煤层气排采中起伏井筒气-水-煤粉三相流实验及模型研究

Horizontal and multi-lateral completions are widely used in low permeability, thin net-pay coal-bed methane (CBM) field development, which is also the most important and effective practice from worldwide field experience. However, limited by the drilling trajectory control and in-situ reservoir complexity, the horizontal wellbore lateral commonly fluctuates up and down in the vertical direction –resulting in an undulating well. Further, coalbed matrix is much more brittle than conventional rocks along with another characteristic of low hardness. Such tremendous coal fines would be inevitably generated resulted by drilling and fracturing, which leads to a series of problems：Coal fines can migrate to downhole, and consequently enter or bury dewatering pump, which results a pump workover along with production loss. Coal fines can mix with water and create severe blockage in effective flowing channels and natural fractures, and then a result of significant reduction of permeability. The blockage can subsequently introduce instable pressure profile along the flow path. In the aforementioned fluctuating wellbore, this pressure oscillation drives the coal fines deposit in the low position. This would lose the lateral production length from the in-situ blockage to the toe. Further, wellbore collapse can be also observed, which is indeed an irreversible failure scenario. This study will investigate the gas-liquid, liquid-solid, and gas-liquid-solid multiphase redistribution and dynamic pressure profile in the undulating well trajectory by experiment. The results would reveal mechanisms of coal fine deposition, floating, and migration systematically with identifying critical solid-carrying velocities under different situations. Ultimately, a model will be presented to capture and predict the gas-liquid-solid three-phase flow mechanism as the final delivery, which provides the theoretical basis for engineering design of well trajectory and size in field. It will also practically optimize the production and pump maintenance schedule.

水平井、多分支井是开发我国低渗、薄层煤层气藏的重要手段，由于钻井工艺的限制和煤层地质结构的原因，水平井的井眼轨迹在垂向有一定程度的上下起伏。煤的岩石力学特征是硬度偏小、脆性大，在钻井、压裂和生产中会产生大量煤粉，不但对储层、裂缝产生堵塞伤害，在垂直井筒中的煤粉在排水采气过程中还会导致卡泵、埋泵等故障；在具有起伏轨迹的水平井井筒中产生的特殊段塞流会导致储层产生压力波动，煤粉在起伏井筒低部位的沉积会加剧这种压力波动，甚至是导致水平井筒堵塞，严重影响排采进程。本申请基于对各种倾斜角度的起伏井筒中气-液、液-固和气-液-固流动实验，研究起伏井筒中三相流动的流型特征、压力分布特征，研究具有特殊表面特性的煤粉颗粒在气液流动中的沉降、浮升及运移规律，得到不同相态流动条件下的临界携带煤粉参数。在此基础上建立起伏井筒气-水-煤粉三相流动模型，为煤层气井井眼轨迹和井筒尺寸设计、生产和洗井参数优化提供依据。

在煤层气井排采过程中通常会伴随着煤粉的产出。当井下流体速度不足时，煤粉可能会在流动通道的低部位聚集，增大煤粉浓度，因此可能会影响到井下设备的正常工作。煤作为一种有机、无机的混合物，煤粉颗粒具有与砂粒不同的水力学特性。并且在起伏井筒中，由于流体流动方向的改变以及流动的不稳定性，导致煤粉在起伏流场中的运移规律变得复杂。为了给排采制度和排采设备设计提供更加准确的依据，需要对煤粉在起伏井筒内沉降聚集规律进行细致研究，以得到煤粉浓度在井段内的动态变化和分布。. 为了研究煤粉颗粒性质，通过一系列实验，测量了煤粉的密度，沉降末速，在液相中临界启动速度。为了进一步研究煤粉颗粒在气液流动中的运移规律，开展了弯管段局部的气液固三相流动实验。实验使用电导率方法记录了管段代表性位置上的持液率实时数据。根据持液率数据可以识别测量单元处的起伏段塞，并得到各个段塞的长度和速度等特征参数。对煤粉颗粒在段塞单元内随液相运移过程进行简化和建模，推导和定义了无因次颗粒速度函数FD。通过向气液固三相流动环路中注入标记煤粉以及观察其能否从管道中排出，测得煤粉在不同倾角弯管中，不会发生滞留所需的临界气液流速条件。根据测得的起伏段塞参数计算每个段塞单元对应的无因次颗粒速度函数FD。根据临界速度的实验数据，分析了影响FD统计特征的各个因素，并给出了在煤粉临界排出条件下FD的分布均值。根据不同浓度下的临界FD分布均值，拟合得到其与颗粒浓度的线性关系。. 在气液两相漂移模型（DFM模型）的基础上，加入固相的运动方程和质量方程，可以得到模拟起伏管道中气-液-固三相流动的动态模型。对固相方程采用一定离散的策略，可以在不改变气液原有计算过程的同时，加入对于固相颗粒动力学参数的计算，这样减少了模型求解的工作量。根据三相流动实验数据，对模型所用公式中的经验参数进行调整，使模型计算结果与实验结果吻合程度更高。使用气-液-固三相流动动态模型对一系列案例进行了模拟。模拟结果表明气液流速度条件，煤粉浓度，粒径，注入浓度，管道倾角均会对煤粉在起伏段中的分布，以及井段内各位置处浓度变化产生影响。起伏段底部会因为煤粉聚集导致颗粒浓度增大。并且根据颗粒浓度的动态计算结果，得到在气液流动不稳定的情况下，浓度会有瞬时峰值，设计井下设备的固相处理能力时需考虑这一现象。