煤粉运移、沉降引起煤层气井近井地带压裂裂缝堵塞的非线性径向流数学模型构建

中国煤层气井在开发过程中，大部分井需要进行压裂作业才能获得理想气产量，排采过程中煤粉堵塞压裂裂缝的现象经常发生。安徽芦岭区块勘探开发试验井遇到煤粉堵塞压裂裂缝的问题集中。本项目选择该区块煤粉的微观水力特性为研究对象，运用计算流体力学理论，构建煤粉堵塞煤层气井近井地带压裂裂缝的径向流数学模型。具体内容包括：对采集样品的煤粉样进行矿物组份和内部结构测试，理论分析与计算煤粉在煤储层内的水流流态、煤粉存在形态与运移规律以及液-固-气相间作用规律；研究煤储层内液-固-气多流场的计算流体力学建模及其边界与初始条件；通过实验室堵塞试验，建立基于煤储层、煤粉物理属性、压裂裂缝多因素耦合的煤储层堵塞压裂裂缝的定量预测模型。项目所获认识为煤粉堵塞压裂裂缝的难题提供相关理论依据，尝试为完善煤粉堵塞压裂裂缝数学模型提供可以借鉴的思路。

中国煤层气井在开发过程中，大部分井需要进行压裂作业才能获得理想气产量，排采过程中煤粉堵塞压裂裂缝的现象经常发生。本项目对煤粉样进行矿物组份和内部结构测试，理论分析与计算煤粉在煤储层内的水流流态、煤粉存在形态与运移规律以及液-固-气相间作用规律；研究煤储层内液-固-气多流场的计算流体力学建模及其边界与初始条件；通过实验室堵塞试验，建立基于煤储层、煤粉物理属性、压裂裂缝多因素耦合的煤储层堵塞压裂裂缝的定量预测模型。. 研究认为煤粉中粘土矿物质含量在12.1%-18.1%之间，其主要成分为速敏性矿物高岭石，在高压差和高流速下易造成对储层的伤害，因此在施工中应避免过高的施工、生产压差。大规模注入/压降试井和水力压裂都会引起高岭石运移堵塞渗流通道。. 煤层气井在生产过程中，最终都会出现气水两相流，不可避免的导致细粒运移所需临界速度的降低和运移距离的增加，但在排采过程中，应缓慢降压，适度的延缓气体解吸时间，使储层在比较长的时间内，只有水的单相流动，这可以减缓流体携带细粒物质而造成的伤害。煤样的临界应力为2MPa，应力损害率为95%，样品中会出现贯通裂缝，割理、裂缝急剧闭合，显微镜下裂缝中煤粉充填严重。. 通过煤岩基质破坏机制的分析，煤储层在排水降压时，随着水和甲烷气的渗流速度变化，煤基质产生煤粉并堵塞内生裂隙，出煤粉量的多少与井筒附近煤层气储层发生的塑性变形有关，在煤粉量与气体流速达到一致时停止，气井产能增加。项目建立了煤粉在井筒附近压裂裂缝中的运动方程，获得煤粉的量与甲烷气体量呈线性递增关系。通过煤粉的运移过程分析发现煤层气井在排采时，甲烷气量的快速增加可使近井地带储层压力较快下降，煤粉更易产生。这主要是因为不合理排采制度易造成煤层压力激动，发生压敏、速敏效应，造成煤粉堵塞等储层伤害现象，降低了煤层气井产能，在煤层气井排采过程中，尽量确保排采的稳定性和连续性，有效地控制煤粉的产出量，实现煤层气井高稳产能。. 项目将非均匀地应力作用下的弹塑性变形问题简化为平面应变问题，忽略近井区域煤岩介质的内摩擦角，将其视为符合Tresca塑性条件，采用复变函数的保角映射方法，根据煤层气排采孔边界存在煤层气内压和弹塑性边界处应力连续的边界条件，得到了非均匀高地应力作用下，近井区域（即塑性流动区域）、弹塑性边界处位移和应力的求解公式。