不同粒径煤粉在支撑裂缝中的运移产出规律研究

宋 阳

(中兵勘察设计研究院，北京 100000)

1 概述

煤层气俗称“瓦斯”，是由煤在变质作用过程中生成的以甲烷为主要成分，并且储存在煤层中，具有自生自储特征的天然气。煤层气排采过程中受各种因素的影响普遍存在煤粉产出问题，煤粉的产出是制约煤层气井连续稳定排采的关键因素之一。煤粉产出影响煤层气连续稳定排采主要表现在两个方面。一方面，在水力压裂形成人工裂缝的过程中，煤基质破裂形成煤粉，造成煤屑和煤粉与支撑剂混合，滞留在裂缝孔道内，降低裂缝的导流能力，使煤层气井泄压半径过小，产气后劲不足；另一方面，近井地带的煤粉或在支撑裂缝通道中运移出来的煤粉在井筒内发生沉积，导致埋泵、卡泵和泵漏失等排采故障，需要进行关井、修井维护，煤层气井排采的中断破坏气、水和煤粉流态的连续性进而影响产气潜力。深入研究煤粉产出机理和运移规律，对于合理管控煤粉产出，保障煤层气井高产、稳产具有十分重要的生产实际意义。

2 研究区地质背景

2.1 自然地理条件

韩城地区位于陕西省关中平原北侧东端，南北方向最长处达50.2 km，东西方向最宽处达42.5 km，区域整体呈现出南北方向长，东西方向窄的长条形延展，是陕西省重要的煤炭工业基地。在行政区划上，韩城市在地理上位于西安市的东北部，其北部、南部、东部、西部四个方向上分别是宜川县、合阳县、山西的几个县、黄龙县。区内地势西北高东南低，西部多深山，山岭呈梁状，以大岭海拔最高，高达1 780 m，南部芝川口的海拔最低，为357 m。

区内地貌类型复杂，以深山和丘陵为主。该区属暖温带大陆性季风气候，四季分明，气侯温和，光照充足，雨量较多。年平均气温13.5 ℃，平均降雨量559.7 mm，无霜期208 d，日照2 436 h。但雨量不均，多集中于7月～9月，阵雨多，强度大，水土流失严重。

2.2 区域地质特征

韩城区块位于渭北隆起带，晋西挠褶带和陕北斜坡的交界地带，煤层气开发区的主体部分位于渭北隆起带内。按照区域大地构造位置划分(见图1)，韩城区块处于一个相对较为复杂的大地构造位置上，除了其北部与稳定的鄂尔多斯地块相邻外，其南部、东部均通过地堑与相邻的褶皱带和隆起带相接，西部与鄂尔多斯盆地西缘的逆冲构造带相望。

3 煤粉运移产出的模拟实验方案

3.1 实验原理和目的

基于煤层气开采中的压裂施工导致的煤粉产出的差异性，本实验通过选取不同粒径的煤粉颗粒样品进行对比性物理模拟实验，模拟煤层气井排采生产中不同条件下的排水强度状态，分析驱替流速这一单一因素对煤粉产出的动态影响，模拟不同粒径的煤粉在支撑裂缝中的运移情况，分析水力压裂后排采阶段，煤粉在支撑裂缝中的运移对支撑裂隙系统渗透率的影响特征。

3.2 实验方案

在前人研究的基础上深入探究煤粉在支撑裂缝中的运移情况，设计了物理模拟实验方案如表1所示。

表1 煤粉粒径差异对煤粉产出的影响

3.3 实验方法与步骤

探究不同粒径煤粉进入支撑裂隙后运移产出情况，实验过程如下：

1)初始围压为5 MPa，驱替流速分别为5 mL/min,15 mL/min,25 mL/min，共三组，支撑裂隙系统中煤粉粒径为230目以下煤粉颗粒。

2)使用去离子水在0.5 mL/min的条件下进行试样饱和，饱和2 h。

3)改变驱替流速为25 mL/min，进行煤粉驱替导流实验，在出口端用烧杯收集产出的驱替液，驱替2 h，记录驱替过程中的驱替压力和围压。

4)驱替完毕后，用游标卡尺测量试件的长度，通过达西定律计算渗透率，根据记录的驱替压力和流速计算得到渗透率的值。

5)更换相同粒径的煤粉模拟试件，分别完成流速为5 mL/min和15 mL/min的驱替过程， 更换另外两组粒径的煤粉模拟试件，重复步骤2)，3)，4)的过程。

其中达西定律的假设前提：流体与岩石之间不发生任何物理—化学反应；渗流介质中只存在一种流体，岩石需要100%饱和流体；流体必须是层流范围内。渗透率取决吼道的大小和分布特征，与通过的流体性质无关。

其中，Q为在压差ΔP下，通过支撑剂模拟试件的流量，cm3/s；A为模拟试件的横截面积，cm2；L为模拟试件的长度，cm；μ为通过模拟试件的驱替流体粘度，MPa·s；ΔP为流体通过模拟试件前后的压力差，atm；K为比例系数，称为该孔隙介质的绝对渗透率，达西D。

采用过滤器过滤产出的煤粉，然后用真空恒温烘干箱将流体中煤粉进行烘干；把烘干的煤粉采用精密的电子天平称重；取少量煤粉在扫描电镜下观察煤粉的显微形态、粒度及物质成分。通过上述实验，我们可以从产出煤粉的质量特征、矿物学特征(粒度、形态、物质成分)、支撑剂导流通道的渗透率变化特征等角度进行分析，研究煤粉的产出规律与特征。

4 煤粉运移物理模拟实验

通过对实验前的煤粉样品及各组实验过程中产出的煤粉样进行煤粉质量、粒度、形态、显微组分及产出煤粉渗透率变化的对比分析方法来研究煤粉产出影响因素及产出规律，分析不同粒度煤粉在支撑裂缝通道中运移产出规律的异同。

为了研究不同粒径煤粉运移对煤粉产出的影响，则需保持在相同的围压大小和驱替流速条件下分别选取<63 μm，63 μm～125 μm，125 μm～200 μm的煤粉样品作为支撑剂中运移的煤粉颗粒进行实验，最终观察实验产出煤粉情况，并从煤粉产出量、煤粉产出粒度及渗透率变化进行分析煤粉粒径对煤粉产出的影响。

4.1 煤粉产出量分析

对各实验产出的煤粉液样进行过滤、烘干和称重，得到不同粒径的煤粉在各实验条件下从支撑剂中运移产出的煤粉样品重量。煤粉产出量与煤粉粒径之间的关系如图2所示。

结果表明，在等围压、等流速的实验中，相同条件下煤粉产出量对比为粒径<63 μm的煤粉颗粒>粒径63 μm～125 μm的煤粉颗粒>125 μm～300 μm的煤粉颗粒。粒径为125 μm～200 μm的煤粉颗粒在支撑裂缝中运移产出的煤粉重量明显低于其他两组粒径。初步分析认为支撑剂的堆积产生的有效容纳空间是一定的，煤粉颗粒粒径较大时，煤粉和石英砂支撑剂共同堆积形成紧密的堆积空间，由于煤粉的硬度低于石英砂，在堆积过程中会破碎产生更小颗粒的煤粉，这部分煤粉在支撑剂裂缝通道中是可以运移的；煤粉粒径较小时，支撑剂堆积产生的孔隙空间足够大，煤粉可以通过裂隙通过运移出来。

4.2 煤粉产出粒度分析

相同流速条件下，不同粒径煤粉在支撑剂中运移产出的煤粉粒度特征如图3所示。流速为5 mL/min时，不同粒径的煤粉产出平均粒度，粒径<63 μm的煤粉产出平均粒度明显高于63 μm～125 μm的粒径；流速为15 mL/min和25 mL/min时，不同粒径的煤粉产出平均粒度差不多，均在20 μm以下，平均粒度对比均为粒径小于63 μm>粒径125 μm～200 μm>63 μm～125 μm，并没有明显的分布规律。总体来看，煤粉粒径小于63 μm的煤粉在支撑剂中运移后产出的平均粒度大，粒径63 μm～125 μm和125 μm～200 μm的煤粉产出平均粒度相似，在煤粉粒径为63 μm～125 μm和125 μm～200 μm煤粉产出的平均粒度均小于各自的粒径范围。分析认为，支撑剂粒间没有足够大的孔吼容纳63 μm～125 μm以及125 μm～200 μm的煤粉颗粒，这种大颗粒的煤粉在压制过程中与支撑剂颗粒之间相互挤压摩擦发生了再次破碎，因而形成了粒度更小的煤粉，这与扫描电镜的观察结果也是相一致的。

4.3 煤粉产出渗透率变化分析

研究煤粉粒度差异对煤粉产出渗透率的影响，则需在相同实验条件下分析同一煤层的不同煤粉粒度的煤样产出煤粉渗透率的异同。流速相同时，不同煤粉粒径在支撑裂缝中运移后稳定的渗透率如图4所示，低流速的条件下，渗透率随着煤粉粒径的增大而增大，流速适中时和流速较大时，粒径63 μm～125 μm的渗透率最小，小于63 μm粒径的煤粉渗透率最大，125 μm～200 μm粒径的煤粉渗透率中等。结果表明，小粒径的煤粉在较高的流速下易于发生运移产生更多的煤粉，流速较低时小粒径的煤粉由于其比重小，吸附作用强，疏水性强， 煤粉容易滞留于支撑裂缝通道中，堵塞支撑粒间的孔吼，使得支撑裂缝的渗透率下降。至于粒径63μm～125μm和125μm～200μm的渗透率在不同流速下呈现出了不同的趋势，有待进一步研究。

5 结论

5.1 不同驱替流速条件下煤粉产出运移规律

实验结果表明，当其他实验条件相同时，煤粉产出随着驱替液流速的增大，煤粉产出量均呈现出先增大后减小的趋势，驱替流速从5 mL/min增长到15 mL/min时，不同粒径的煤粉产出量急剧增加，当流速为25 mL/min时，煤粉产出量急剧减少，但仍然多于流速5 mL/min时的煤粉产出量。

三种粒径的煤粉在支撑剂中运移过程中，支撑裂缝导流系统的渗透率变化并不是一个稳定而有规律的过程，在驱替的过程中不同流速条件下的渗透率均发生了波动，渗透率随着流速的增大均呈现先增大后减小的趋势，具体表现为在流速小时渗透率低，导流能力小，在流速适中时渗透率高，导流能力大，流速过高时渗透率下降，导流能力变小的特征。

5.2 不同煤粉粒径条件下煤粉产出运移规律

在等围压、等流速的实验中，煤粉粒径对煤粉产出的影响是一个相对复杂的过程，相同条件下煤粉产出量随着煤粉粒径的增大，煤粉产出量显著减少，不同粒径煤粉在支撑剂中运移产出的平均煤粉粒度与煤粉粒径之间没有明显的规律，总体来看煤粉粒径小于63 μm的煤粉在支撑剂中运移后产出的平均粒度大。低流速的条件下，渗透率随着煤粉粒径的增大而增大，流速适中时和流速较大时，粒径63 μm～125 μm的渗透率最小，小于63 μm粒径的煤粉渗透率最大，125 μm～200 μm粒径的煤粉渗透率中等，小粒径的煤粉在较高的流速下易于发生运移产生更多的煤粉。

以上通过煤粉在支撑剂中运移的物理模拟实验，研究了煤粉产出的关键影响因素煤粉粒径与煤粉运移产出规律特征之间的相互关系，并获得了初步的认识。从实验结果分析来看煤粉的运移产出是一个复杂和综合因素相结合的过程，研究难度大，目前仍存在不少的问题和不足之处，有待进一步研究与探讨。