大斜度井段排采泵三层流场低速液流携粉运移特性

分析大斜度井段排采泵的泵筒3层流场及其液流携粉运移特性对提高排采泵的可靠性和保障煤系地层水平井和斜井的连续稳定排采具有重要意义。综合大斜度、低流速和低黏度等多因素耦合的作用,并结合大斜度泵低速液流携粉运移实验测试与分析结果,提出适用于大斜度井段排采泵低速流场的静止层、移动层与悬浮层3层流动模型,推导大斜度泵腔3层流场连续性方程、动量方程和扩散方程,建立水粉两相流动数学模型并依据数值求解和井场测试结果揭示大斜度泵分层流场低速液流携粉运移特性,为水平井和斜井的大斜度泵选型设计及其系统优化以及冲程和冲次等排采制度和煤粉防控措施制订提供依据。结果表明,大斜度井段泵腔三相流场中,增大泵倾斜角和煤粉密度会增加悬浮层和移动层的压力梯度,其中泵倾斜角的影响尤为显著,移动层压力梯度受煤粉密度的影响相对较弱;增大水粉两相流煤粉体积分数时,移动层沿程压力损失始终增加,而悬浮层压力损失先是不断增加而后逐渐减弱;增大水粉两相流黏度会增加悬浮层和移动层的压力梯度,而增大液流携粉运移流量时,移动层沿程压力损失持续减小,且流量越大时压力损失减小的趋势越明显,而悬浮层的压力损失先是显著减小而后趋向平缓;大斜度井段柱塞伴随杆柱运动的过程中,大斜度泵入口处的水粉两相流煤粉体积分数随柱塞速度不断减小而逐渐增大,且速度波动对3层流场中悬浮层煤粉沉积的影响要小于其他2层。

煤储层排采液流携粉运移模型与产出规律

基于液固两相流理论建立煤层液流渗流数学模型,并给出描述煤岩产气通道流动状态的偏微分方程和煤层液流携粉运移特征的数学模型,依据数值求解结果分析产气通道中的液流压力和流速以及煤粉随液流运移的浓度分布情况。结果表明,煤储层近井区域液流高流速状态使得通道液流中的含煤粉量达到最高值,排采初期较大的排液量和压差波动使得其煤粉产出较多,而稳产阶段的产液量减小且煤储层与井底间的生产压差降低使得通道中煤粉浓度较低,生产压差由2.05 MPa提高到3.05 MPa后,产气通道各节点最大含煤粉量由0.112%迅速升至0.608%;且稳产阶段煤层泄流体产气通道孔径的增大,会进一步降低通道中煤粉浓度,产气通道高度由0.30 mm扩大到0.90 mm,产气通道各节点最大含煤粉量则由0.759%降至0.160%。该算法提出煤储层泄流体煤岩产气通道管流的概念并定量描述排采液流携煤粉运移的特征,为准确预测煤层气井排采中的煤粉产出情况和制定合理的防煤粉措施提供了依据。

煤系地层井下泵液流携煤粉运移特性分析

研究煤粉随液流的运移特性是解决煤系地层卡泵问题的关键,基于液流和煤粉两相流动力学分析,建立井下泵液流运动和煤粉随液流运移的数学模型,依据数值求解和仿真分析结果揭示不同抽吸工况下液流携煤粉运移特性。结果表明,井下泵内煤粉随液流运移的速度逐渐减小,阀孔两侧出现涡流现象,大量煤粉运移速度逐渐降低;泵入口液流速度较低时,部分较大颗粒煤粉在阀孔沿径向的下部一侧发生沉降,造成泵腔底部煤粉浓度较大;井下泵柱塞和泵筒间配合余隙内的煤粉浓度从泵入口处沿轴向逐渐降低,且煤粉浓度随泵深井斜角度的增大而迅速提升并在靠近泵筒腔壁处达到最大值。该研究系统分析了井下泵液流携煤粉运移特性,为煤系地层井下防煤粉泵的设计及其排采制度的制定提供了重要依据。