵效，盡量減少排采泵的抽停時間
和次數(shù)，有效避免煤粉在裂縫中沉積，保證氣水兩相通道暢通。
（2）選擇攜煤粉能力強(qiáng)的螺桿泵，合理調(diào)節(jié)泵的沖程和
沖次，提高泵入口排量，可減緩煤粉沉積。
（3）為了防止大顆粒煤粉進(jìn)入泵筒，造成卡泵和埋泵，
可在螺桿泵吸入口接防砂尾管，同時在油套環(huán)空處注水稀釋
煤粉可以有效預(yù)防卡泵發(fā)生，延長檢泵周期。
（4）大顆粒煤粉容易沉降在井底和粘附在井筒壁面，這
將導(dǎo)致井筒有效過流面積減少，氣水兩相攜煤粉效果變差。
為了解決井筒中攜帶大顆粒煤粉問題，在排采液中加入分散
劑可以把大顆粒煤粉分散成小顆粒煤粉，這樣更容易由井筒
被攜帶至井口。
（5）在產(chǎn)氣階段保持合理套壓，避免煤層壓力波動引發(fā)
煤層坍塌。
2.4 關(guān)井和修井階段
煤層氣井產(chǎn)氣量和產(chǎn)水量較低，采取關(guān)井生產(chǎn)制度。在
此期間，地層水不斷流向井筒，水量增加，煤層氣不斷富集，
壓力增加。基于入射口沖淤理論，結(jié)合排采泵間抽時間、煤
粉沉積時間、煤粉濃度三者的關(guān)系，在產(chǎn)水量較低工況下，
采取排采泵間隔一段時間排水?dāng)y煤粉的作業(yè)制度。
總體來說，煤粉的控制需要綜合多方面因素，煤粉產(chǎn)生前，
從煤粉成因來說，控制煤粉產(chǎn)出，主要從地質(zhì)內(nèi)因和工程外
因兩方面，盡可能減少煤粉的產(chǎn)生；煤粉產(chǎn)生后，需要通過調(diào)
整排采制度、優(yōu)選排采工藝和精選排采設(shè)備等措施減少煤粉
的沉積，防止由于煤粉的產(chǎn)生造成煤層氣井不連續(xù)生產(chǎn)，增
加煤層氣開采成本。
（下轉(zhuǎn)第196 頁）
摘 要：煤粉堵塞井筒和煤粉卡泵、埋泵嚴(yán)重影響煤層氣井的正常開發(fā)，合理控制煤粉的產(chǎn)出和排出是煤層氣井持續(xù)高效
開發(fā)、保持穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。基于巖石力學(xué)和地層出煤粉理論，總結(jié)了煤粉產(chǎn)出機(jī)理分為剪切破壞、拉伸破壞和滑移破壞。結(jié)
合不同工程階段，分別提出了相應(yīng)的煤粉控制措施，主要分為兩個方面：從源頭上盡量減少煤粉的產(chǎn)生；通過調(diào)整排采制度、
優(yōu)選排采工藝和精選排采設(shè)備等措施盡可能把產(chǎn)生的煤粉排出。
關(guān)鍵詞：煤粉；產(chǎn)出機(jī)理；控制措施
中圖分類號：P618.11 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：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
煤層氣井煤粉產(chǎn)出機(jī)理和控制措施
陸希希，郭 越
（東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，大慶 163000）
收稿日期：2017–04–15
作者簡介： 陸希希（1992—），男，湖北孝感人，研究生在讀，主要
研究方向為井筒多相流。
資源與環(huán)境化 工 設(shè) 計 通 訊
Resources and Environment Chemical Engineering Design Communications
·196·
第43卷第5期
2017年5月
處理工段數(shù)量主要設(shè)計參數(shù)
有效尺寸
（長× 寬× 高，m）
備注
pH 值調(diào)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
濃水池1 V=4m3 φ1.75×2.1 PE 成品水箱
清水池1 HRT=1.0h PE 成品水箱
綜合機(jī)房1 S=100m2 原有
表4 各處理單元主要設(shè)備及材料表
處理工序數(shù)量主要設(shè)備主要材料備注
調(diào)節(jié)池1
曝氣攪拌系統(tǒng)1 套；提升泵2 臺
（1 用1 備）
PVC 管道
反應(yīng)池1 曝氣攪拌系統(tǒng)1 套；加藥裝置1 套。NaOH
沉淀池1 污泥泵2 臺（1 用1 備）
PTFE-MCR 1
PTFE 膜系統(tǒng)1 套；自吸泵1 臺
（材質(zhì)304）；清洗系統(tǒng)1 套
PTFE 膜400m2 上海同
盟環(huán)境
PH
調(diào)整池
2
曝氣攪拌系統(tǒng)1 套；加藥裝置1 套；
保安過濾器（5um）1 套；RO 反滲
透裝置（6m3/h）1 套
GE 膜（AG8040F）
18 支；槽鋼，
方管1 批
藥劑
HCl
污泥池1
隔膜泵（QBY-40）1 套；污泥脫水
機(jī)（XM70/800—30U，60m2）1 套
濃水池2
提升泵2 臺（1 用1 備）；2m3/h 三
效蒸發(fā)器1 套
上海同
盟環(huán)境
清水池1
反沖洗水泵，1 臺，消毒藥劑投加
裝置，1 套
綜合機(jī)房1 配電柜1 套西門子S200
4 廢水調(diào)試與運(yùn)行結(jié)果
污水廠開始進(jìn)水調(diào)試15d 即穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，藥劑用量如表5 所
列：
5 處理效果
調(diào)試成功后，通過監(jiān)測，出水指標(biāo)全部達(dá)標(biāo)，于2016 年7
月通過當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門驗收。每個處理環(huán)節(jié)控制好pH 值是處理
好此類廢水的關(guān)鍵[1] 出水主要指標(biāo)見表6。
表5 藥劑消耗量和污水量關(guān)系表
藥劑
水量
NaOH（固體） HCl（30% 溶液） NaHSO3（固體）
Pwt（阻垢
劑、母液）
kg
/d
kg/
次
濃度
%
kg
/d
kg/
班
濃度
%
kg
/d
kg/
班
濃度
%
kg
/d
濃度
%
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 廢水處理系統(tǒng)出水水指標(biāo)
污染因子pH 值
COD
（mg/L）
錫離子
（mg/L）
銅離子
（mg/L）
鎳離子
（mg/L）
氨氮
（mg/L）
水質(zhì)6.5～7.5 ≤ 30 ≤ 0.05 ≤ 0.05 ≤ 0.01 ≤ 3
由表中數(shù)據(jù)可以看出系統(tǒng)出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，出水中60% 回
用于車間生產(chǎn)，為可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
6 工藝經(jīng)濟(jì)性分析
6.1 項目總投資概算
項目總投資概算為187 萬元，其中設(shè)計費(fèi)為9.10 萬元，土
建費(fèi)為3.85 萬元，設(shè)備費(fèi)為168.80 萬元，安裝費(fèi)為8.50 萬元，
調(diào)試及培訓(xùn)費(fèi)為5.25 萬元。
6.2 運(yùn)行成本和效益分析
處理成本包括動力費(fèi)、藥劑費(fèi)、人工費(fèi)三部分。其中動
力費(fèi)約為2.6 元/m3，藥劑費(fèi)約為5.5 元/m3，人工費(fèi)約為1.0 元
/m3，總處理成本（不含蒸汽費(fèi)用和折舊及大修費(fèi)用）約為9.1
元/m3。
自來水按2.5 元/m3，日回用水量為120m3，則創(chuàng)造效益為
120×2.5=300元/ 天（不含折舊及大修費(fèi)用）。
7 結(jié)論
電鍍廢水水質(zhì)復(fù)雜，水質(zhì)、水量差異大，直接綜合處理
難度大、投資高。根據(jù)廢水的水質(zhì)，采取物化沉淀為預(yù)處理、
“PTFE-MCR 膜+RO 反滲透膜”和“三效蒸發(fā)”為主要處理
的工藝，能實(shí)現(xiàn)電鍍廢水處理達(dá)標(biāo)排放，同時實(shí)現(xiàn)部分回用水，
節(jié)約廢水處理成本，創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。
參考文獻(xiàn)
[1] 劉定富，郭麗穎.pH 值調(diào)控對電鍍廢水處理的影響[J]. 環(huán)?？萍迹?
2008，（1）.
續(xù)表
（上接第183頁）
需要尋找的導(dǎo)電聚合物應(yīng)具有更好的摻雜特性，提高聚合物
電極的充放電能力、重復(fù)使用次數(shù)和化學(xué)穩(wěn)定性等。
參考文獻(xiàn)
[1] 王松宇，王國慶. 雙電層電容器及其應(yīng)用[J]. 國外電子元器件，
2001，（6）：11-14.
[2] 梅濱. 新型雙電層電容器研究現(xiàn)狀及展望[J]. 炭素，2003，（2）：
32-35.
[3] 邱照遠(yuǎn). 贗電容材料用作超級電容器電極材料的研究[D]. 華僑大
學(xué)，2013.
（上接第182頁）
3 結(jié)論與建議
1）根據(jù)煤巖受力分析，得到煤粉產(chǎn)出機(jī)理分為三種，分
別是剪切破壞、拉伸破壞和滑移破壞。
2）針對不同階段提出了相對應(yīng)的控制煤粉措施，目前控
制煤粉措施和方法大多數(shù)基于防煤粉理論，減少煤粉進(jìn)入井
底和排采泵；可以借助油田適度攜砂經(jīng)驗，打破以防煤粉為
主的想法，開展基于攜煤粉理論研究，充分利用井筒內(nèi)流體
攜煤粉的能力。
參考文獻(xiàn)
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層氣，2013，（5）：20-22.
（上接第186頁）
應(yīng)綜合使用多種手段來抑制天然氣水合物生成?，F(xiàn)階段應(yīng)加
強(qiáng)對新技術(shù)的試驗與研究，從而增強(qiáng)天然氣水合物防治手段
的經(jīng)濟(jì)性與有效性，從而使天然氣管道的正常運(yùn)行得以保
障。
參考文獻(xiàn)
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油氣儲運(yùn)，2014，（3）：274-282.
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遼寧化工，2016，45（1）：74-75.
（上接第194頁）
1h的采集獲取平均值，也可在1h內(nèi)，采用相等時間間隔的方
式采集4個樣品，算出平均值。
3 結(jié)束語
鍋爐廢氣進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)測是一項較高難度的工作，因此，
應(yīng)該從多個角度，進(jìn)行全面工作，綜合分析，確保廢氣監(jiān)測
結(jié)果的精確，保護(hù)大氣環(huán)境以及生態(tài)環(huán)境。
參考文獻(xiàn)
[1] 聶濤. 鍋爐廢氣監(jiān)測中質(zhì)量控制問題的探討[J]. 科技風(fēng)，2014，（8）：
122-123.

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