煤層氣井煤粉成因、運(yùn)移和防控研究進(jìn)展

吳昊鏹，彭小龍，朱蘇陽(yáng)，馮 寧

（西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610500）

煤粉的運(yùn)移與產(chǎn)出定量計(jì)算制約了煤層氣排采方案的制定，也對(duì)煤層氣的高效開(kāi)發(fā)產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。可由兩個(gè)方面總結(jié)煤粉運(yùn)移造成的影響：1）煤粉在儲(chǔ)層的運(yùn)移過(guò)程中，隨著產(chǎn)水量的遞減，煤粉沉降導(dǎo)致煤儲(chǔ)層流動(dòng)通道的堵塞，使得煤儲(chǔ)層的滲透率大幅度降低，從而氣井的產(chǎn)能顯著降低[1-3]；2）當(dāng)煤粉進(jìn)入氣井井筒后，井底的煤粉可能使泵吸入口堵塞，造成卡泵、埋泵等事故，使得氣井停產(chǎn)修井，降低開(kāi)發(fā)效率[4-6]。

目前人們根據(jù)煤粉的產(chǎn)生規(guī)律，提出了規(guī)避煤粉傷害的合理措施，從而完善了煤層氣的開(kāi)發(fā)方案，進(jìn)一步提高煤層氣的開(kāi)發(fā)效果。本文調(diào)研了國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)煤層氣煤粉產(chǎn)生的機(jī)理、運(yùn)移規(guī)律以及目前產(chǎn)生的管控措施的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，其中包括了煤粉產(chǎn)生的巖石力學(xué)模型、水動(dòng)力學(xué)模型和煤粉在儲(chǔ)層中的流動(dòng)模型，并分析了這些理論的真實(shí)實(shí)用性與存在的問(wèn)題。

1 煤粉的產(chǎn)生機(jī)理

我國(guó)煤層氣以中—高階煤儲(chǔ)層為主。由于中—高階煤巖脆性較強(qiáng)，在鉆完井、壓裂增產(chǎn)與煤層氣排采過(guò)程中容易產(chǎn)生煤粉。目前產(chǎn)生過(guò)程中，隨著產(chǎn)水量的遞減，流體的運(yùn)移通道會(huì)隨著煤粉沉降而堵塞，導(dǎo)致煤儲(chǔ)層滲透率顯著降低。目前研究認(rèn)為煤粉產(chǎn)生和運(yùn)移是降低煤層氣產(chǎn)生效率的主要因素之一。

1.1 煤粉的形成機(jī)理模型

人們通常將煤粉分為原生煤粉和次生煤粉，這是按照產(chǎn)生機(jī)理分類(lèi)。原生煤粉指煤儲(chǔ)層演化過(guò)程中出現(xiàn)的煤粉，儲(chǔ)層初始條件下，原生煤粉就存在于煤儲(chǔ)層裂縫系統(tǒng)中；次生煤粉指煤粉產(chǎn)生于煤層氣的開(kāi)發(fā)過(guò)程產(chǎn)生的煤粉。次生煤粉又分為兩類(lèi)，一類(lèi)為煤巖壓縮、變形、破碎過(guò)程中，煤巖失去整體性而造成顆粒釋放形成的煤粉，此類(lèi)煤粉粒徑較大，多產(chǎn)生于鉆、完井及壓裂過(guò)程中；另一類(lèi)煤粉則是由于水動(dòng)力剝蝕、煤體破壞、不同顯微煤巖組分力學(xué)差異等因素產(chǎn)生的，此類(lèi)煤粉粒徑較小，多產(chǎn)生于煤層氣井的排水采氣過(guò)程。

由疏松砂巖出砂理論，次生煤粉產(chǎn)生的力學(xué)機(jī)理可歸納為拉伸破壞、剪切破壞和滑移破壞[7]，而主要原因是剪切破壞產(chǎn)生煤粉。鉆完井、壓裂增產(chǎn)以及排采過(guò)程中產(chǎn)生壓差過(guò)大均可以導(dǎo)致煤儲(chǔ)層的剪切破壞。剪切破壞產(chǎn)生的煤粉，通常分布于壓裂塑性受損區(qū)、壓裂破碎區(qū)以及排采剝蝕區(qū)內(nèi)（圖1）。次生煤粉的產(chǎn)生范圍較?。ㄅ挪蓜兾g區(qū)以?xún)?nèi)），但對(duì)氣井的產(chǎn)能影響較大。剪切破壞產(chǎn)生的煤粉在掃描電鏡下多成定向排列，而且易隨流體參與運(yùn)移。通過(guò)沁水盆地南部以及鄂爾多斯盆地東緣煤層氣區(qū)塊的產(chǎn)生煤粉可知[8-9]，碎粒定向緊密排列，多來(lái)自剪切破壞?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和理論分析亦表明煤層氣井產(chǎn)生煤粉主要來(lái)自剪切破壞（井壁失穩(wěn)以及基質(zhì)破裂）產(chǎn)生的煤粉[10]。

圖1 剪切破壞產(chǎn)生煤粉的區(qū)域[10]Fig.1 Schematic of coal fine area produced by shear failure

在早期，綦耀光等[10]對(duì)單個(gè)靜止煤粉顆粒受力進(jìn)行分析，闡述了煤粉脫落的啟動(dòng)條件。在其假設(shè)方案里，產(chǎn)氣儲(chǔ)層內(nèi)脫落的煤粉顆粒均為球形，堆積方式見(jiàn)圖2，液體的沖刷力Fc、壓力梯度力Fp和煤粉顆粒自身的重力FG是單個(gè)靜止煤粉顆粒在流體中主要受力。根據(jù)巖石力學(xué)，壓力梯度力Fp即為顆粒不同表面微元所受流體壓力的合力，其表達(dá)式為：

圖2 儲(chǔ)層內(nèi)靜止的單個(gè)煤粉受力分析[10]Fig.2 Stress analysis of coal fine falling off

式中：rs為煤粉顆粒的半徑，cm；Fp為壓力梯度力，N；P0為煤層的原始地層壓力，MPa；?P/?x為煤粉顆粒的啟動(dòng)壓力梯度，煤粉運(yùn)移的方向與其一致。

煤粉產(chǎn)生之后，隨著水流參與運(yùn)移。由于煤儲(chǔ)層的產(chǎn)氣量較低，中—高階煤儲(chǔ)層的產(chǎn)氣量普遍低于5 000 m3/d，因此通常忽略氣體對(duì)煤粉的攜帶作用。目前研究認(rèn)為煤粉運(yùn)移的過(guò)程可以大致分為三個(gè)階段（圖3），即產(chǎn)生階段、運(yùn)移階段以及沉降階段[11-12]。

圖3 煤粉在儲(chǔ)層中脫落、運(yùn)移全過(guò)程[11]Fig.3 Schematic of whole process of coal fine migration

當(dāng)氣井開(kāi)始排采時(shí)，裂縫中的煤粉隨著水流有發(fā)生運(yùn)移的趨勢(shì)（煤粉啟動(dòng)），當(dāng)水流速增加時(shí)，此時(shí)水流會(huì)對(duì)孔隙壁面進(jìn)行剝蝕，從而產(chǎn)生新的煤粉[13]（煤粉剝蝕）。煤粉在水流中的運(yùn)移方式較為復(fù)雜，目前主要認(rèn)為存在懸浮運(yùn)移、搬運(yùn)摩擦以及壁面滑移等模式[14]。隨著煤層氣解吸，氣井的產(chǎn)水量開(kāi)始遞減，煤粉由于水動(dòng)力不足而發(fā)生沉降，堵塞煤儲(chǔ)層的流動(dòng)通道（煤粉沉降）。

1.2 煤粉運(yùn)移的動(dòng)力學(xué)研究綜述

1.2.1 煤粉運(yùn)移動(dòng)力學(xué)特征

為了研究煤粉的運(yùn)移過(guò)程，目前通常對(duì)單個(gè)煤粉的動(dòng)力學(xué)特征（力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系）進(jìn)行描述分析[15-16]，并根據(jù)流體和固相微粒分子間的Van Der Waals力，修正了煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)路徑分析方法中的沉降、擴(kuò)散以及攔截作用的控制方程[22]。由此可見(jiàn)，研究煤粉運(yùn)移問(wèn)題的基礎(chǔ)是煤粉的動(dòng)力學(xué)特征。

傳統(tǒng)模型主要借助沉積學(xué)與水動(dòng)力學(xué)中的泥沙運(yùn)移—沉降模型，通過(guò)受力分析對(duì)孔隙型介質(zhì)中顆粒運(yùn)動(dòng)進(jìn)行定量表征，從而建立數(shù)學(xué)模型[17-18]。在以CIVAN 等為代表性的研究中[19]，通常將傳輸機(jī)理有關(guān)的力（慣性力、離心力、擴(kuò)散力），與吸附機(jī)理有關(guān)的力（吸附力）和與分離機(jī)理有關(guān)的力（雙電層斥力和剪切力）三類(lèi)統(tǒng)稱(chēng)為流動(dòng)懸浮顆粒所受的力（表1）。

對(duì)單個(gè)煤粉進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，并基于圓形顆粒Stokes 沉降速度以及微粒群的布朗運(yùn)動(dòng)模型（表1），可以建立簡(jiǎn)單的煤粉群（單一粒徑，統(tǒng)一宏觀速度以及啟動(dòng)條件）動(dòng)力學(xué)模型[20-21]。模型計(jì)算結(jié)果認(rèn)為固相運(yùn)動(dòng)速度和水相滲流速度相同。然而實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)懸浮顆粒的速度大于載體水的流速，而且固相流速隨顆粒粒徑增加而升高，這與理論模型的計(jì)算結(jié)果并不統(tǒng)一[22]。由此可知目前的煤粉群動(dòng)力學(xué)機(jī)理認(rèn)識(shí)尚不完善。同時(shí)，研究通常采用對(duì)流彌散方程研究毛管中的微粒運(yùn)移，然而該方程的數(shù)值求解過(guò)程非常復(fù)雜，尚難以解決實(shí)際工程問(wèn)題。

1.2.2 煤層氣—水—固（煤粉）耦合流動(dòng)數(shù)學(xué)模型研究

煤粉運(yùn)移模型方面，早期研究多采用毛管束中的微粒運(yùn)移模型，此模型將煤儲(chǔ)層介質(zhì)簡(jiǎn)化為均勻毛細(xì)管單元組合體（圖4）。通過(guò)在毛管束模型中，耦合經(jīng)典的顆粒運(yùn)移—沉降模型以模擬煤粉的運(yùn)移過(guò)程[23]。然而經(jīng)典運(yùn)移模型和實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很大的差異，而且忽略了顆粒在沉降過(guò)程中的相互作用。

為了克服經(jīng)典顆粒運(yùn)移—沉降模型中的問(wèn)題，一般對(duì)單個(gè)顆粒進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，定量表征孔隙型介質(zhì)中顆粒運(yùn)動(dòng)模型，從而建立描述煤粉運(yùn)移的數(shù)學(xué)模型。近年來(lái)，相關(guān)研究已經(jīng)初步建立起煤粉運(yùn)移的數(shù)學(xué)模型（表2），明確了煤粉在多孔介質(zhì)中的運(yùn)移機(jī)制，累積了一定的成果[10,24-32]。

圖4 顆粒在毛管束中運(yùn)移的模型Fig.4 Model of particle migration in capillary bundles

表1 煤粉動(dòng)力學(xué)分析的模型Table1 Model of dynamic analysis of coal fine

表2 近年來(lái)國(guó)內(nèi)外煤粉運(yùn)移模型研究Table2 Study on coal fine migration model at home and abroad in recent years

其中，馬飛英[27]及皇凡生等[30]的研究代表了煤粉運(yùn)移微觀機(jī)理研究的主要方法，在煤粉的割理系統(tǒng)中，通過(guò)對(duì)單個(gè)煤粉的靜力分析，研究煤粉的啟動(dòng)條件（圖5）。在割理系統(tǒng)中，分析拖曳力Fd、摩擦力Ffx、法向力Fn、舉升力Fl、法向力臂Ln、煤粉粒徑r、以及接觸圓半徑a之間的關(guān)系，拖曳力和舉升力分別采用GOLDMAN 以及SAFFMAN 提出的理論模型計(jì)算，最后獲得煤粉的啟動(dòng)速度以及啟動(dòng)壓力梯度的流動(dòng)條件（動(dòng)力學(xué)特征），將啟動(dòng)條件帶入產(chǎn)能公式計(jì)算獲得煤粉啟動(dòng)的產(chǎn)水量。

圖5 單個(gè)煤粉顆粒受力和力矩平衡[27]Fig.5 Force and moment balance of coal fine particles

在單相水流作用下，皇凡生等[30]認(rèn)為，煤粉發(fā)生滑動(dòng)和舉升發(fā)生的臨界條件為切向和法向受力平衡，而力矩平衡為滾動(dòng)發(fā)生的臨界條件，由此可見(jiàn)有三種形式描述煤粉在裂縫面脫離的狀態(tài)：滾動(dòng)、舉升和滑動(dòng)。

理論上由于水流速度隨著煤粉的運(yùn)移至裂縫面距離的變化而變化，拖拽力的作用點(diǎn)將存在一定的偏心率。通常拖拽力偏心率約為1.40，若只發(fā)生在煤粉與裂縫面接觸時(shí)，即此時(shí)的法向力臂Ln=1.4r。如圖5所示，接觸煤粉的啟動(dòng)壓力梯度Δp/L為：

式中：Fa為裂縫面黏附顆粒的黏附力，N；ρ1為煤粉顆粒的密度，g/cm3；μ為水的運(yùn)動(dòng)黏度，mPa·s；K為煤粉顆粒與裂縫面的接觸半徑，cm；H為裂縫面寬度，cm；r為煤粉顆粒半徑，cm。

研究表明，對(duì)顆粒啟動(dòng)臨界條件進(jìn)行合理預(yù)測(cè)可以基于該方法建立的模型。首先要明確煤粉啟動(dòng)臨界壓力梯度，其次可以對(duì)煤儲(chǔ)層壓力剖面進(jìn)行調(diào)整（控制井底流壓的方式），其目的使煤儲(chǔ)層均在合理范圍內(nèi)的壓力梯度，最后有效地防控煤粉。目前國(guó)內(nèi)在多孔介質(zhì)顆粒啟動(dòng)方面多數(shù)應(yīng)用了上述模型建立方法，并且取得良好效果。

馬飛英等[27]所建立的啟動(dòng)數(shù)學(xué)模型認(rèn)為在產(chǎn)生壓差作用下，水發(fā)生流動(dòng)，當(dāng)水流繞過(guò)煤粉流動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生繞流阻力，煤粉會(huì)受到水流對(duì)煤粉表面的摩擦以及迎流面與背流面的壓差，從而產(chǎn)生水平方向的拖拽力；當(dāng)煤粉顆粒有水流經(jīng)過(guò)時(shí)，顆粒底部流速小，頂部流速大，由伯努利原理，壓力小，則流速大；壓力大，則流速小，從而在顆粒的底、頂部產(chǎn)生壓力差；同時(shí)煤粉還受到重力以及浮力作用。另外由于煤儲(chǔ)層裂縫中的單顆粒煤粉非常微小，一般都是微米級(jí)，屬于黏性顆粒，還應(yīng)考慮黏結(jié)力。當(dāng)然，煤粉顆粒還受到其他形式的作用力，如雙電層排斥力、慣性力等，由于影響較小，在此不參與受力計(jì)算。煤粉受力見(jiàn)圖5，假設(shè)煤粉為均勻的圓球形顆粒。

當(dāng)減去浮力后的重力即為煤粉顆粒所受的有效重力Fg，其表達(dá)式為：

式中：ρc為煤粉顆粒的密度，g/cm3；Fg為有效重力，N；ρw為水的密度，g/cm3；d為煤粉顆粒直徑，cm；g為重力加速度，m/s2。

單個(gè)煤粉顆粒受到水流的拖拽力Fx和上舉力Fy分別為：

式中：Fy為上舉力，N；Fx為拖拽力，N；Cl為上舉力系數(shù)；CD為拖曳力系數(shù)；v為作用于顆粒的流速，cm/s。

煤粉黏結(jié)力Fc=dε。Fc為黏結(jié)力，N；ε為黏結(jié)力參數(shù)，N/cm，其值與顆粒表面性質(zhì)、液體性質(zhì)等有關(guān)。假設(shè)顆粒為相同大小的球形，采取滾動(dòng)的形式起動(dòng)，根據(jù)力矩平衡可以得到：

式中：L1為拖拽力Fx的力臂，cm；L2為黏結(jié)力Fc的力臂，cm；L3為有效重力Fg與上升力Fy的力臂，cm。

聯(lián)立式（4）、式（5）和式（6）可得，對(duì)于單個(gè)煤粉顆粒的起動(dòng)速度v為：

研究表明，沉積煤粉的速度隨著顆粒直徑的增大，表現(xiàn)出先減小后增大的現(xiàn)象?？刂扑魉俣仍诤侠矸秶鷥?nèi)，可以使小于孔喉尺寸的煤粉順利排出地層，從而提高儲(chǔ)層滲透率。然而根據(jù)單個(gè)煤粉動(dòng)力學(xué)分析得到的煤粉流動(dòng)方程以及啟動(dòng)條件模型較為復(fù)雜，難以直接耦合在煤層氣數(shù)值模擬計(jì)算中。

對(duì)于煤粉運(yùn)移的宏觀模型，王銘偉[26]及ZHU等[29]的研究則具有一定的代表性（圖6）。由于理論推導(dǎo)水與煤粉之間的動(dòng)量關(guān)系十分復(fù)雜，耦合流動(dòng)模型后求解困難度很大。煤粉運(yùn)移宏觀模型的研究主要采取結(jié)合實(shí)驗(yàn)的方法，通過(guò)類(lèi)似于相滲曲線的方法，獲得水—固兩相的運(yùn)移規(guī)律[27]。但是ZHU 等[29]建立的煤層氣—水—流固—靜固四相流動(dòng)耦合模型以及等效模擬方法所需參數(shù)較多，尚沒(méi)有完善的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以支持模型進(jìn)行計(jì)算（計(jì)算多采用假設(shè)參數(shù)），同時(shí)計(jì)算收斂性較差，目前也難以進(jìn)行井尺度和油藏尺度的數(shù)值模擬計(jì)算。

圖6 裂縫—基質(zhì)系統(tǒng)煤巖模型和煤粉黏附受力分析[26]Fig.6 Fracture matrix system of coal and stress analysis of adherent coal fine

PENG 等[39]總結(jié)了煤粉運(yùn)移的五個(gè)過(guò)程，分別為流化啟動(dòng)、剝蝕產(chǎn)生、懸浮運(yùn)移以及沉降堵塞（圖7），并給出了每個(gè)過(guò)程的物理描述和數(shù)學(xué)模型。

圖7 產(chǎn)生過(guò)程中的煤粉產(chǎn)生階段、運(yùn)移階段和沉降階段[39]Fig.7 Coal fine state,flow stage and physical process in production process

在欠飽和煤層氣藏的早期產(chǎn)生階段，細(xì)顆粒運(yùn)移可簡(jiǎn)化為生成、運(yùn)移和沉積三個(gè)階段，如圖7所示。在產(chǎn)生階段，當(dāng)排水開(kāi)始時(shí)，由于沖洗作用，細(xì)顆粒隨水流遷移，即細(xì)顆粒的剝離過(guò)程。當(dāng)含水率高于臨界值時(shí)，裂縫表面會(huì)產(chǎn)生新的細(xì)粒這就是煤細(xì)顆粒的剝蝕過(guò)程。在沉積階段，隨著含水率的降低，粉煤在裂縫系統(tǒng)中沉積，這就是再附著過(guò)程。再附著的細(xì)粒會(huì)堵塞流動(dòng)通道，導(dǎo)致煤儲(chǔ)層的滲透破壞，這就是堵塞過(guò)程。

基于煤粉運(yùn)移的物理過(guò)程，可以用一個(gè)曲線（最大煤粉含水量）、兩個(gè)狀態(tài)（靜態(tài)和流動(dòng)）和三個(gè)階段（生成、遷移和沉積）和四個(gè)過(guò)程（分離、剝蝕、重新附著和堵塞）來(lái)模擬整個(gè)流程（圖8）。圖8為整個(gè)物理過(guò)程，具體數(shù)值還需后續(xù)研究。

圖8 煤粉全流動(dòng)過(guò)程的簡(jiǎn)化模型[39]Fig.8 Simplified model of whole flow process for coal fine

最初，煤中的所有細(xì)粒都處于靜態(tài)（圖8）。當(dāng)水流量超過(guò)流動(dòng)臨界值時(shí)，細(xì)顆粒開(kāi)始隨水相流動(dòng)，遷移細(xì)粒處于流動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)水流度穩(wěn)定時(shí)，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試來(lái)測(cè)量水?dāng)y帶的煤粉的最大質(zhì)量。該曲線描述了煤粉的最大攜水能力，從而可以識(shí)別細(xì)粒的狀態(tài)。如圖7所示的狀態(tài)A，狀態(tài)A的細(xì)粒質(zhì)量高于曲線，部分細(xì)粒處于流動(dòng)狀態(tài)，其他細(xì)粒處于靜止?fàn)顟B(tài)。從靜止?fàn)顟B(tài)到流動(dòng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變是一個(gè)脫離過(guò)程。

當(dāng)水相的質(zhì)量流量增加且狀態(tài)位于B點(diǎn)時(shí)，細(xì)顆粒的質(zhì)量低于曲線，這意味著所有細(xì)粒都處于流動(dòng)狀態(tài)。如果水流速度減小，細(xì)顆粒將從狀態(tài)B轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)A，部分流動(dòng)煤粉將沉積在煤中。從流動(dòng)狀態(tài)到靜止?fàn)顟B(tài)的轉(zhuǎn)變稱(chēng)為煤粉再附著過(guò)程。當(dāng)沒(méi)有新的細(xì)顆粒生成時(shí)，分離和再附著過(guò)程是可逆的。只有靜態(tài)細(xì)粒對(duì)煤的滲透性和孔隙率有直接影響。煤粉的脫附過(guò)程將改變煤粉的性質(zhì)。當(dāng)水相速度繼續(xù)增加并達(dá)到剝蝕的臨界速度（圖8中的狀態(tài)B到狀態(tài)C）時(shí)，由于水沖洗效應(yīng)，將產(chǎn)生新的細(xì)粒。在煤細(xì)顆粒的剝蝕過(guò)程中，其增加了細(xì)顆粒的總質(zhì)量。需要注意的是，細(xì)粒的生成階段包括剝離和剝蝕過(guò)程，沉積階段包括再附著和堵塞過(guò)程。

ZHU 等[39]在常規(guī)流動(dòng)模型的基礎(chǔ)上建立了微顆粒生成、運(yùn)移、沉積和堵塞的數(shù)學(xué)模型—水相流數(shù)學(xué)模型可與煤粉流動(dòng)模型耦合。在這項(xiàng)研究中，其著重于微顆粒在排水初期的遷移及其對(duì)煤質(zhì)的影響。

1）水中流動(dòng)微顆粒的質(zhì)量守恒

流動(dòng)煤粉的流動(dòng)方程：

其中：ω是煤粉的速度，cm/s；mtr是煤粉單位時(shí)間（轉(zhuǎn)變速度）的轉(zhuǎn)化量，g/（mL·s）；mpr是煤粉單位時(shí)間內(nèi)的剝蝕量，g/ml·s；Cf是流動(dòng)煤微粒的濃度，g/mL；μw是水的黏度，mPa·s；Bw是水的體積系數(shù)，m3/m3。

2）靜態(tài)微粒的質(zhì)量守恒

靜態(tài)煤粉的質(zhì)量守恒方程：

式中：Cs為靜態(tài)微顆粒在裂縫中的濃度，g/mL。

參考文獻(xiàn)[39]中建立的煤層氣—水—流固—靜固四相流動(dòng)耦合模型，并沒(méi)有考慮過(guò)煤粉群的動(dòng)力學(xué)特征，也沒(méi)有考慮流化啟動(dòng)、剝蝕產(chǎn)生、懸浮運(yùn)移以及沉降堵塞四個(gè)過(guò)程中的煤粉群動(dòng)力學(xué)差異，需要進(jìn)一步研究四個(gè)過(guò)程中煤粉群的動(dòng)力學(xué)特征，才能更好地將煤粉運(yùn)移過(guò)程耦合入氣—水流動(dòng)模型。

1.2.3 煤粉在井筒中的流動(dòng)

煤粉在煤層氣開(kāi)采中，其在井筒里的不利因素對(duì)氣井的產(chǎn)能影響極大。為防止煤粉在井筒中淤積，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤粉在井筒中的流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究，明確了煤粉在井筒的運(yùn)移機(jī)制，累積了一定的成果[32-38]，如下所示。

2013年陳文文等[32]通過(guò)開(kāi)展運(yùn)移模擬實(shí)驗(yàn)研究煤粉分離，該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了煤粉在氣井的運(yùn)移規(guī)律，煤層氣井中煤粉的主要來(lái)源為糜棱煤分散于水后形成的煤粉，隨著水流速度的增大，粒徑小于0.2 mm的煤粉產(chǎn)量增大，而粒徑在0.2～0.3 mm的煤粉產(chǎn)量沒(méi)有明顯變化；氣液兩相攜帶煤粉時(shí)，煤粉產(chǎn)生量增加尤為明顯，氣液比越大，煤粉產(chǎn)量也越大。

2013年韓國(guó)慶等[33]設(shè)計(jì)了煤粉顆粒運(yùn)移實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置，開(kāi)展了煤粉顆粒于靜態(tài)液相中的沉降實(shí)驗(yàn)和流動(dòng)流域中動(dòng)態(tài)運(yùn)移實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)總結(jié)得到了煤粉靜態(tài)臨界攜帶速度和沉降靜態(tài)速度。

2013年曹立虎等[40]為了進(jìn)一步研究水平井筒中煤粉的流動(dòng)規(guī)律，利用了流體遷移規(guī)律研究裝置進(jìn)行物理模擬。研究結(jié)果表明：多數(shù)情況下，水平井筒中煤粉的運(yùn)移流型為層流，為了解決煤粉排出問(wèn)題在開(kāi)采階段初期可通過(guò)控制煤粉含量、流量和壓力。

2015年張芬娜[34-35]依據(jù)垂直井筒煤粉沉降模型，為研究在井筒中煤粉粒徑、質(zhì)量濃度對(duì)顆粒沉降規(guī)律的影響，設(shè)計(jì)了煤粉沉降試驗(yàn)裝置，并由結(jié)果擬合了沉降末速公式。

2015年劉春花[36]利用數(shù)值模擬研究了煤粉在有桿排采泵筒中流動(dòng)的規(guī)律，基于動(dòng)力學(xué)分析建立液體運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型以及煤粉運(yùn)移數(shù)學(xué)模型，綜合考慮了煤粉粒徑大小、液相流速度，從而得到煤粉在泵筒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。仿真結(jié)果表明顆粒粒徑過(guò)大或入流速度過(guò)小均會(huì)導(dǎo)致煤粉顆粒沉降。

2016年崔金榜[37]開(kāi)展了多相流驅(qū)替狀態(tài)下的水平圓管煤粉遷移物理模擬試驗(yàn)綜合考慮流量、粒徑等因素下煤粉顆粒于不同圓管傾角下的運(yùn)移規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)控制傾角，調(diào)節(jié)流量可保證井筒里煤粉的適度排出。

2016年鄭春峰采用二維湍流分析方法建立桿管環(huán)空內(nèi)煤粉流動(dòng)模型，模擬結(jié)果給出了不同粒徑煤粉對(duì)應(yīng)的臨界攜帶速度，計(jì)算結(jié)果為工程上防煤技術(shù)提供理論依據(jù)。

比較典型的煤粉在水平井筒內(nèi)的運(yùn)移屬于液固兩相流或氣液固三相流[39]，其運(yùn)移機(jī)理和動(dòng)力學(xué)特性較為復(fù)雜：煤粉與氣相、煤粉與液相、煤粉與煤粉、煤粉與井壁間以及氣相與液相的復(fù)雜相互作用難以用理論進(jìn)行清晰準(zhǔn)確的分析，同時(shí)氣相與液相相內(nèi)也存在復(fù)雜的流動(dòng)。

根據(jù)固體顆粒管內(nèi)的固液配置形式和在圓管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以將固液兩相流流型分為：1）分層流流型；2）分散流流型（圖9）。當(dāng)液體流速比較低時(shí)，床層表面顆粒以接觸質(zhì)和躍移質(zhì)方式向前運(yùn)移，單相水流層以下的顆粒床保持靜止，最上層是純液體層。隨著液體流速增加，最上層的純液體層中就會(huì)出現(xiàn)以懸移質(zhì)形式運(yùn)移的顆粒，此時(shí)最上層變?yōu)榉稚⒘鲃?dòng)。以上兩種情況中，因?yàn)樵诖怪狈较?，上管?nèi)共出現(xiàn)三種不同的固液配置形式，因此均稱(chēng)為三層分層流動(dòng)。液體流速繼續(xù)增加，原先固定床層內(nèi)的各顆粒也開(kāi)始以不同的運(yùn)動(dòng)形式參與運(yùn)移，固定床層消失，此時(shí)圓管內(nèi)只存在移動(dòng)床層和分散流動(dòng)層，故而叫做兩層分層流動(dòng)。當(dāng)液體流速持續(xù)增加，原先移動(dòng)床層中的固相顆粒會(huì)受到較強(qiáng)的紊動(dòng)擴(kuò)散作用，顆粒開(kāi)始連續(xù)脫離床層直到移動(dòng)床層消失，只剩下分散流動(dòng)，此時(shí)即為分散流流型。

圖9 水平井固液兩相流與煤粉流型[39]Fig.9 Flow pattern of solid-liquid two-phase coal fine

然而氣液固三相流的流動(dòng)異常復(fù)雜，見(jiàn)圖10，根據(jù)氣液固三相的配置形式，依舊可以將流型大體劃分為二、三和四層分層流流型。在氣液兩相流速都很低時(shí)，攜固能力較弱，煤粉顆粒大都保持靜止，即使發(fā)生運(yùn)動(dòng)也只是小范圍內(nèi)的晃動(dòng)，不能形成實(shí)質(zhì)的運(yùn)移，此時(shí)管內(nèi)垂直方向上分別是固定床層、純液層和氣層，見(jiàn)圖10（a）。在此基礎(chǔ)上，如果氣相流速得到提升，攜固能力增強(qiáng)，顆粒床表面的顆粒開(kāi)始以接觸質(zhì)和躍移質(zhì)的形式產(chǎn)生持續(xù)運(yùn)移，但是由于液體流量較低，水層厚度會(huì)比較薄，此時(shí)垂直方向上依次為：①固定床層；②移動(dòng)床層；③純液層；④氣層。如果液相流速也相應(yīng)提升，就會(huì)有以懸移質(zhì)形式運(yùn)移的顆粒，此時(shí)管中垂直方向上就依次為：①固定床層；②移動(dòng)床層；③分散流層；④氣層。以上兩種情況見(jiàn)圖10（b）。

如果液體流速繼續(xù)增加，固定床層消失，就會(huì)出現(xiàn)三層分層流型，見(jiàn)圖10（c）。液體流速持續(xù)增加，移動(dòng)床層也會(huì)消失掉，只剩分散層和氣層，此時(shí)管內(nèi)出現(xiàn)兩層分層流型，見(jiàn)圖10（d）。當(dāng)液體流速持續(xù)增加，在煤粉床存在的情況下，管內(nèi)出現(xiàn)段塞，此時(shí)在垂直方向上依次為：①固定床層；②移動(dòng)床層；③段塞層。當(dāng)液體流速增大到一定程度后，段塞流使得管內(nèi)煤粉全部參與運(yùn)移，此時(shí)床層基本消失，而且段賽占據(jù)整個(gè)管路，不再分層。以上兩種段塞流情況見(jiàn)圖10（e）、圖10（f）。

圖10 水平井氣固液三相流與煤粉流型[39]Fig.10 Three phase flow pattern of gas solid liquid

2 煤粉防控措施研究進(jìn)展

煤粉的防控措施多數(shù)是根據(jù)井下桿管泵及煤巖特性、出砂程度來(lái)制定的。由于煤粉進(jìn)入井筒后會(huì)危害井下設(shè)備和井筒，目前我國(guó)在現(xiàn)場(chǎng)由此導(dǎo)致了許多埋泵、卡泵和井壁坍塌等井下嚴(yán)重的事故，從而增加了現(xiàn)場(chǎng)修井作業(yè)次數(shù)。因此，目前開(kāi)發(fā)煤層氣的核心研究之一為煤粉的防控措施，人們的思路在于：首先無(wú)論現(xiàn)場(chǎng)人員還是科研人員要熟悉地下煤粉的運(yùn)移規(guī)律（儲(chǔ)層、井筒），并在此基礎(chǔ)上研究并提出合理的防控措施，只有這樣才能確保我國(guó)煤層氣井穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)。

2.1 控粉措施研究

對(duì)于煤粉防控措施，目前我國(guó)學(xué)術(shù)界有兩大技術(shù)引導(dǎo)：1）“有限度地出煤粉”理論，此理論思路為：為了最大限度地保持儲(chǔ)層的滲透率，首先限制粗顆粒的運(yùn)移避免造成易堵塞孔喉，其次讓能通過(guò)孔喉的細(xì)微顆粒逐個(gè)排出；2）“煤粉運(yùn)移的阻止”理論，此理論著重目的在于規(guī)避煤粉損壞井下設(shè)備和堵塞儲(chǔ)層。

2017年皇凡生等[30]，在設(shè)計(jì)煤層氣儲(chǔ)層合理壓力梯度區(qū)間時(shí)，基于“有限度出煤粉”理論，為了提高裂縫—煤粉間的黏附力，在現(xiàn)場(chǎng)向儲(chǔ)層注入穩(wěn)定劑，表明在原則上先改善最大縫寬裂縫的滲透率，能有效阻止煤粉的運(yùn)移堵塞。

2011年劉升貴等[8]為了分析煤層氣水平井產(chǎn)生煤粉的顆粒粒徑和質(zhì)量分?jǐn)?shù)在井筒中的變化規(guī)律，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和理論分析的方式，提出了預(yù)防卡泵的措施：為了稀釋煤粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，利用防砂套管組合油套環(huán)空進(jìn)行注水設(shè)計(jì)。為預(yù)防卡泵事故發(fā)生，首先現(xiàn)場(chǎng)煤層氣水平井使用了螺桿泵排采，其作用在于其攜粉能力較大；其次利用螺桿泵吸入口接防砂尾管，并結(jié)合防砂套管組合向油套環(huán)空注水稀釋煤粉的措施進(jìn)行控粉。

2018年魏迎春等在煤層氣井產(chǎn)生實(shí)踐的基礎(chǔ)上，結(jié)合了煤粉產(chǎn)生機(jī)理研究，從預(yù)防地質(zhì)、儲(chǔ)層增產(chǎn)改造、優(yōu)選設(shè)備、預(yù)警產(chǎn)生、控制排采和工藝治理等方面，完善了一套煤粉防控措施的體系以及說(shuō)明了其適用性。

魏迎春等[12]提出煤粉防控措施的體系其核心思路為：1）煤層氣選區(qū)開(kāi)發(fā)布井網(wǎng)階段，首先通過(guò)地震分析、地球物理理論解釋避開(kāi)可能高產(chǎn)煤粉的層段和區(qū)域，控制原生煤粉，這是通過(guò)從地質(zhì)預(yù)防入手；2）儲(chǔ)層增產(chǎn)改造階段，通過(guò)間接壓裂、直接壓裂和酸化壓裂參數(shù)優(yōu)化，最大可能降低次生煤粉產(chǎn)生；3）產(chǎn)生排采階段，從優(yōu)選設(shè)備方入手，從射流泵、自潔泵、電潛螺桿泵和桿式泵等選出優(yōu)勢(shì)設(shè)備，順利排出大量煤粉。此方法已在不同的煤層氣井取得了良好的效果；然而不同的煤粉防控措施，適用條件也不同，要視具體情況而定。

2.2 排采工作制度研究進(jìn)展

我國(guó)煤層氣井無(wú)法長(zhǎng)期穩(wěn)定以較高產(chǎn)量生產(chǎn)，主要是由于排采生產(chǎn)制度的不合理造成的，因此，建立不同排采階段的合理工作制度是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。

為了合理開(kāi)采煤層氣，需要對(duì)煤層氣生產(chǎn)的不同階段進(jìn)行合理劃分，并針對(duì)不同排采階段相應(yīng)制定不同的排采生產(chǎn)制度。在現(xiàn)場(chǎng)要根據(jù)煤層氣排采階段劃分方法的劃分依據(jù)、特征階段、適用范圍以及劃分方法的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)已有的劃分方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。不同排采階段的排采制度制定相應(yīng)的原則。

2015年，柳迎紅、房茂軍等[40]根據(jù)國(guó)內(nèi)外的資料分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)排采的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)已有的煤層氣排采階段的劃分方法進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，提出了新的煤層氣排采階段的六段劃分法。由于地質(zhì)條件和工藝技術(shù)的不同，不同的煤層氣井表現(xiàn)出的排采階段特征并不完全相同，但典型的煤層氣井存在明顯的分階段的排采特征。首先根據(jù)煤層氣排采階段劃分方法的劃分依據(jù)、特征階段、適用范圍以及劃分方法的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)已有的劃分方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，見(jiàn)表3。

其次，通過(guò)對(duì)沁水盆地大量煤層氣井排采資料的分析并結(jié)合對(duì)煤層氣排采生產(chǎn)的認(rèn)識(shí)，根據(jù)煤層氣井的生產(chǎn)特征（產(chǎn)氣和產(chǎn)水特征），將煤層氣的排采過(guò)程劃分為6個(gè)階段，6個(gè)階段包括：未見(jiàn)氣階段、初見(jiàn)氣階段、產(chǎn)氣量上升階段、產(chǎn)氣量穩(wěn)定階段、產(chǎn)氣量下降階段和廢棄階段。并給出了六段劃分法在不同排采階段的原則和技術(shù)對(duì)策[38]。

1）未見(jiàn)氣階段

本階段必須保持井底流壓緩。慢下降、產(chǎn)水量基本保持恒定，以期獲得較大的煤層氣井的壓力波及范圍。對(duì)于壓裂煤層氣井，需要盡快排出壓裂液，但必須控制煤層氣井底壓力，防止煤層應(yīng)力釋放導(dǎo)致煤粉產(chǎn)出，造成煤層損傷。

2）初見(jiàn)氣階段

隨著井底流壓的下降，當(dāng)井底流壓下降到解吸壓力以下時(shí)，開(kāi)始有部分氣解吸出來(lái)，表現(xiàn)為套壓增大，但煤層氣產(chǎn)量很低。該階段應(yīng)進(jìn)行憋壓，控制煤層氣解吸范圍的擴(kuò)大，因?yàn)槊簩又袣馑畠上嗔鲃?dòng)的阻力增大，會(huì)降低壓力波的傳播速度，導(dǎo)致壓降區(qū)域減小，影響整個(gè)后期排采的效果。

3）產(chǎn)氣量上升階段

隨著井底流壓的不斷降低，煤巖解吸的范圍不斷向外傳播，解吸區(qū)域已形成一定范圍。在此階段應(yīng)密切關(guān)注井底流壓的變化，煤層氣解吸導(dǎo)致煤層孔滲增加，因此，必須控制井底流壓，防止該時(shí)期煤粉產(chǎn)量的突然增大，防止煤層損傷。

4）產(chǎn)氣量穩(wěn)定階段

隨著煤層氣井排采生產(chǎn)的進(jìn)行，煤層氣井的排采進(jìn)入“產(chǎn)氣量穩(wěn)定階段”。在這個(gè)階段，盡量避免修井和關(guān)井，維持穩(wěn)定連續(xù)的生產(chǎn)狀態(tài)，從而保持產(chǎn)氣量的穩(wěn)定。

5）產(chǎn)氣量下降階段

隨著煤層壓力的下降，煤層氣不斷從煤層中解吸出來(lái)，近井地帶已解吸完畢的煤層區(qū)域逐漸擴(kuò)大，而有效解吸范圍逐漸減小，因此，在此階段應(yīng)避免排水量的增加或?yàn)榱颂岣弋a(chǎn)量而使井底壓力大幅度下降。

6）廢棄階段

當(dāng)煤層壓力越來(lái)越低時(shí)，煤層氣井的產(chǎn)氣量大幅度降低。當(dāng)煤層氣井產(chǎn)氣量未達(dá)到經(jīng)濟(jì)下限時(shí)，應(yīng)盡量維持煤層井的生產(chǎn)狀態(tài)，直至煤層氣井停止生產(chǎn)。

2014年，張遂安等[3]在進(jìn)行“煤層氣吸附解吸實(shí)驗(yàn)和滲流特征”實(shí)驗(yàn)時(shí)，結(jié)合多年現(xiàn)場(chǎng)的排采經(jīng)驗(yàn)，基于煤粉的傷害特點(diǎn)及傷害機(jī)理，確立了控制合理工作壓差、以定壓排采和控制煤粉有限度的產(chǎn)生等排采工作制度：1）首先前提條件為煤層氣井的設(shè)備排采選擇應(yīng)以保證其長(zhǎng)期、穩(wěn)定和連續(xù)，目的在于為降低排采過(guò)程中的煤粉對(duì)井筒和儲(chǔ)層造成的傷害。井口的排采設(shè)備必須擁有以下四個(gè)優(yōu)點(diǎn)：節(jié)能低耗、便于維修保養(yǎng)、持久耐用和易于操作性能可靠。同時(shí)，井口的排采設(shè)備要有較靈敏的和較強(qiáng)的井口及產(chǎn)氣系統(tǒng)的綜合控制能力。2）根據(jù)多年煤層氣井排采取得的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，煤層氣井排采無(wú)法實(shí)現(xiàn)定產(chǎn)，排采可采用的工作制度只有定壓排采。

上述可得結(jié)論：煤層氣井排采應(yīng)在合理的工作壓差和有效控制煤粉產(chǎn)生的條件下，按照擬定的工作井底流壓進(jìn)行生產(chǎn)。在定壓排采過(guò)程中，控制合理的工作壓差（指井底流壓與儲(chǔ)層壓力之間的壓差），并且合理地控制煤粉適度的產(chǎn)生速度可有效預(yù)防煤粉應(yīng)力敏感、堵塞和水鎖/氣鎖的傷害，才能保證煤層氣井有效、安全排采。

2015年劉春艷等將煤層氣生產(chǎn)過(guò)程劃分為五個(gè)階段：穩(wěn)產(chǎn)降液、控壓排水、控壓放氣、穩(wěn)定產(chǎn)氣和衰減產(chǎn)氣，用于描述多分支水平井排采特性（圖11）。

目前煤層氣井的排采尚未形成完善可推廣的模式，而是通過(guò)調(diào)整每個(gè)階段的主控參數(shù)來(lái)進(jìn)行的，因此后續(xù)人們需要繼續(xù)探究排采過(guò)程中煤粉產(chǎn)生量、滲透率、氣體解吸時(shí)機(jī)與產(chǎn)生壓差的一個(gè)綜合聯(lián)系，這樣既可以降低井筒內(nèi)煤粉對(duì)設(shè)備的磨損率，又能指導(dǎo)煤層氣井進(jìn)行高效率的排采。

圖11 多分支水平井排采工作[40]Fig.11 Drainage of horizontal wells with multi branch

3 結(jié)論

1）目前人們已掌握了煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中煤粉形成的物理原理，并且由原來(lái)的簡(jiǎn)單的單個(gè)顆粒啟動(dòng)的動(dòng)力學(xué)研究發(fā)展到煤層氣—水—固（煤粉）耦合流動(dòng)數(shù)學(xué)模型研究，加深認(rèn)識(shí)了煤粉顆粒產(chǎn)生與運(yùn)移的機(jī)理。首先，煤粉在儲(chǔ)層、井筒中運(yùn)動(dòng)規(guī)律與形態(tài)的研究有效指導(dǎo)了我國(guó)目前煤層氣的高效開(kāi)發(fā)，并為以后開(kāi)發(fā)高難度的煤層氣藏奠定了理論基礎(chǔ)。其次，井筒中所出現(xiàn)的事故進(jìn)一步指導(dǎo)了現(xiàn)場(chǎng)防粉控粉措施和工作制度的擬定，增加了開(kāi)發(fā)煤層氣的經(jīng)濟(jì)效益。

2）煤粉在直井、水平井中的流動(dòng)規(guī)律和運(yùn)移機(jī)制不同。直井中煤粉的運(yùn)移試驗(yàn)結(jié)果表明：煤粉顆粒力學(xué)性能差，在垂直井筒沉降過(guò)程中易破碎，沉降時(shí)粒徑會(huì)發(fā)生變化，井筒中煤粉的排出的難度大。然而煤粉在水平井中會(huì)產(chǎn)生煤粉河床，與氣液形成不同形態(tài)的流型，研究表明通過(guò)控制傾角，調(diào)節(jié)流量可保證水平井井筒中煤粉的適度排出。

3）雖然國(guó)內(nèi)部分煤礦正試圖采用煤粉產(chǎn)出自動(dòng)化，可是在這些本身有著諸多問(wèn)題，而且大多和實(shí)際煤儲(chǔ)層現(xiàn)狀不相符合。其次，中國(guó)大量的煤礦仍然采用人工操控，而不去使用自動(dòng)氣排。目前科學(xué)技術(shù)對(duì)于煤粉的控制仍較為落后，以及煤礦設(shè)備不是很先進(jìn)，其中工作人員的技術(shù)水平不是很高，因此對(duì)于檢測(cè)技術(shù)的運(yùn)用、設(shè)備的操作準(zhǔn)確度以及煤粉產(chǎn)出自動(dòng)化等方面應(yīng)是下一步研究和提高的方向。