基于超級(jí)分子膜的煤層氣井控煤粉方法

吳 英，李嘯南，劉子雄，劉汝敏

基于超級(jí)分子膜的煤層氣井控煤粉方法

吳 英，李嘯南，劉子雄，劉汝敏

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)研究院，天津 300459)

針對(duì)煤層氣井煤粉堵塞卡泵問題，提出利用超級(jí)分子膜(SMF)形成的三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)阻止大顆粒煤粉運(yùn)移來進(jìn)行煤層氣井控煤粉的方法。以沁水盆地3號(hào)煤為對(duì)象開展了SMF控煤粉效果室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：超級(jí)分子膜能有效將煤粉吸附成體積較小煤粉團(tuán)并沉降，達(dá)到控煤粉目的；存在對(duì)應(yīng)不同煤粉含量的超級(jí)分子膜合理用量，煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%~10%時(shí)，SMF中的A劑體積分?jǐn)?shù)為5%~15%，與煤粉混合液用量比為15∶1~4∶1，SMF中的B劑體積分?jǐn)?shù)為6%~9%，與A劑用量比為1∶1~3∶1；當(dāng)煤粉團(tuán)堆積過多時(shí)，加入酸性破膠劑破環(huán)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使煤粉團(tuán)恢復(fù)單個(gè)顆粒煤粉集中排出。該方法工藝操作簡(jiǎn)便，可周期進(jìn)行，是一種理論上可延長(zhǎng)煤層氣井檢泵周期10倍以上的控煤粉技術(shù)。

超級(jí)分子膜；控煤粉；卡泵；檢泵周期

在煤層氣井排采過程中，由于排水速度小，大量的大顆粒煤粉在井筒中未被排出，井筒中的煤粉含量越來越高[1]，當(dāng)煤粉含量達(dá)到3%以上時(shí)，則存在嚴(yán)重的卡泵風(fēng)險(xiǎn)[2-3]，頻繁卡泵和修井嚴(yán)重影響氣井產(chǎn)能。在韓城，由于煤粉問題發(fā)生卡泵的井?dāng)?shù)占總井?dāng)?shù)的62.5%[4]，在沁水盆地柿莊南達(dá)到55%以上[5]，大部分井的檢泵周期僅為3~6個(gè)月[4,6]。

目前對(duì)煤粉治理的研究主要集中在生產(chǎn)制度控制和工藝措施。在生產(chǎn)制度控制方面，有學(xué)者認(rèn)為提高排液速度可以降低煤粉沉降[5,7]，也有學(xué)者認(rèn)為以較低的排液速度進(jìn)行生產(chǎn)[4,8]，降低煤粉對(duì)儲(chǔ)層傷害，利于長(zhǎng)久開采。在工藝措施方面，煤粉治理主要是向井筒中加入液體，稀釋煤粉濃度、同時(shí)提高排液速度，降低沉降量的洗井方式將井筒的煤粉帶出，采用地面回注水工藝，機(jī)械撈煤粉作業(yè)[9]；當(dāng)產(chǎn)水量較低時(shí)，使用煤粉懸浮劑吸附在煤粉表面，降低煤粉和水之間的作用力，進(jìn)而減少煤粉在井筒中的沉降[8]，但這些方法在實(shí)際應(yīng)用中存在缺陷[10]，主要表現(xiàn)在：回注水導(dǎo)致井底壓力產(chǎn)能劇烈波動(dòng)，與煤層氣排采連續(xù)穩(wěn)定的要求相違背，導(dǎo)致部分氣井產(chǎn)量降低[9]。高壓水沖洗時(shí)對(duì)煤層的傷害更大，由于煤層普遍壓力系數(shù)低，要把注入井筒的水沖洗出地面，必須高于地層壓力，導(dǎo)致液體嚴(yán)重漏失，進(jìn)入煤層堵塞產(chǎn)氣通道，降低產(chǎn)氣量[9]。無法從根本上解決井筒中煤粉含量高的問題，且措施有效期普遍較短，部分井僅僅延長(zhǎng)2~3個(gè)月的檢泵周期[10]。

基于以上問題，筆者的研究思路是從兩方面著手，一方面防止大顆粒煤粉進(jìn)入泵筒中，另一方面又要將小粒徑煤粉排出到地面，延長(zhǎng)檢泵周期[11]，以此來解決煤粉堵塞導(dǎo)致頻繁卡泵和影響產(chǎn)量問題。通過實(shí)驗(yàn)研究超級(jí)分子膜(SMF)試劑控制煤粉效果，為煤粉治理提供新的方法途徑。

1 井筒卡泵臨界產(chǎn)水量確定

在煤層氣井開發(fā)過程中，不同粒徑的煤粉一直處于沉降過程，粒徑越大則沉降越快。當(dāng)排采速度較低，低于井筒中煤粉的沉降速度時(shí)，大部分粒徑大于40 μm的煤粉未被采出[5,12]，未被攜帶到井口[13-14]，造成井筒中大顆粒煤粉含量越來越高，最后導(dǎo)致煤粉堵塞泵筒或卡泵[15-16]。通過對(duì)鄂爾多斯盆地多個(gè)煤層氣監(jiān)測(cè)井卡泵停機(jī)時(shí)煤粉含量統(tǒng)計(jì)得出：當(dāng)井筒煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于1%時(shí)，無卡泵風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)位于1%~3%時(shí)，存在卡泵風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于3%時(shí)，卡泵概率高[17-19]。能有效攜帶井筒煤粉的臨界產(chǎn)水量(最低產(chǎn)水量)與井筒參數(shù)有關(guān)，即與煤粉沉降速度和泵或管桿截面積成正比[20]：

=2.5×105(1)

式中：為臨界產(chǎn)水量，m3/d；為煤粉沉降速度，m/d；為泵或管桿截面積，m2。

利用上式計(jì)算柿莊北礦區(qū)煤層氣井的臨界產(chǎn)水量為6 m3/d[20]，而在實(shí)際排采中大部分井達(dá)不到臨界產(chǎn)水量，因此，煤粉卡泵問題頻繁出現(xiàn)，影響產(chǎn)氣量。

2 SMF井筒煤粉沉降實(shí)驗(yàn)研究

SMF(又叫超級(jí)分子膜)是一種多層疊合的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)復(fù)配體系，由A劑和B劑組成，A劑和B劑屬于胺類化學(xué)品，A劑和B劑混合時(shí)會(huì)發(fā)生分子反應(yīng)，分子間通過非共價(jià)鍵相互作用自發(fā)組合形成性能穩(wěn)定的空間三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，此空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的吸附能力，可以在煤粉顆粒之間搭橋來粘合煤粉顆粒。通過調(diào)整A劑、B劑含量和體積來改變?nèi)S網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)大小，進(jìn)而選擇性吸附不同粒徑煤粉(圖1)，防止煤粉運(yùn)移，達(dá)到控煤粉效果。由于形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)空間表面積大，當(dāng)遇到大顆粒煤粉時(shí)，大顆粒煤粉會(huì)直接被吸附在網(wǎng)格中，且所吸附的煤粉量大，形成的煤粉團(tuán)體積小并沉降。

圖1 SMF形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)

選取沁水盆地柿莊南區(qū)塊3號(hào)煤樣評(píng)價(jià)SMF控煤粉效果，煤樣的煤巖煤質(zhì)特征見表1。3號(hào)煤層以亮煤為主，鏡質(zhì)體反射率平均3.45%，變質(zhì)程度高，具有較好的生烴能力。根據(jù)產(chǎn)出煤粉樣本分析，研磨成100目(0.15 mm)煤粉，參考調(diào)研的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%煤粉混合液[17]。SMF配制A劑體積分?jǐn)?shù)分別為2%、5%、7.5%、10%、15%、20%，B劑體積分?jǐn)?shù)分別為1%、2%、…、10%，共進(jìn)行200余組室內(nèi)實(shí)驗(yàn)來模擬超級(jí)分子膜控煤粉效果。

2.1 SMF網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)大小控制實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證SMF網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)大小對(duì)煤粉的控制能力，設(shè)計(jì)2組實(shí)驗(yàn)：配置低體積分?jǐn)?shù)(5%體積分?jǐn)?shù)A劑10 mL+2%體積分?jǐn)?shù)B劑10 mL)和高體積分?jǐn)?shù)(15%質(zhì)量分?jǐn)?shù)A劑10 mL+5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)B劑10 mL)2種SMF溶液，將這兩種配比的SMF溶液分別加入到150 mL 5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的煤粉混合液中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(圖2)：① SMF能夠控制煤粉運(yùn)移，煤粉混合液加入SMF后，煤粉聚集成團(tuán)，煤粉混合液變清澈、呈透明狀態(tài)；② A、B劑含量影響SMF網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)大小，使煤粉聚集成團(tuán)的狀態(tài)差異較大，A劑和B劑含量不易過高。高含量SMF形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)較密，煤粉被吸附聚集成團(tuán)后密度相對(duì)較低，煤粉顆粒間的孔隙中充滿氣泡，煤粉漂浮在燒杯液面上(圖2b)，低含量SMF形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)較稀疏，煤粉聚集成團(tuán)后不分散，故沉降到底部(圖2a)；③ SMF加入到煤粉混合液后得到的液體類似于水，黏度在1.3~2.4 mPa·s，pH值為6~7，近中性。

表1 沁水盆地柿莊南區(qū)塊3號(hào)煤層煤巖煤質(zhì)特征

注：41.2~74.7/58.7表示最小~最大值/平均值，其他數(shù)據(jù)同。

圖2 SMF試劑中不同含量A、B劑組合對(duì)煤粉控制效果

2.2 A劑含量對(duì)煤粉沉降效果影響

為了驗(yàn)證不同含量A劑對(duì)煤粉混合液中煤粉聚集成團(tuán)沉降效果的影響，將含量不同的A劑10 mL與體積分?jǐn)?shù)為5%的B劑10 mL加入到150 mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的煤粉混合液中，共設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)10組，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：①當(dāng)A劑體積分?jǐn)?shù)高于5%時(shí)，燒杯中煤粉混合溶液開始變清澈，煤粉開始聚集成團(tuán)；②當(dāng)A劑體積分?jǐn)?shù)在5%~15%時(shí)，隨著體積分?jǐn)?shù)增高，所聚集的煤粉團(tuán)也越致密，體積越小，煤粉混合液也越清澈透明(圖3)。

圖3 不同含量A劑煤粉聚集效果

2.3 不同含量A、B劑組合對(duì)煤粉沉降效果影響

從2.1節(jié)可以看出，SMF中不同含量A、B劑組合會(huì)形成不同的煤粉聚集狀態(tài)，那么應(yīng)該存在A、B劑配比最優(yōu)組合，使形成的煤粉團(tuán)體積最小，SMF用量最少，為此開展A劑體積分?jǐn)?shù)從5%~20%、B劑體積分?jǐn)?shù)從1%~9%的不同組合對(duì)煤粉沉降效果實(shí)驗(yàn)190余組。實(shí)驗(yàn)配制的煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，每次實(shí)驗(yàn)取樣5 mL，觀察煤粉聚集效果以及形成的煤粉團(tuán)體積。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：①當(dāng)B劑體積分?jǐn)?shù)高于2%時(shí)，試管內(nèi)所有煤粉均能有效吸附在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)上，混合液由渾濁變清澈；②隨著B劑含量的增加，聚集成團(tuán)的煤粉由漂浮狀態(tài)逐漸下沉，表明形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)越來越致密(圖4)。當(dāng)固定B劑體積分?jǐn)?shù)為7%時(shí)，改變加入的體積，可以看出，隨著B劑體積增加，煤粉逐漸下沉，當(dāng)達(dá)到3 mL時(shí)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)破壞，煤粉呈現(xiàn)分散狀態(tài)(圖5)。說明采用SMF可有效將分散的煤粉快速聚集成團(tuán)，控制煤粉運(yùn)移，需要合理的SMF含量和用量。

圖4 不同含量B劑煤粉聚集效果

圖5 不同劑量B劑控煤粉效果(A、B劑體積分?jǐn)?shù)分別為5%、7%)

在實(shí)驗(yàn)中當(dāng)B劑含量過高時(shí)或者用量過大時(shí)會(huì)破壞SMF形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不能使煤粉聚集。通過實(shí)驗(yàn)最終確定井筒中煤粉處理時(shí)A、B劑用量比例1∶1最合理。且形成煤粉團(tuán)體積較小，不到原溶液體積的1/10。

當(dāng)A劑體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，所需要的B劑用量也相應(yīng)增加，才能有效地將煤粉聚集。實(shí)驗(yàn)中保持A、B劑比例為1∶1。從實(shí)驗(yàn)中可以看出要將煤粉完全沉降到試管底部，則需要的B劑體積分?jǐn)?shù)最低為5%以上。所形成煤粉團(tuán)一直保持懸浮狀態(tài)(圖6)，但隨著B劑含量的增加逐漸出現(xiàn)下沉的趨勢(shì)。即當(dāng)A劑含量過高時(shí)，形成的煤粉團(tuán)體積較大，容易懸浮，因此在井筒沉降煤粉時(shí)，不需要過高含量的A劑。

圖6 20%體積分?jǐn)?shù)A劑與不同含量B劑控煤粉效果(每次5 mL混合液+2 mL不同體積分?jǐn)?shù)B劑)

2.4 不同含量煤粉的聚集成團(tuán)效果

當(dāng)煤粉含量不同時(shí)，需SMF含量和用量不同。為此制作20 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%、5%、10%的煤粉混合液，采用10%體積分?jǐn)?shù)A劑和4%體積分?jǐn)?shù)B劑，改變A和B劑體積來觀察聚集煤粉效果，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)2組。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著煤粉含量增加，需要增加A劑和B劑的用量，即通過改變SMF用量也能實(shí)現(xiàn)對(duì)不同含量煤粉聚集成團(tuán)(圖7)。在實(shí)際生產(chǎn)中，若井筒中煤粉含量過多，可考慮增加A劑和B劑的量來實(shí)現(xiàn)煤粉聚集成團(tuán)并沉降。因此，無論是通過改變SMF含量或者是SMF用量，能夠有效聚集煤粉成團(tuán)并沉降，可實(shí)現(xiàn)其對(duì)井筒煤粉的有效控制。

2.5 最優(yōu)A、B劑組合

在SMF中由于A和B劑含量不同，分子間相互反應(yīng)會(huì)形成不同的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)大小和煤粉聚集效果。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)大小主要取決于A劑的含量，同時(shí)可適當(dāng)增加B劑含量，但需控制B劑量。為了能夠保證形成的煤團(tuán)下沉到井底，且形成的體積盡量小，根據(jù)不同含量的煤粉含量，確定了SMF中不同的含量組合關(guān)系及A、B劑的用量(表2)。

圖7 不同含量煤粉混合液凝聚成團(tuán)效果(A、B劑體積分?jǐn)?shù)分別為10%和4%)

表2 不同煤粉含量對(duì)應(yīng)的SMF用量

SMF復(fù)配體系控煤粉實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：SMF能夠有效地聚集煤粉成團(tuán)，并沉降，降低煤粉含量，加入SMF后的煤粉液體變清澈，說明SMF可以控煤粉。

在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，當(dāng)煤層氣井井筒中煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近3%時(shí)，通過油套環(huán)空加入SMF復(fù)配體系，并通過周期性添加，使煤粉聚集成團(tuán)，沉降到井底口袋，使井筒中煤粉含量始終低于臨界含量0.5%以下，降低卡泵風(fēng)險(xiǎn)，大幅度延長(zhǎng)檢泵周期。煤層氣井的井底口袋距離泵吸入口距離一般大于50 m，即口袋容積大于0.5 m3，利用SMF復(fù)配體系形成的煤粉團(tuán)有效體積很小，不到煤粉混合液的1/10，理論上在一個(gè)檢泵周期內(nèi)可以利用SMF處理10次以上來清潔井筒，因此，理論上可延長(zhǎng)檢泵周期至10倍以上。當(dāng)井筒中煤粉堆積過多時(shí)，可加入適量的酸性破膠劑破環(huán)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使煤團(tuán)分散，恢復(fù)單個(gè)顆粒煤粉，再利用其他措施將煤粉集中排出井筒，為煤粉卡泵的治理提供一種有效的解決方法。該方法工藝操作簡(jiǎn)單，不影響煤層氣井的正常排采，理論上是一種可行的大幅度延長(zhǎng)檢泵周期的煤層氣井井筒煤粉治理新技術(shù)。

3 結(jié)論

a.超級(jí)分子膜試劑(SMF)中A劑體積分?jǐn)?shù)高于5%、B劑體積分?jǐn)?shù)高于2%時(shí)，均可有效聚集煤粉成團(tuán)。A劑含量越高形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)越密，但吸附煤粉后整體密度低，導(dǎo)致煤粉懸浮。B劑的用量過多時(shí)，會(huì)促使網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)破壞，為了能夠保證控煤粉效果，盡量保證A、B劑用量保持或低于1∶1。

b. 針對(duì)不同煤粉含量，需調(diào)整實(shí)驗(yàn)中A劑含量或用量，當(dāng)煤粉含量達(dá)到10%以上時(shí)，通過增加A劑含量或用量，仍然能夠有效地聚集煤粉并沉降。

c.實(shí)驗(yàn)證實(shí)，提出的SMF除煤粉試劑可有效控制煤粉量，使煤層氣井筒中的煤粉聚焦成體積較小的煤粉團(tuán)，并沉降到井底，井筒中的液體變清澈、中性，降低井筒煤粉含量和卡泵風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)用該方法進(jìn)行周期性多次井筒煤粉清潔，可延長(zhǎng)檢泵周期10倍以上，是一種可行的大幅度延長(zhǎng)檢泵周期的井筒煤粉治理新技術(shù)。在應(yīng)用于煤層氣井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際時(shí)，應(yīng)結(jié)合煤儲(chǔ)層物性特征來優(yōu)化配比和注入?yún)?shù)。

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Pulverized coal-controlling method based on supermolecular film in CBM well

WU Ying, LI Xiaonan, LIU Zixiong, LIU Rumin

(Research Institute of Oilfield Production, COSL, Tianjin 300459, China)

Aiming at the problem of stuck pump induced by coal dust blocking in CBM well, this paper proposes a method of coal dust control in CBM well by using the three-dimensional space network structure formed by supermolecular film(SMF) to prevent the transport of large coal particles. The laboratory experiment of SMF pulverized coal control effect was carried out with No.3 coal in Qinshui basin as the object. The experimental results showed that the supermolecular film could effectively adsorb pulverized coal into smaller pulverized coal groups and settle them to achieve the purpose of pulverized coal control. There exists reasonable dosage of supermolecular films corresponding to different pulverized coal mass fraction. When the pulverized coal mass fraction is 1%-10%, the volume fraction of agent A in SMF is 5%-15%, the dosage ratio of mixture with pulverized coal is 15:1-4:1, the volume fraction of agent B in SMF is 6%-9%, and the dosage ratio of agent A is 1:1-3:1. When the pulverized coal is piled up too much, the acidic gelling agent is added to break the ring network structure, so that the pulverized coal can recover the centralized discharge of individual particles. This method is easy to operate and can be carried out regularly. It is a kind of pulverized coal control technology which theoretically can greatly extend the CBM well inspection pump cycle by more than 10 times.

SMF; pulverized coal control; stuck pump; pump inspection cycle

請(qǐng)聽作者語音介紹創(chuàng)新技術(shù)成果等信息，歡迎與作者進(jìn)行交流

P618.11

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.06.017

1001-1986(2020)06-0125-05

2020-06-11；

2020-08-25

中海油田服務(wù)股份有限公司科研項(xiàng)目(YSB16YF004)

Science and Research Program of China Oilfield Services Limited(YSB16YF004)

吳英，1979年生，女，遼寧大連人，碩士，從事油氣田開發(fā)工作. E-mail：wuying6@cosl.com.cn

吳英，李嘯南，劉子雄，等. 基于超級(jí)分子膜的煤層氣井控煤粉方法[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(6)：125–129.

WU Ying，LI Xiaonan，LIU Zixiong，et al. Pulverized coal-controlling method based on supermolecular film in CBM well[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(6)：125–129.

(責(zé)任編輯 范章群)