宋 陽(yáng)

(中兵勘察設(shè)計(jì)研究院，北京 100000)

1 概述

煤層氣俗稱(chēng)“瓦斯”，是由煤在變質(zhì)作用過(guò)程中生成的以甲烷為主要成分，并且儲(chǔ)存在煤層中，具有自生自?xún)?chǔ)特征的天然氣。煤層氣排采過(guò)程中受各種因素的影響普遍存在煤粉產(chǎn)出問(wèn)題，煤粉的產(chǎn)出是制約煤層氣井連續(xù)穩(wěn)定排采的關(guān)鍵因素之一。煤粉產(chǎn)出影響煤層氣連續(xù)穩(wěn)定排采主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面。一方面，在水力壓裂形成人工裂縫的過(guò)程中，煤基質(zhì)破裂形成煤粉，造成煤屑和煤粉與支撐劑混合，滯留在裂縫孔道內(nèi)，降低裂縫的導(dǎo)流能力，使煤層氣井泄壓半徑過(guò)小，產(chǎn)氣后勁不足；另一方面，近井地帶的煤粉或在支撐裂縫通道中運(yùn)移出來(lái)的煤粉在井筒內(nèi)發(fā)生沉積，導(dǎo)致埋泵、卡泵和泵漏失等排采故障，需要進(jìn)行關(guān)井、修井維護(hù)，煤層氣井排采的中斷破壞氣、水和煤粉流態(tài)的連續(xù)性進(jìn)而影響產(chǎn)氣潛力。深入研究煤粉產(chǎn)出機(jī)理和運(yùn)移規(guī)律，對(duì)于合理管控煤粉產(chǎn)出，保障煤層氣井高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)具有十分重要的生產(chǎn)實(shí)際意義。

2 研究區(qū)地質(zhì)背景

2.1 自然地理?xiàng)l件

韓城地區(qū)位于陜西省關(guān)中平原北側(cè)東端，南北方向最長(zhǎng)處達(dá)50.2 km，東西方向最寬處達(dá)42.5 km，區(qū)域整體呈現(xiàn)出南北方向長(zhǎng)，東西方向窄的長(zhǎng)條形延展，是陜西省重要的煤炭工業(yè)基地。在行政區(qū)劃上，韓城市在地理上位于西安市的東北部，其北部、南部、東部、西部四個(gè)方向上分別是宜川縣、合陽(yáng)縣、山西的幾個(gè)縣、黃龍縣。區(qū)內(nèi)地勢(shì)西北高東南低，西部多深山，山嶺呈梁狀，以大嶺海拔最高，高達(dá)1 780 m，南部芝川口的海拔最低，為357 m。

區(qū)內(nèi)地貌類(lèi)型復(fù)雜，以深山和丘陵為主。該區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，氣侯溫和，光照充足，雨量較多。年平均氣溫13.5 ℃，平均降雨量559.7 mm，無(wú)霜期208 d，日照2 436 h。但雨量不均，多集中于7月～9月，陣雨多，強(qiáng)度大，水土流失嚴(yán)重。

2.2 區(qū)域地質(zhì)特征

韓城區(qū)塊位于渭北隆起帶，晉西撓褶帶和陜北斜坡的交界地帶，煤層氣開(kāi)發(fā)區(qū)的主體部分位于渭北隆起帶內(nèi)。按照區(qū)域大地構(gòu)造位置劃分(見(jiàn)圖1)，韓城區(qū)塊處于一個(gè)相對(duì)較為復(fù)雜的大地構(gòu)造位置上，除了其北部與穩(wěn)定的鄂爾多斯地塊相鄰?fù)?，其南部、東部均通過(guò)地塹與相鄰的褶皺帶和隆起帶相接，西部與鄂爾多斯盆地西緣的逆沖構(gòu)造帶相望。

3 煤粉運(yùn)移產(chǎn)出的模擬實(shí)驗(yàn)方案

3.1 實(shí)驗(yàn)原理和目的

基于煤層氣開(kāi)采中的壓裂施工導(dǎo)致的煤粉產(chǎn)出的差異性，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)選取不同粒徑的煤粉顆粒樣品進(jìn)行對(duì)比性物理模擬實(shí)驗(yàn)，模擬煤層氣井排采生產(chǎn)中不同條件下的排水強(qiáng)度狀態(tài)，分析驅(qū)替流速這一單一因素對(duì)煤粉產(chǎn)出的動(dòng)態(tài)影響，模擬不同粒徑的煤粉在支撐裂縫中的運(yùn)移情況，分析水力壓裂后排采階段，煤粉在支撐裂縫中的運(yùn)移對(duì)支撐裂隙系統(tǒng)滲透率的影響特征。

3.2 實(shí)驗(yàn)方案

在前人研究的基礎(chǔ)上深入探究煤粉在支撐裂縫中的運(yùn)移情況，設(shè)計(jì)了物理模擬實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。

表1 煤粉粒徑差異對(duì)煤粉產(chǎn)出的影響

3.3 實(shí)驗(yàn)方法與步驟

探究不同粒徑煤粉進(jìn)入支撐裂隙后運(yùn)移產(chǎn)出情況，實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：

1)初始圍壓為5 MPa，驅(qū)替流速分別為5 mL/min,15 mL/min,25 mL/min，共三組，支撐裂隙系統(tǒng)中煤粉粒徑為230目以下煤粉顆粒。

2)使用去離子水在0.5 mL/min的條件下進(jìn)行試樣飽和，飽和2 h。

3)改變驅(qū)替流速為25 mL/min，進(jìn)行煤粉驅(qū)替導(dǎo)流實(shí)驗(yàn)，在出口端用燒杯收集產(chǎn)出的驅(qū)替液，驅(qū)替2 h，記錄驅(qū)替過(guò)程中的驅(qū)替壓力和圍壓。

4)驅(qū)替完畢后，用游標(biāo)卡尺測(cè)量試件的長(zhǎng)度，通過(guò)達(dá)西定律計(jì)算滲透率，根據(jù)記錄的驅(qū)替壓力和流速計(jì)算得到滲透率的值。

5)更換相同粒徑的煤粉模擬試件，分別完成流速為5 mL/min和15 mL/min的驅(qū)替過(guò)程， 更換另外兩組粒徑的煤粉模擬試件，重復(fù)步驟2)，3)，4)的過(guò)程。

其中達(dá)西定律的假設(shè)前提：流體與巖石之間不發(fā)生任何物理—化學(xué)反應(yīng)；滲流介質(zhì)中只存在一種流體，巖石需要100%飽和流體；流體必須是層流范圍內(nèi)。滲透率取決吼道的大小和分布特征，與通過(guò)的流體性質(zhì)無(wú)關(guān)。

其中，Q為在壓差ΔP下，通過(guò)支撐劑模擬試件的流量，cm3/s；A為模擬試件的橫截面積，cm2；L為模擬試件的長(zhǎng)度，cm；μ為通過(guò)模擬試件的驅(qū)替流體粘度，MPa·s；ΔP為流體通過(guò)模擬試件前后的壓力差，atm；K為比例系數(shù)，稱(chēng)為該孔隙介質(zhì)的絕對(duì)滲透率，達(dá)西D。

采用過(guò)濾器過(guò)濾產(chǎn)出的煤粉，然后用真空恒溫烘干箱將流體中煤粉進(jìn)行烘干；把烘干的煤粉采用精密的電子天平稱(chēng)重；取少量煤粉在掃描電鏡下觀察煤粉的顯微形態(tài)、粒度及物質(zhì)成分。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，我們可以從產(chǎn)出煤粉的質(zhì)量特征、礦物學(xué)特征(粒度、形態(tài)、物質(zhì)成分)、支撐劑導(dǎo)流通道的滲透率變化特征等角度進(jìn)行分析，研究煤粉的產(chǎn)出規(guī)律與特征。

4 煤粉運(yùn)移物理模擬實(shí)驗(yàn)

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)前的煤粉樣品及各組實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)出的煤粉樣進(jìn)行煤粉質(zhì)量、粒度、形態(tài)、顯微組分及產(chǎn)出煤粉滲透率變化的對(duì)比分析方法來(lái)研究煤粉產(chǎn)出影響因素及產(chǎn)出規(guī)律，分析不同粒度煤粉在支撐裂縫通道中運(yùn)移產(chǎn)出規(guī)律的異同。

為了研究不同粒徑煤粉運(yùn)移對(duì)煤粉產(chǎn)出的影響，則需保持在相同的圍壓大小和驅(qū)替流速條件下分別選取<63 μm，63 μm～125 μm，125 μm～200 μm的煤粉樣品作為支撐劑中運(yùn)移的煤粉顆粒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最終觀察實(shí)驗(yàn)產(chǎn)出煤粉情況，并從煤粉產(chǎn)出量、煤粉產(chǎn)出粒度及滲透率變化進(jìn)行分析煤粉粒徑對(duì)煤粉產(chǎn)出的影響。

4.1 煤粉產(chǎn)出量分析

對(duì)各實(shí)驗(yàn)產(chǎn)出的煤粉液樣進(jìn)行過(guò)濾、烘干和稱(chēng)重，得到不同粒徑的煤粉在各實(shí)驗(yàn)條件下從支撐劑中運(yùn)移產(chǎn)出的煤粉樣品重量。煤粉產(chǎn)出量與煤粉粒徑之間的關(guān)系如圖2所示。

結(jié)果表明，在等圍壓、等流速的實(shí)驗(yàn)中，相同條件下煤粉產(chǎn)出量對(duì)比為粒徑<63 μm的煤粉顆粒>粒徑63 μm～125 μm的煤粉顆粒>125 μm～300 μm的煤粉顆粒。粒徑為125 μm～200 μm的煤粉顆粒在支撐裂縫中運(yùn)移產(chǎn)出的煤粉重量明顯低于其他兩組粒徑。初步分析認(rèn)為支撐劑的堆積產(chǎn)生的有效容納空間是一定的，煤粉顆粒粒徑較大時(shí)，煤粉和石英砂支撐劑共同堆積形成緊密的堆積空間，由于煤粉的硬度低于石英砂，在堆積過(guò)程中會(huì)破碎產(chǎn)生更小顆粒的煤粉，這部分煤粉在支撐劑裂縫通道中是可以運(yùn)移的；煤粉粒徑較小時(shí)，支撐劑堆積產(chǎn)生的孔隙空間足夠大，煤粉可以通過(guò)裂隙通過(guò)運(yùn)移出來(lái)。

4.2 煤粉產(chǎn)出粒度分析

相同流速條件下，不同粒徑煤粉在支撐劑中運(yùn)移產(chǎn)出的煤粉粒度特征如圖3所示。流速為5 mL/min時(shí)，不同粒徑的煤粉產(chǎn)出平均粒度，粒徑<63 μm的煤粉產(chǎn)出平均粒度明顯高于63 μm～125 μm的粒徑；流速為15 mL/min和25 mL/min時(shí)，不同粒徑的煤粉產(chǎn)出平均粒度差不多，均在20 μm以下，平均粒度對(duì)比均為粒徑小于63 μm>粒徑125 μm～200 μm>63 μm～125 μm，并沒(méi)有明顯的分布規(guī)律?？傮w來(lái)看，煤粉粒徑小于63 μm的煤粉在支撐劑中運(yùn)移后產(chǎn)出的平均粒度大，粒徑63 μm～125 μm和125 μm～200 μm的煤粉產(chǎn)出平均粒度相似，在煤粉粒徑為63 μm～125 μm和125 μm～200 μm煤粉產(chǎn)出的平均粒度均小于各自的粒徑范圍。分析認(rèn)為，支撐劑粒間沒(méi)有足夠大的孔吼容納63 μm～125 μm以及125 μm～200 μm的煤粉顆粒，這種大顆粒的煤粉在壓制過(guò)程中與支撐劑顆粒之間相互擠壓摩擦發(fā)生了再次破碎，因而形成了粒度更小的煤粉，這與掃描電鏡的觀察結(jié)果也是相一致的。

4.3 煤粉產(chǎn)出滲透率變化分析

研究煤粉粒度差異對(duì)煤粉產(chǎn)出滲透率的影響，則需在相同實(shí)驗(yàn)條件下分析同一煤層的不同煤粉粒度的煤樣產(chǎn)出煤粉滲透率的異同。流速相同時(shí)，不同煤粉粒徑在支撐裂縫中運(yùn)移后穩(wěn)定的滲透率如圖4所示，低流速的條件下，滲透率隨著煤粉粒徑的增大而增大，流速適中時(shí)和流速較大時(shí)，粒徑63 μm～125 μm的滲透率最小，小于63 μm粒徑的煤粉滲透率最大，125 μm～200 μm粒徑的煤粉滲透率中等。結(jié)果表明，小粒徑的煤粉在較高的流速下易于發(fā)生運(yùn)移產(chǎn)生更多的煤粉，流速較低時(shí)小粒徑的煤粉由于其比重小，吸附作用強(qiáng)，疏水性強(qiáng)， 煤粉容易滯留于支撐裂縫通道中，堵塞支撐粒間的孔吼，使得支撐裂縫的滲透率下降。至于粒徑63μm～125μm和125μm～200μm的滲透率在不同流速下呈現(xiàn)出了不同的趨勢(shì)，有待進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

5.1 不同驅(qū)替流速條件下煤粉產(chǎn)出運(yùn)移規(guī)律

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)其他實(shí)驗(yàn)條件相同時(shí)，煤粉產(chǎn)出隨著驅(qū)替液流速的增大，煤粉產(chǎn)出量均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，驅(qū)替流速?gòu)? mL/min增長(zhǎng)到15 mL/min時(shí)，不同粒徑的煤粉產(chǎn)出量急劇增加，當(dāng)流速為25 mL/min時(shí)，煤粉產(chǎn)出量急劇減少，但仍然多于流速5 mL/min時(shí)的煤粉產(chǎn)出量。

三種粒徑的煤粉在支撐劑中運(yùn)移過(guò)程中，支撐裂縫導(dǎo)流系統(tǒng)的滲透率變化并不是一個(gè)穩(wěn)定而有規(guī)律的過(guò)程，在驅(qū)替的過(guò)程中不同流速條件下的滲透率均發(fā)生了波動(dòng)，滲透率隨著流速的增大均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為在流速小時(shí)滲透率低，導(dǎo)流能力小，在流速適中時(shí)滲透率高，導(dǎo)流能力大，流速過(guò)高時(shí)滲透率下降，導(dǎo)流能力變小的特征。

5.2 不同煤粉粒徑條件下煤粉產(chǎn)出運(yùn)移規(guī)律

在等圍壓、等流速的實(shí)驗(yàn)中，煤粉粒徑對(duì)煤粉產(chǎn)出的影響是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的過(guò)程，相同條件下煤粉產(chǎn)出量隨著煤粉粒徑的增大，煤粉產(chǎn)出量顯著減少，不同粒徑煤粉在支撐劑中運(yùn)移產(chǎn)出的平均煤粉粒度與煤粉粒徑之間沒(méi)有明顯的規(guī)律，總體來(lái)看煤粉粒徑小于63 μm的煤粉在支撐劑中運(yùn)移后產(chǎn)出的平均粒度大。低流速的條件下，滲透率隨著煤粉粒徑的增大而增大，流速適中時(shí)和流速較大時(shí)，粒徑63 μm～125 μm的滲透率最小，小于63 μm粒徑的煤粉滲透率最大，125 μm～200 μm粒徑的煤粉滲透率中等，小粒徑的煤粉在較高的流速下易于發(fā)生運(yùn)移產(chǎn)生更多的煤粉。

以上通過(guò)煤粉在支撐劑中運(yùn)移的物理模擬實(shí)驗(yàn)，研究了煤粉產(chǎn)出的關(guān)鍵影響因素煤粉粒徑與煤粉運(yùn)移產(chǎn)出規(guī)律特征之間的相互關(guān)系，并獲得了初步的認(rèn)識(shí)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析來(lái)看煤粉的運(yùn)移產(chǎn)出是一個(gè)復(fù)雜和綜合因素相結(jié)合的過(guò)程，研究難度大，目前仍存在不少的問(wèn)題和不足之處，有待進(jìn)一步研究與探討。