沁水盆地柿庄地区煤粉发育特征及其对产出的影响

韩文龙 ，王延斌 ，王 力 ，赵石虎

（1.深圳大学 土木与交通工程学院，广东 深圳 518060；2.中国矿业大学（北京） 地球科学与测绘工程学院，北京 100083；3.中联煤层气有限责任公司，北京 100011）

我国大多数含煤盆地经历了多期构造演化，导致煤层中构造煤和煤粉较为发育[1-2]；同时，受煤岩自身特殊的力学性质的影响，在煤层气开发过程中极易产生煤粉、煤泥、煤焦及其他固相颗粒（统称煤粉）[1-3]。产出的煤粉在井筒中凝结成块，引发卡泵和凡尔赛漏失等生产事故，影响排采工作的连续性，导致排采时效降低[4-6]；同时，频繁的停机或长时间的修井作业会造成速敏和水敏等储层伤害，进而导致煤层气井产气量的降低，煤粉问题直接影响了单井产气量稳定和提升[7-8]。

当前国内外围绕煤粉的生成、产出和控制方面展开了大量研究。煤粉生成是地质因素和开发因素双重作用的结果[9]，可分为原生煤粉和次生煤粉[10-11]。煤粉物质组成包括有机质组分和无机矿物，且不同地区也存在较大的差异。专家学者基于现场监测、物理模拟实验、理论分析和数值模拟等方法对煤粉运移机理和产出特征进行了研究，构建了煤粉颗粒理想化条件下的启动-运移数学模型[12]；提出了合理控制煤层井的工作压差、采用携煤粉能力较大的螺杆泵进行排采、在螺杆泵接防砂尾管结合油套环空、井筒中注水稀释等的防控措施；设计了机械滤煤粉管、防煤粉排采泵和挂篮式沉砂管等新型排采设备，为煤层气井的排采、捞砂一体化奠定了基础[1,13-14]。

因此，基于钻井取心、测井资料、排采数据和煤层气井产煤粉监测和粒度测试等数据，对沁水盆地柿庄地区煤粉发规律及其对产出的影响特征进行了系统的分析，以期为研究区及其相邻区块煤粉管控提供地质支撑和理论指导。

1 研究区概况

研究区位于沁水盆地中南部地区，主采煤层为山西组的3#煤，煤层埋深为496 ～ 1 267 m，平均为787 m，由东南向西北逐渐变深，煤层厚度5.04 ～ 7.16 m，平均6.11 m。3#煤层整体构造特征表现出北部以断层为主和南部褶皱为主的构造特征，断层主要集中在北部地区，呈NS 或NNE 向展布，发育规模较小，其中寺头断层为区域性大断层，位于研究区中部[15]。南部地区整体为一向西倾斜的单斜构造，倾角较小，多在5°之下，局部地层受构造运动影响可达16°，并发育大量次级褶皱以及小型陷落柱。

2 煤粉产生机理及发育规律

2.1 原生煤粉发育规律

2.1.1 原生煤粉产生成机理

正断层形成机理图如图1。

图1 正断层形成机理图[16]Fig.1 Normal fault formation mechanism diagram

断裂是构造应力高度集中的结果，并导致其附近的应力重新分布。在断层形成过程中，断层带中的煤层在2 个断层块之间受到强烈的剪切作用，致使煤体结构破碎。同时，断裂面附近上盘的煤岩在初始断裂时受到主应力的作用，沿断裂面产生剪切应力。该剪应力穿过断层带到达断层下盘煤岩，并形成与断层面平行的小断层或相交的小角度裂缝。活动较为强烈的地方产生煤岩的揉碎和破裂，进而形成煤粉发育区。断层活动对煤粉生成主要为断层扰动带内，对正断层来说，断层上盘发生揉皱，煤层的破坏作用最为严重，且影响范围较下盘大，形成煤粉量较多。但相对于逆断层，正断层对煤体的破坏范围相对较小[16]。

煤层在水平应力作用下发生弯曲变形，在层之间接触平面附近引起剪切应力集中。在剪应力的作用下，坚硬的顶板岩层会破坏较软的煤层，从而导致煤体结构在接触面处破碎。煤层经历多次构造演化时，由于多次变形叠加导致该区域变得更加破碎，破碎的煤体可以进一步磨成细粉，最终导致沿煤层和顶板之间的接触分布几乎水平的软煤层。同时，在上覆岩层垂直压实作用下，细粉状软煤形成局部块体[16]。褶皱形成过程中的应力特征图如图2。

图2 褶皱形成过程中的应力特征图[16]Fig.2 Stress characteristics during fold formation

2.1.2 基于测井信息的原生煤粉发育规律

基于测井信息的煤构造识别可分为以下几个步骤[17]：①根据煤样岩心的观察和描述结果确定煤结构类型；②分析不同结构煤样深度校正后测井参数的响应特征；③根据测井参数响应特征，判断无煤岩心井煤体结构。

对127 个典型煤样测井值的统计结果表明，有3 类测井曲线对煤结构有强烈响应：声波时差测井（AC）、自然伽马测井（GR）和井径测井（CAL）。测井信息与煤体结构关系特征图如图3。

图3 测井信息与煤体结构关系特征图Fig.3 Relationship between log information and coal structure

根据煤体结构垂向特征进行煤粉发育区的划分，具体划分原则如下：首先，将煤层等分为上中下3 部分；然后，计算每一部分糜棱结构煤和碎粒结构煤厚度含量的百分比：当2 种煤体结构占比之和超过30%时，则称该部分为煤粉发育区；小于10%时，则称该部分为煤粉不发育区；处于10% ～ 30%之间，则为煤粉较少发育区。根据上述原则，共将研究区划分为5 个煤粉发育特征分区：煤粉发育复杂区、煤层底部发育煤粉区、煤粉不发育区、煤粉较少发育区和煤层顶底发育煤粉区。

原生煤粉发育特征分布图如图4。

图4 原生煤粉发育特征分布图Fig.4 Coal fine distribution map

a 区为煤粉发育复杂区，该区域的煤体结构以碎裂-碎粒煤为主，垂向变化较大，相对复杂；b区为煤层底部发育煤粉区，煤层中下部含夹矸，碎裂-碎粒煤为主，煤粉主要分布在煤层底部，局部地区顶部发育煤粉；c 区煤粉不发育区，煤体结构以原生-碎裂煤为主，组合较为简单；d 区煤层底部发育煤粉区，以碎裂-碎粒结构为主，垂向分布复杂，煤粉主要发育在煤层底部；e 区同样为煤粉不发育区，该区的碎裂+原生结构煤发育且位于上部，煤粉发育较少且位于中下部；f 区为煤粉较少发育区，以碎裂为主，煤粉很少发育，可能在底部或局部地区顶部发育；g 区为煤层顶底发育煤粉区，煤体结构以碎粒-碎裂为主，煤粉一般发育在顶部和底部；h 区为煤粉发育复杂区，煤体结构类型及组合复杂，煤粉赋存特征垂向上变化较大，很难有一定的规律性。图中白色区域为开发程度较低地区，并不是研究的重点，因此未进行评价。

2.2 次生煤粉发育规律

钻井过程中产生的煤粉主要分布在井筒附近，其形成方式主要有钻具对煤岩的机械打磨、钻井液与煤岩的化学伤害、钻压造成的煤岩应力状态改变、固井水泥对煤岩的伤害，射孔过程中的打磨作用等[1,18]。在水力压裂过程中，随着压裂液和支撑剂在高压下高速渗透，由于新裂缝的表面相对粗糙，从而对裂缝的壁进行冲击和摩擦，进而产生了大量新的煤粉；这些煤粉在压裂裂缝中形成聚集体，或与压裂液一起运移到天然裂隙中，多数煤层气生产过程中与煤层中的水和气体一起产出。煤层气排采过程中产生煤粉的主要原因包括排采强度变化对煤岩的冲蚀破坏、气体解吸过程中煤岩收缩产生的应力对煤岩的破坏和排采不连续引发的储层压力变化。排采过程中产生的煤粉一般分布在压裂缝、天然裂隙和解吸孔隙中，颗粒较小。

3 煤粉产出特征

3.1 样品采集与处理

系统长时间采集煤层气井产出水，将具有含煤粉的煤层水收集在干净的5 L 桶中。煤粉水样运输到实验室后，将水静置12～24 h，煤粉完全沉降后，将水排干。将沉淀物置于滤纸上，并用蒸馏水洗涤3 ～ 5 次，随后将置于坩埚中，在干燥箱50 ℃的温度 下干燥12 h。干燥后的煤粉凝固成块状，将其放入烧杯中，加入蒸馏水，待煤粉完全浸湿后轻轻用玻璃棒搅拌开。然后用磁棒进行去磁处理，处理后将煤粉放入密封袋中保存。煤粉样品处理图如图5。

图5 煤粉样品处理图Fig.5 Coal fines sample processing diagram

3.2 产出煤粉质量分数

产出液煤粉质量分数测试原理图如图6。

高精度井底压力计和高精度井底压力计固定在油管的外壁，通过数据传输电缆与数据记录仪的输入端相连。高精度井底压力计与高精度井底压力计间隔h（h一般取20 m）。

测试标定过程如下：

1）计算地层液密度。

式中： ρ为地层密度，kg/m3； Δp为2 个压力计压力之差；g为重力加速度，取9.8 N/kg；h为压力计高度差，取20 m。

2）校正溶液密度。若地层液矿化度较高，需校正含阴、阳离子溶液密度计算含阴、阳离子的溶液密度。

式中： ρ1为 滤液密度，kg/m3；V1为取液测试滤除煤粉后的溶液体积，m3；m1为取液测试滤除煤粉后的溶液质量，kg。

3）计算产出液煤粉质量百分比，即煤粉质量分数。

式中： ψ为煤粉质量分数，%； ρ2为煤层密度，kg/m3。

通过计算研究区产出液煤粉质量分数测试仪的监测结果（30 口井），发现煤粉产出质量分数主要集中在0 ～ 0.5%之间，不同排采时间，不同地区的煤粉产出存在一定的差异，其中2 口井在产气上升期的煤粉产出质量分数高达2%。

3.3 产出煤粉粒径

使用Mastersizer3000 激光粒度测试仪（英国Malvern Inc.）测试了煤粉的颗粒尺寸，发现产出煤粉粒径分布较广，为0.4 ～ 3 300 μm，为了进一步分析煤粉粒径分布特征，将粒径等级划分为≤1 μm、＞1 ～≤10 μm、＞10～≤100 μm、＞100～≤1 000 μm和＞1 000 μm 5 个等级。煤粉粒径分布特征图如图7。

图7 煤粉粒径分布特征图Fig.7 Particle size distribution of pulverized coal

由图7 可知：≤1 μm 粒级的煤粉体积密度占比在0.57% ～ 7.11%，平均为2.06%，占比相对较小，该粒级的煤粉贯穿煤层气排采的各个阶段；＞1 ～≤10 μm 粒级的煤粉体积密度占比在5.75% ～47.02%，平均22.65%，占比相对较大；在不同煤层气排采阶段，产出该粒级的体积密度占比变化幅度较小，主要集中在15% ～ 30%，说明储层流体动力条件、裂隙和支撑剂孔隙等特征对该粒级煤粉的产出影响较小；＞10 ～≤100 μm 粒级的煤粉体积密度占比在17.95% ～ 64.19%，平均43.44%，是煤粉粒径的主要分布区间，且在不同的煤层气排采阶段均有较大的占比，分析认为，该粒级的煤粉运移所需的水动力较小，且受储层裂隙和支撑剂孔隙筛滤作用较小，在储层中自由度较高，同时，该粒级在糜棱结构煤、钻井压裂过程形成的煤粉中广泛发育；＞100～≤1 000 μm 粒级的煤粉体积密度占比在0.26% ～ 22.45%，平均10.08%，占比相对较小，该粒级多数为近井筒地带的煤粉，且在煤层气排采初期容易随流体产出；＞1 000 μm粒级的煤粉体积密度占比在0.02% ～ 64.74%，平均24.65%，由于粒度较大，受自身条件的限制，该粒级的煤粉需要较大的流速条件才能产出，煤层气排采初期水动力条件较强，容易随着煤层中的气液产出，同时受煤层气储层裂缝和支撑剂特征的限制，煤层中大量该粒级的原生煤粉受筛滤作用而无法产出。

3.4 初次产煤粉时间

柿庄区块分为柿庄南区块和柿庄北区块，2 区块的勘探开发程度不同，初次排采时间不同，因此，分别对柿庄南和柿庄北区块的产煤粉情况分别进行了统计分析。柿庄地区产煤粉井数统计结果如图8。

图8 柿庄地区产煤粉井数统计结果Fig.8 Statistics on the number of wells producing coal fines in Shizhuang area

柿庄南区块891 口煤粉监测井统计可知（图8（a））：共计640 口井不产煤粉，占总井数的72%；142 口井在见套压前开始产煤粉，占总井数的16%；109 口井在见套压后开始产煤粉，占总井数的12%。柿庄北统计结果表明（图8（b））：116口中有58 口井不产煤粉，占总井数的50%；19 口井在见套压前开始产煤粉，占总井数的16%；19口井在见套压后10 d 内开始产煤粉，占总井数的16%；10 口井在见套压10 ～ 90 d 开始产煤粉，占总井数的9%；10 口井在见套压后90 d 以上开始产煤粉，占总井数的9%。

4 煤粉发育对产出的影响

4.1 初次产煤粉时间

由研究区产煤粉井平面分布图（图4）可知：在原生煤粉发育复杂区（a 区、h 区），煤层气井一般在见气之前初次产煤粉，即单相水流阶段产粉，分析认为，该地区煤层的煤体结构破坏较为严重，原生煤粉较为发育，同时在钻井和压裂过程中容易形成大量的煤粉，这类煤粉混杂着原生煤粉赋存在井筒附近，更容易随地层液体产出，因此在排采初期会发生煤粉的产出；受原生煤粉发育位置以及次生煤粉产生强度的影响，煤层底部发育原生煤粉区（b 区、d 区）和原生煤粉顶底发育区（g 区）的初次产粉时间较为复杂；在原生煤粉不发育区（c 区、e 区）和原生煤粉较少发育区（f 区），煤层气井多数在见气之后初次产煤粉，由于这类区域的煤体结构较为完整，煤岩力学强度较大，原生煤粉发育较少，同时钻井和压裂工程产生的次生煤粉也会随着压裂液运移到井筒的远端，因此仅有少部分井呈现出见气之前产粉。

4.2 不同排采阶段煤粉产出特征

我国高煤阶储层基本处于欠饱和状态，煤层气渗流过程包括排水降压、提产放气、稳定产气和产气衰减4 个阶段[19]。基于煤层气渗流阶段，系统分析煤粉发育对不同排采阶段煤粉产出特征，不同排采阶段煤粉产出特征示意图如图9。

图9 不同排采阶段煤粉产出特征示意图Fig.9 Schematic of coal fines output characteristics in different drainage stages

1）第1 个排采阶段。由于距井底较远的煤粉无法长距离迁移，此阶段煤粉主要是以井底附近中、粗颗粒煤粉为主，多数为钻井和压裂工程中生成的煤粉，柿庄地区8 口井地层产出煤粉质量分数在0 ～ 0.5%之间，均没有超过1%，但是颗粒粒径集中在0.5 ～ 1.0 mm 之间，大颗粒的煤粉主要沉积到井底的口袋中，少部分大颗粒煤粉会被吸入到排采泵中容易引发卡泵事故。

2）第2 阶段。地层供水非常不稳定，变化较大，导致储层流体的运动过程极为复杂，排采制度和煤粉发育特征对储层流体的运移产出影响较大。若煤粉主要为井筒周围的次生煤粉，则容易随气液一起产出。若主要为原生煤粉或压裂工程产生的次生煤粉，排采强度控制着煤粉的运移产出特征，当排采强度过大，容易引起储层中固体颗粒的激动，大量煤粉运移，当超过裂缝的导流能力时，则会发生煤粉堵塞，造成气液产量降低；当排采强度过低时，携粉能力下降，煤粉无法启动运移，且运移的煤粉易沉降在通道，最终会引起泵堵塞、渗透率伤害以及产气量的降低，因此该阶段应结合煤粉的发育规律，合理地制定排采速率。

3）第3 阶段。排采工作制度相对稳定，地层流体的携粉能力较弱，产出的煤粉多数为远端裂缝中的原生煤粉或压裂工程产生的次生煤粉。此阶段产出的煤粉粒径较小，以细颗粒煤粉为主，且质量分数较低，细小颗粒的煤粉一部分在压差作用下随气、水运移至井筒中，剩余部分沉积在裂隙通道内。现场实测数据显示最高质量分数为0.4%，颗粒粒径小于0.2 mm。

4）第4 阶段。煤层气井产气量和产水量逐渐变小甚至中断，煤粉产出较少。随着产水量逐渐降低，储层中大部分煤粉沉淀在裂隙内，仅少量煤粉以粉尘形式随气产出，煤粉颗粒粒径一般小于1 μm，高速运移的煤粉颗粒对煤储层的孔裂隙通道具有疏通打磨作用，使得煤层的透气性明显提高，有利于气体的产出。现场监测数据显示煤粉颗粒粒径小于0.1 mm。

5 结 论

1）研究区原生煤粉可划分为煤粉发育复杂区、煤层底部发育煤粉区、煤粉不发育区、煤粉较少发育区和煤层顶底发育煤粉区5 类地区；次生煤粉主要分布在井筒附近、压裂裂缝和天然裂缝中。

2）原生煤粉发育复杂区一般在见气之前初次产煤粉，原生煤粉底部发育区和原生煤粉顶底发育区的多数井在产气后初次产粉，原生煤粉不发育区和原生煤粉较少发育区一般在见气之后初次产煤粉。

3）产出煤粉粒径分布在0.4 ～ 3 300 μm，质量分数集中在0 ～ 0.5%。排水降压阶段主要受井筒附近煤粉发育特征的影响，产出煤粉以中、粗颗粒煤粉为主，煤粉颗粒大，质量分数不高；提产放气阶段受排采强度和煤粉发育特征的影响，以中、细颗粒煤粉为主，煤粉颗粒较小，煤粉质量分数高且波动较大；稳定产气阶段主要产出远端裂缝中的原生煤粉或压裂工程产生的次生煤粉，煤粉颗粒更小，煤粉质量分数相对较小且波动小。