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煤层气排采产气通道适度携煤粉理论

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煤层气 排采产气 通道 适度 携煤粉 理论
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2015年第39卷第2期中国石油大学学报(自然科学版)9 015文章编号:1673015)020.3969/j.673015.02.014煤层气排采产气通道适度携煤粉理论张芬娜1,李明忠1,綦耀光1,朱洪迎1,孟尚志2(1.中国石油大学石油工程学院,山东青岛266580;2.中联煤层气有限公司,北京100108)摘要:考虑在煤储层中实际地层液混合流体中煤粉含量和煤粉颗粒群的悬浮分级,建立煤粉颗粒在产气通道内悬浮运移模型,给出煤粉悬浮排出的条件;打破以往以防煤粉为主的思想,基于液流携带建立煤层气排采产气通道内的适度携煤粉方法.基于液固两相流理论建立液流携带煤粉运移模型,并分析地层液参数和煤粉颗粒参数对适度携煤粉的影响。结果表明:煤粉颗粒粒径越小,地层液流速越大、黏度越大,煤粉在产气通道截面上分布越均匀,其悬浮排出能力越强,煤粉较易被地层液携带排出;煤层气井排采各个阶段(单相水流阶段、气水两相流阶段和单相气体流动阶段)地层液中气液固三相混合的比例不同导致地层液的黏度不同,造成排采过程中地层液携带煤粉的能力随着产气量的变化而变化。合理控制地层液的参数有利于煤粉适度排出,疏通产气通道增加其渗流能力,提高煤层气井产气量。关键词:煤层气井;煤粉;悬浮运移;携煤粉能力中图分类号:P 618.11 文献标志码:芬娜,李明忠,綦耀光,等.煤层气排采产气通道适度携煤粉理论[J].中国石油大学学报:自然科学版,2015,39(2):86I I et of BM ].2015,39(2):86of BM I 1 .66580,.00108, of BM)in of of in BM he he as on an be to a of he of on of by of of ue to of BM of a on of of he BM be of a of or of BM Ⅲ3。煤粉沉积堵塞煤层气井产气通道.使煤层气收稿13期:2014—10—14基金项目:国家自然科学基金项目(51174224);国家科技重大专项(201104);中央高校基本科研业务费专项(10者简介:张芬娜(1982-),女,讲师,博士,从事煤层气排采工艺理论与方法、修井工艺理论以及增产措施方面的研究。63.方数据第39卷第2期 张芬娜,等:煤层气排采产气通道适度携煤粉理论 ·87·井稳产、高产困难,影响了煤层气的整体开发效益[7]。解决煤粉的滞留对保障煤层气井产气量、延长稳产周期具有重要意义。近年来在防煤粉技术的基础上,借助油气田防砂方法基于阻挡煤粉进入井筒的思想形成了防煤粉方法[8J 2|。主要有机械绕丝筛管防煤粉、绕丝筛管+砾石填充防煤粉方法。这对于出煤粉量少的煤层气井起到了一定的效果.但对于出煤粉量较大煤层气井,该防煤粉方法效果不明显。目前油气田适度出砂提高产能的研究已经很成熟,何冠军[13]对疏松砂岩常规稠油油藏适度出砂提高产能基础进行了研究。周守为等[14]对稠油油藏分支水平井适度出砂开发技术进行了研究。较大幅度地提高了油井产能,取得了较好的开发效果。何保生等[15]对油田开发多枝导流适度出砂技术进行了研究,在研究多枝导流适度出砂油藏增产机制和产能评价方法的基础上,研发了多枝导流钻井技术、适度出砂完井技术及携砂采油技术,形成了一套海上稠油油田开发多枝导流适度出砂技术体系。笔者借鉴油气田适度出砂原理,基于液流携带煤粉颗粒,打破以往以防为主的思想,允许适度携煤粉排出,建立煤粉悬浮运移模型,给出煤粉悬浮运移排出的条件,并对地层液参数和煤粉颗粒参数对适度携煤粉的影响进行分析。1 产气通道内煤粉悬浮颗粒运移条件1.1单个煤粉受力脱落煤粉颗粒在地层流体中受力分析如图1所示。煤粉颗粒主要受运动阻力(视质量力(F。)、压力梯度力(F,)、巴西特力(凡)、马格努斯力(“)、萨夫曼力(F。。)、颗粒在液体中的重力(F。,浮重)。尸·l,s,,F.I, ’、'l●t 沁b F,’、~ /凡图1悬浮煤粉受力分析 of )压力梯度力F。。煤粉颗粒所受的压力梯度力与颗粒本身的运动无关。与静止颗粒所受的压力梯度力相同‘14],压力梯度力表达式为3。塑中,r。为煤粉颗粒的半径;方向与煤粉颗粒运动方向一致。(2)运动阻力F。。由于地层液有一定黏度,颗粒在地层液中运动时受到运动阻力为;)1(5. (2)式中,P。为液体的密度;秽。为地层液的流速;秽。为煤粉颗粒运动速度;。为阻力系数。煤粉颗粒的阻力系数与颗粒形态以及流体流态有关[15]。层流(0 。假设煤粉颗粒加速瞬间完成,不考虑煤粉加速过程,则煤粉颗粒所受巴西特力可以忽略。煤粉运移条件为F。+F。>(14)对于刚启动煤粉颗粒,哦=0,式(14)可简化为÷订2。|s>0. (15)2液流携带煤粉颗粒运移模型液流携带煤粉在产气通道内的运移可等效为含煤粉地层液固液两相流在水平圆管中的运动。对煤粉和地层液组成固液两相流动采用足基本质量守恒方程和动量守恒方程。煤粉颗粒固相的连续性方程可表示为3景(a,p。)+V·(=0. (16)式中,a。为煤粉颗粒固相体积分数。地层液相连续性方程可表示为善((1一a。)V·((1一a。)P。口1)=0. (17)煤粉颗粒固相动量守恒方程为3素(0c。p。口。)+V。(0。秽。)=一a。F。+卢l。+a。p。g. (18)式中,。为由于煤粉颗粒间碰撞产生的附加应力;卢。。为液体对煤粉的拖拽系数;丁。为煤粉颗粒的剪切应力。地层液相动量守恒方程为3善((1一a。)+V·((1一a。)一(1)l。v。一q)+(19)式中,下,为地层液的剪切应力。煤粉颗粒和地层液间的拖拽力采用水平圆管中颗粒群拖拽力经验公式[75|。其拖拽系数可表示为耻‰孚掣(·+去+剖. ㈣,其中札=善,睁),咖鼢4n 5).式中,d。为煤粉颗粒的粒径;秽。。为煤粉颗粒沉降末速度,方向向下。将单相流的标准单相流的压力速度耦合过连续性方程、两相动量方程以及到封闭方程组。产气通道人口边界为速度人口。入口速度范围依据煤粉颗粒群悬浮运移地层液临界速度计算结果以及目前现场排采条件下地层液流速设定。3实例计算与结果分析以某煤层气井进行分析,其参数如下:5。煤层厚度10.4 层压力4.2 层渗透率2.59×10。斗缝开度3.4 缝截面宽度0.06 缝半长50 底流压1.1 层气黏度0.017 s.井液黏度0.79 ,煤层气相对密度0.59。井液密度1 016 kg/密度1 400 kg/悬浮运移的临界速度和煤粉粒径的关系如图2所示。煤层气井远井产气通道可等效为水平圆管模型.煤粉在远井产气通道内运移可作为含煤粉地层液固液两相流在水平圆管中的运动研究,采用立模型并划分网格,产气通道入口边界设为速度入口,其出口边界设定为自由流出边界.产气通道壁面处采用无滑移边界条件,煤粉颗粒均匀分布在产气通道入口截面上。用气通道等效直径为20层液中含煤粉颗粒粒径为0.1 始入口处地层液中含煤粉体积分数为0.2,不同入口速度下产气通道截面煤粉颗粒体积分数分布如图3所示。从图3中可以看出,产气通道上部煤粉颗粒体积分数小于初始体积分数0.2,产气通道中部保持万方数据·90· 中国石油大学学报(自然科学版) 2015年4月原体积分数,下部体积分数大于0.2,说明煤粉在产气通道内开始沉积;中部体积分数0.2的范围越大.煤粉在产气通道内均匀分布的区域越大。地层液速度越大,煤粉颗粒在产气通道截面分布越均匀。当地层液流速减少时产气通道上部含煤粉颗粒体积分数减少;底部含煤粉颗粒体积分数增加,地层液速度越小,产气通道底部含煤粉颗粒体积分数越高:说明当地层液速度减小时煤粉开始沉积。维持地层液的流速及使用定量排采的方式可以减少煤粉的沉积。仝警■3\一魁硝曩鲁婆驶哟图2悬浮临界流速与煤粉粒径的关系 速度下截面煤粉颗粒体积分数分布 of at 其他条件不变的情况下,煤粉颗粒粒径越小,煤粉颗粒在产气通道截面上分布越均匀,说明煤粉颗粒越大越不易被携带排出。图5为地层液黏度不同时产气通道截面煤粉颗粒体积分数分布,携煤粉地层液黏度越大.煤粉颗粒在产气通道截面上分布越均匀,说明地层液黏度越大其携带煤粉颗粒的能力越强。在煤层气井排采过程中经历单相水流、气水两相流和单相气体流动阶段,各阶段中由于地层液是气液固三相混合物。其混合比例不同导致地层液黏度不同,在排采的过程中地层液携带煤粉的能力随产气量的变化而变化。在其他条件相同时改变人口处初始含煤粉颗粒体积分数,产气通道截面上煤粉颗粒体积分数分布如图6所示。从图6中可以看出,不同初始含煤粉颗粒体积分数下,截面煤粉颗粒体积分数分布曲线是一组平行曲线族。f 、N :—-..d。:o.05 m.: ~· ·..一d.=0.10\ ’—0.20 0 0.1 0.2 0.3 0.4煤粉颗粒体积分数a.图4不同颗粒粒径下截面煤粉颗粒体积分数分布 of at ●.0-.-/t=0.5 +/t=0.1 f 、.‘氐.0 0.1 O.2 0.3 0.4煤粉颗粒体积分数a.图5不同地层液黏度下截面煤粉颗粒体积分数分布 of at of at 论(1)煤粉颗粒粒径越大,使其悬浮需要的地层液临界流速越大;煤粉颗粒粒径越小,地层液流速和黏度越大,煤粉在产气通道截面上分布越均匀,其悬浮排出能力越强,煤粉较易被地层液携带排出。(2)地层液速度越小,产气通道底部含煤粉颗粒体积分数越高,煤粉越易沉积。地层液流速的波动不利于煤粉的排出,进而影响煤层气井的产气量。万方数据第39卷第2期 张芬娜,等:煤层气排采产气通道适度携煤粉理论 ·9l·(3)煤层气井排采各阶段地层液中气液固三相混合比例不同,地层液黏度不同,地层液携带煤粉的能力不同,携带煤粉能力随产气量变化而变化。(4)适度携煤粉受地层液参数和煤粉颗粒自身参数影响,合理控制地层液参数有利于煤粉适度排出。参考文献:[2][3][4][5][6]刘新福,綦耀光,胡爱梅,等.煤层气井气水两相流入动态关系研究[J].中国矿业大学学报,2011,40(4):561I U et in BM ].011,40(4):561松航,汤达祯,唐书恒,等.鄂尔多斯盆地东缘煤层气储集与产出条件[J].煤炭学报,2009,34(10):1297.1304.of ].009,34(10):1297—1304.李明忠,陈会娟,张贤松,等.煤层气多分支水平井井筒压力及入流量分布规律[J].中国石油大学学报:自然科学版,2014,38(1):92I et of ].2014,38(1):92升贵,张新亮,袁文峰.煤层气井煤粉产出规律及排采管控实践[J].煤炭学报,2012,37(2):412eg—of BM ].012,37(2):412415.刘冰,杜继芸,綦耀光,等.抽油机井杆管环空瞬态流场煤粉颗粒排出研究[J].中国石油大学学报:自然科学版,2014,38(1):117.123.U I et in of ].2014,38(1):l 17.123.綦耀光,张芬娜,刘冰,等.煤层气井产气通道内煤粉运动特征分析[J].煤炭学报,2013,38(9):1627I et on of in ].013,38(9):1627.1632.[7] 张芬娜,綦耀光,徐春成,等.煤粉对煤层气井产气通道的影响分析[J].中国矿业大学学报,2013,42(3):4281 U et —of of by ]..013,42(3):428—435.[8] E, S, A,et e.al·of ].010.[9] W, B.A to a ].014,1972.[10].of on ].960,211(6):265.274.[1 1] , K.on ].4398,2000.[12], M, A,et of in ].010.[13]何冠军.疏松砂岩常规稠油油藏适度出砂提高产能基础研究[D].成都:西南石油大学石油工程学院,2005.he of to ].005.[14]周守为,孙福街,曾祥林,等.稠油油藏分支水平井适度出砂开发技术[J].石油勘探与开发,2008,35(5):630et of to ].008,35(5):63015]何保生,曹砚锋,曾祥林,等.海上稠油油田开发多枝导流适度出砂技术研究[J].中国海上油气,2013,25(6):82E et on in ].il 013,25(6):82方数据·92· 中国石油大学学报(自然科学版) 2015年4月[16] 郑绍强.疏松砂岩气藏多层合采气井出砂携砂产能研究[D].成都:西南石油大学石油工程学院,2006.he of of ].006.[17] 董长银,栾万里,周生田,等.牛顿流体中的固体颗粒运动模型分析及应用[J].中国石油大学学报:自然科学版,2007,31(5):55of ].2007,31(5):5518]郭烈锦.两相与多相流动力学[M].西安:西安交通大学出版社.2002.(编辑李志芬)万方数据煤层气排采产气通道适度携煤粉理论作者: 张芬娜, 李明忠, 綦耀光, 朱洪迎, 孟尚志, 张芬娜,李明忠,綦耀光,朱洪迎,I I 国石油大学石油工程学院,山东青岛,266580), 孟尚志,联煤层气有限公司,北京,100108)刊名: 中国石油大学学报(自然科学版)英文刊名: ,卷(期): 2015,39(2)引用本文格式:层气排采产气通道适度携煤粉理论[期刊论文]然科学版) 2015(2)
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