基于煤層氣高效開發的煤粉凝聚-沉降機制研究進展

李 勇，韓文龍，王延斌，孟尚志，吳 翔，王壯森，麻振濤，劉 度，趙石虎

(1.中國礦業大學(北京) 地球科學與測繪工程學院，北京 100083；2.中聯煤層氣有限責任公司，北京 100011)

如何提高煤層氣單井產氣量，是解決我國煤層氣產業發展瓶頸的關鍵任務[1-2]。國內大部分盆地煤層氣開發地質條件復雜，煤儲層較脆、易碎，原始儲層滲透率低，受開發過程中儲層改造和流體壓差作用，易產生煤粉、煤泥、煤焦及其他固相顆粒(統稱煤粉)[3-4]。煤粉聚團沉降會造成有效裂隙堵塞，影響滲流和降壓效果[5-6]，同時煤粉在管柱內壁結塊會造成卡泵等生產故障，導致頻繁的停機與修井作業，造成水敏和速敏等儲層傷害[7-8]。我國煤層氣井普遍穩產時間短，作業頻繁，平均4～6個月作業一次，作業后產氣量降低甚至不產氣[9]，直接影響單井產氣量穩定和提升[1,10-11]。

當前國內外圍繞煤層氣排采過程中煤粉的產出和控制，在煤粉物質組成、生成過程、運移機理和產出控制方面開展了大量的實驗和數值模擬研究，分析了煤粉組成和粒度分布，認識到構造煤易產出煤粉，提出了基于室內實驗的煤粉驅替壓差控制方法，構建了煤粉顆粒理想化條件下的啟動—運移數學模型[11-12]。盡管當前研究對于煤粉的運移過程有了一定認識，但是對煤粉潤濕性、黏附性的影響因素缺乏深入探討，尤其是儲層流體、黏土礦物等影響下的煤粉沉降機理尚不明確，無法進一步提升煤粉的分散性和實現高效合理的產出控制，限制了煤粉適度產出理論的實踐和單井產氣量的提高。低效井的有效治理是未來煤層氣產業發展的關鍵因素，煤粉問題的有效解決將有助于單井產氣量提高和資源有效開采。基于此，筆者系統總結當前煤粉凝聚-沉降-分散相關的研究進展，提出煤粉凝聚—沉降機制，以期為后續煤粉有效產出研究和煤層氣高效開發提供借鑒。

1 煤粉物質組成

煤粉物質組成影響煤粉的聚集狀態，是開展煤粉凝聚—分散機理研究的基礎。煤粉是由有機煤巖組分和無機礦物組成的細小固相顆粒[13]，其產生與煤巖性質和煤體結構密切相關，構造煤形成的煤粉遠遠大于原生結構煤[3]。構造煤或軟煤表面凹凸不平并附著大量的煤基質顆粒，是煤粉的主要來源[14]。不同地區氣井產出煤粉組成差異較大(表1)，其中澳大利亞Bowen盆地煤層氣井煤粉和室內煤巖破碎煤粉的礦物含量分別為17%和7%[15]；鄂爾多斯盆地東緣韓城區塊部分井產出煤粉中黏土礦物含量高達50%[16]；臨汾區塊煤粉以無機礦物和鏡質組為主，無機礦物中硬石膏、黃鐵礦常見[17]；沁水盆地南部煤粉中無機礦物以石英、黃鐵礦等脆性礦物為主[18]。在不同煤層氣開發階段，產出煤粉的數量有很大區別，特別是受壓裂液返排影響，煤粉的物質組成和定量分析存在較大誤差。在具體工作中，可通過持續跟蹤單井煤粉產出情況，排除干擾因素，進一步明確煤粉組成。

煤層氣井排采產出的煤粉顆粒粒徑分布范圍廣，從幾納米到幾百微米不等[19]。鄂爾多斯盆地東緣保德、臨汾和韓城區塊煤層氣井排采產出的煤粉中值粒徑均小于30 μm，平均粒徑小于60 μm，粒徑200 μm以上的煤粉很少[20]。沁水盆地南部潘莊、寺河、胡底的煤層氣井產出煤粉粒度均在200 μm以下，成莊及樊莊區塊有少量煤粉粒度在200～300 μm[21]。煤粉在掃描電鏡下主要呈現出薄片狀、片狀和層狀，不同形狀煤粉凝聚形成堆積體[6]。值得注意的是，國外盆地煤層氣井中少見煤粉產出的報道，在粉河等盆地洞穴完井的煤層氣井中可見煤粉凝聚堵塞裂縫、埋沒水泵，后續通過鉆井至煤層上部并設置固井套管等進行了規避[22]。總體來說，由于國外煤層氣盆地構造相對穩定、成煤時代較晚且演化史簡單、煤體結構完整、產氣量高，煤粉問題并不突出[22]。

表1 典型煤層氣區塊煤粉組成特征Table 1 Characteristic of coal fines in typical coalbed methane blocks

2 煤粉生成產出

與常規砂巖相比，煤巖的彈性模量小、泊松比低、硬度低，煤巖在相同地應力條件下比砂巖更易受應力破壞，從而產生煤粉，堵塞裂隙。煤粉的生成、運移和沉降伴隨煤層氣鉆井、壓裂、排采、關井、修井的全過程(圖1)[23-24]。一部分煤粉隨著地層水產出，部分井因為壓裂或連通高含煤粉層段，大量煤粉伴隨煤層氣產出。除此之外，煤粉會在井筒內沉降，并且在柱塞和固定凡爾上聚集，引起排采中斷，影響煤層氣開發連續性和開發效果。

圖1 煤層氣井排采和修井過程中的煤粉Fig.1 Coal fines observed during coalbed methane well production and repairment

氣井產出煤粉是復雜地質條件和工程施工過程的綜合體現，既包括節理面、斷層面、層間滑動面內以及破碎煤、軟煤帶內的原生煤粉顆粒(圖2)[25-26]，也包括鉆具研磨、壓裂液高速滲入、支撐劑注入、排采過程中高排液量和排采速度、孔眼周圍高應力差等產生的次生煤粉[27-28]。煤粉的生成涉及地質因素，包括煤系巖性組成、區域構造、煤體結構等，以及工程和排采中的鉆井、射孔、壓裂和排采過程，包括巖石力學破壞和煤-水-壓裂液等化學反應的結果[29]。在儲層地質方面，煤儲層構造背景、地層組合均是影響原生煤粉生成的重要因素，煤粉含量在一定程度反映煤體結構。同時也受顯微組分的影響，不同煤巖顯微組分在力學性質上存在一定差異[30]，這些差異是否影響煤粉的生成和分布仍有待進一步揭示。

圖2 原生煤粉分布[18]Fig.2 Schematic diagram of primary coal fines distribution[18]

在工程施工方面，特別是壓裂過程與煤粉的生成緊密關聯，射孔位置、造縫壓力、加砂量等均影響煤粉的生成。特別是在水力高壓下，容易形成煤粉的凝聚，堵塞滲流通道。在煤層氣排采過程中，排采強度，特別是產水量和產氣量的突然波動，容易引起煤粉的生成和產出。圍繞排采設備優選、煤粉監測和洗井洗泵開展工作，可有效避免和清除井筒沉降煤粉，避免井下故障。當前煤粉治理思路主要包括“有效避開、少產煤粉、疏而不堵、事前預防、事后處理”，特別是從以往的“盡量避免煤粉產出”，過渡為“控制煤粉適度產出”，成為維持煤層氣井高產、穩產的重要舉措[31-32](圖3)。

圖3 煤層氣開發過程中的煤粉生成分析和治理思路Fig.3 Generation and management analysis for coal fines control during the whole coalbed methane production process

在煤粉產出特征方面，由于原生結構和碎裂結構煤巖石力學強度較大，原生煤粉較少，一般為后期的次生煤粉，煤粉產出濃度較低，多為塊狀和柱狀，粒徑分布呈現出雙峰型[32]。碎粒結構煤和糜棱結構煤既有較多的原生煤粉，也易產生次生煤粉，產出的煤粉濃度較高，一般高于1%，粒徑分布多為單峰型，其中碎粒結構煤產生的煤粉粒徑集中在180～420 μm，多為粒狀；糜棱煤產生的煤粉粒徑分布在10～100 μm，多為片狀[33]。基于煤體結構特征，設計針對性的鉆井、壓裂施工工藝，有效減小次生煤粉的生成，是解決構造煤發育區煤層氣高效開發的關鍵途徑之一。

3 煤粉懸浮運移

細粒煤粉在具有一定流速的井液中呈懸浮態，靜止放置一段時間，可見糊狀沉淀[34]。懸浮的煤粉一般隨地層水一同產出，煤粉表面大量的脂肪烴、芳香烴具有一定的疏水性[35]，但煤階、儲層壓力和溫度越高，煤基質越親水[36-37]，地層水pH值越高，煤基質也越親水[38]。改變煤巖表面潤濕性將會使煤巖與儲層流體間的接觸關系發生轉變[39]，同時影響煤粉在地層水中的運動和遷移，因此，煤和煤粉的潤濕性不僅決定了兩相反應，而且控制煤粉的運移行為[40]。

煤粉在裂縫中啟動后，使懸浮在地層水中的煤粉隨流體運移產出是煤粉控制的關鍵。煤粉啟動需要克服煤粉與煤巖骨架顆粒間、顆粒與裂縫通道壁間的吸引力(范德華力為主)，同時考慮煤粉在通道中承受的重力、流體沖力等因素[41-43]。基于水動力學原理、擴展DLVO理論和JKR接觸理論，皇凡生等[44](2017)建立了以“壓力梯度”為判決條件的煤粉啟動力學模型，分析顆粒尺寸、顆粒類型、裂縫縫寬和離子強度對煤粉啟動的影響。

圖4 煤儲層裂縫(a)和井筒內的煤粉分布及受力(b)[41,45]Fig.4 Coal reservoir fractures(a) and coal fines distribution and stress diagram in wellbore(b)[41,45]

借助流體力學、巖石力學和多孔介質理論，考慮煤巖變形、煤粉剝離、煤粉運移和煤巖主要物性參數(如孔隙度、滲透率和孔隙壓縮系數)等，研究煤粉運移機理，學者們建立了煤儲層含煤粉流體流固耦合滲流的數學模型[45-48](圖4)。Bai Tianhang等[19]基于掃描電鏡量化了煤層裂縫形狀，同時考慮壓降、溫度、煤粉彈性模量等參數，模擬煤粉生成與運移過程。在P.Brumby等[49](2015)研究的基礎上，T.R.Mitchell等[50](2016)利用格子Boltzmann和離散元耦合算法，分析煤粉在地層水中運移的物理化學作用，提出煤粉被沖刷運移的臨界速度，認為有吸引力的靜電環境會降低煤粉的運移速度。

通過實驗模擬可計量產出煤粉與介質流動速度的關系，評價裂縫寬度、煤粉粒度、水流速度等與出粉量的關系，提出流速控制參數，評價煤粉運移對滲透率的影響[51-56]。粒徑小于200 μm的煤粉產出量隨水流速度增大而增加，粒徑在200～300 μm的則無明顯變化[57]。運動中的氣泡對煤粉的攜帶能力很強，顆粒細小的煤粉會附著于氣泡周圍，且氣泡對下沉煤粉的攪動能力強于水流，利于煤粉運移[58-59]。

在提高煤粉懸浮和流動方向，前人已開展了相關研究。添加分散劑可以提高細粒煤粉的懸浮性[60]，將井筒中較大顆粒煤粉分散并采出[61]，且可以提高壓裂、洗井等過程中煤粉分散產出的能力[62-63]。一定量離子分散劑可以提高煤粉表面的潤濕性、降低溶液的表面張力、使煤粉具有良好的懸移能力，并且可與壓裂液、洗井液配伍使用[64]。宋金星[65]提出表面活性劑壓裂液(1.5%KCl+0.05%AN)，可增大煤粉顆粒間的黏聚力，減少溶液中不穩定顆粒數量，抑制排采過程中煤粉對儲層造成的速敏傷害。與煤粉分散性相關的分散劑有陰離子、非離子型兩性離子表面活性劑，陰離子型有腐植酸鈉(HA-Na)、萘磺酸鈉(SN)、木質素磺酸鈉(CMN)和十二烷基硫酸鈉(SDS)等；非離子型有辛基酚聚氧乙烯醚(OP)和脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO)；兩性離子表面活性劑有雙子-烷基酚聚氧乙烯醚(GMOP)等[63-65]。

通過實驗可研究靜態和動態煤粉沉降特征，其中，煤粉的靜態沉降實驗一般采用不同粒徑的煤粉配成一定濃度的煤粉溶液，置于有機玻璃沉降筒內，攪拌均勻，采集不同時間段、不同沉降深度的煤粉懸浮液并測量其濃度，得到煤粉濃度隨時間和沉降筒深度的分布圖，根據實驗數據可計算煤粉的沉降速度。動態沉降實驗可以通過激光粒度分析儀，將煤粉置于蒸餾水、1%KCl、地層水的超聲震蕩充分混合，記錄不同時間內懸浮顆粒的粒徑變化，結合DLVO理論分析煤粉小顆粒的凝聚過程和影響因素。對懸浮液進行Zeta電位測試，分析煤粉官能團和溶液組成等的影響(圖5)[66]。

圖5 動態沉降實驗的主要環節和技術流程[65]Fig.5 Main links and technicalpro[c65e]ss of dynamic settlement experiment

4 煤粉產出控制

煤粉控制是煤層氣排采管理中的重要環節，過量煤粉引起的機械故障導致頻繁檢泵作業，從而產生大幅度的井底壓力波動而破壞氣、水、煤粉流態的連續性，進而影響煤層氣的正常生產[10]。解決好煤粉的分散性，就可在一定條件下保證煤粉隨地層流體的產出。在煤粉影響下，煤層氣井排采過程是氣-液-固三相流的耦合過程，煤粉的產生與運移極大影響煤層氣井排采的最佳狀態[4,42]。煤粉產出涉及多孔彈性介質力學、巖石力學、流體力學、滲流力學等多學科交叉領域的理論，且受煤巖力學性質、煤層流體性質、完井及排采工藝等多因素影響[49]。目前對煤粉的產出預測理論主要借鑒常規油田出砂預測的方法，但由于煤層氣開發地質條件的復雜性，很難對其進行定量和準確預測[67]。利用ANSYS軟件可動態模擬煤粉產出，仿真煤層氣井射孔作業對煤巖的破壞[68]，結合ABAQUS軟件對出煤粉時間與出煤粉半徑進行了模擬，分析不同生產情況下的排采制度和防煤粉措施[69]。

為高效排出煤粉，晏海武[70]設計了煤粉濃度井下測量工具，分析井筒環空中煤粉排出條件，確定煤粉濃度預警指標，提出螺桿泵接防砂尾管結合油套環空、注水稀釋煤粉濃度的防控措施[71]。根據煤粉顆粒沉降速度，可計算不同桿管組合條件下滿足煤粉排出條件的最小排量，進而制定循環補水排采工藝[72]。鄭春峰等[73]搭建有桿泵井筒煤粉運移動態實驗平臺，模擬不同煤粉粒度和排液速度下煤粉動態運移規律。劉新福[74]開展了機械濾煤粉管設計、防煤粉排采泵設計和桿管尺寸優選等防煤粉系統研發工作。段寶玉等[75]設計新型防煤粉泵和掛籃式沉砂管，為煤層氣井的排采、撈砂一體化奠定基礎。除此之外，針對洗井和修井過程中的煤粉清洗，綦耀光等[47]、王璐等[76]設計了射流負壓沖煤粉裝置，開展了注水和酸化洗井工藝研究。

5 展 望

當前煤粉的防治工作主要集中在地質預防、儲層改造、設備優選、生產預警、排采控制和工藝治理等方面，其中儲層改造、排采控制和工藝治理是煤層氣井開發過程中的重要環節[32]。煤粉需隨地層流體一同產出，其中，儲層改造過程中壓裂液的注入、工藝治理中的洗井等環節，均涉及液體的注入和產出，是保證煤層氣井穩定排采的關鍵[32](圖6)。

5.1 煤粉物質組成精細表征

煤粉的物理化學性質控制著絮凝沉淀、氣-液固耦合運移關系，查明其特性是解決凝聚沉降問題的基礎。煤粉表征主要體現在兩個方面，一是煤粉本身顆粒的大小和分布，二是煤粉顆粒的理化性質。理化性質包括物質組成、元素組成、顯微組分等，可通過元素分析、工業分析、X射線衍射和顯微鏡下測試獲取。表面性質主要包括形貌特征、力學特征和表面官能團。其中表面形貌可以通過顯微鏡和掃描電鏡獲取，力學參數可以通過原子力顯微鏡獲取，結合掃描電鏡等可以獲得不同顯微組分的力學性質[22]。表面官能團和分子結構一般通過透射電鏡和紅外光譜獲取。孔隙結構一般采用當前常見的低溫液氮和二氧化碳吸附法獲取(圖7)[23]。

圖6 煤粉主要防控措施及存在問題(思路參考文獻[32]，修改)Fig.6 Main prevention and control methods for coal fines and its associated problems(Ideas referred to Reference No.32 in the references and revised)

圖7 煤粉理化性質測試方法和表征手段Fig.7 Test and characterization methods of physical and chemical properties of coal fines

5.2 煤粉凝聚沉降機理

前人基于煤粉運移產出規律從不同角度提出了煤粉管控措施，在現場應用中取得了一定成效，但是煤粉顆粒具有復雜的吸附、應變和分離行為，嚴重影響煤粉-氣-水流態的穩定性[77-78]。煤粉的產出涉及煤粉顆粒在儲層裂縫中被地層流體黏附啟動，在流體中懸浮運移，以及在裂縫底部或者支撐劑顆粒中間的沉降滯留，這一系列過程中煤粉顆粒的宏觀分布和微觀運移機理均有待系統闡釋。需要明確，不同煤粉粒度條件下，物質組成和表面性質如何影響潤濕和懸浮過程。其中關鍵問題包括：什么樣的煤粉易于在地層水中懸浮；維持懸浮狀態是哪種微觀作用力；煤粉物質組成和地層水環境對煤粉的潤濕和懸浮發揮了什么作用；以及如何在鉆井、壓裂、排采和洗井過程中促使地層中的煤粉保持這種懸浮狀態。

以上問題研究工作包括：對經過粒徑和密度分選后的煤粉顆粒進行氣泡黏附測試，捕捉顆粒的運動軌跡，分析煤粉被氣泡攜帶的能力(圖8)；通過煤粉潤濕過程的刻畫分析，結合物質組成和結構測試，分析潤濕性的影響因素及潤濕過程差異；通過動態沉降實驗，以一定時長監測懸浮顆粒粒度和表面電位變化，查明不同粒徑和溶液環境中煤粉凝聚-沉降過程(圖5)。在此基礎上，利用煤粉運移-滯留過程可視化實驗，分析煤粉在一定裂縫中沉降滯留分布規律，并通過含水性測試分析其影響因素。該技術可探究煤粉在裂隙通道中由黏附到沉降的全過程，結合界面化學、粉體力學和流體力學的相關理論方法，檢測不同儲層環境下煤粉顆粒間的相互作用，揭示煤粉穩定懸浮和分散的作用機制，為煤粉的適度產出控制提供建議(圖9)。

圖8 煤粉黏附實驗研究思路(部分思路和方法參照文獻[59]，修改)Fig.8 Methods to investigate coal fines capture(Some ideas and methods referred to Reference No.59 in the references and revised)

圖9 煤粉流動和沉降模擬觀測實驗平臺(部分思路和方法參照文獻[77]，修改)Fig.9 Experimental platform for simulating and observing coal fines flow and settlement(Some ideas and methods referred to Reference No.77 in the references and revised)

5.3 煤粉分散產出控制

粒徑小于10 μm的煤粉會很快凝聚成較大顆粒，是阻礙煤粉懸浮運移產出的關鍵因素[79-80]。前人的研究表明加入合適離子分散劑會改變煤粉的懸浮性能，但這種懸浮性的改善機理尚不清楚，特別是在溶液條件下煤粉顆粒間的作用力變化并不明確。一方面，表面活性劑可以提高煤粉的分散穩定性；但另一方面，活性劑可能會影響煤儲層的解吸效率和滲流能力。同時受無機礦物含量、煤粉粒徑和煤巖性質等影響，不同學者對活性劑加入對煤儲層的綜合影響也存在爭議。

已有學者開展了分散劑與煤粉配比實驗，篩選出分散特性好、懸浮液濃度穩定、黏度低的煤粉分散劑，通過優選最佳的分散劑配比濃度，并考察其與相關接觸體系的配伍性[81-82]。如何優化相應的分散體系，形成不同煤層氣開發區合適的分散劑搭配體系仍然有待進一步探索。同時需要進一步考慮不同分散劑影響下的煤儲層吸附解吸性和滲透率變化，通過物理模擬實驗綜合評價煤粉懸浮液對裂縫中煤粉的洗出能力。原則上，立足于增大水溶液表面張力、煤粉顆粒表面潤濕性、煤粉顆粒分散穩定性等正效應，以減小其對煤吸附解吸性能和滲透性等負效應，并基于煤粉產出定量評價，優選最佳分散體系。該技術可應用于壓裂、洗井等煤層氣開發的關鍵工藝流程，對改善相關工藝效果、提高煤粉產出效率有積極影響，對煤層氣排采穩定性和單井采收率提高具有重要意義。

為實現煤粉的有效運移產出，需要分析產氣通道內煤粉顆粒運動形式、滾動啟動條件、懸浮運動條件等，建立一種可以考慮煤粉剝蝕、啟動、運移及沉降的適度攜煤粉數學模型及一種快速求解的數值模擬方法。在物理模擬實驗中，可以研制反映儲層條件下煤粉運移及對煤層物性影響的物理模擬實驗設備，開展地層水最大攜煤粉能力、剝蝕煤粉能力及其與煤粉液的滲流物性差別測試等(圖10)，分析并獲取煤粉啟動、運移及沉降的實驗規律。在此基礎上，形成考慮煤粉影響的數值模擬方法，應用于典型井煤粉產出的統計研究，評估煤粉產出對煤層氣井產能變化的影響，計算最佳排液強度和井底流壓，以期在煤層氣開發過程中保持煤粉的穩定運移產出。

圖10 煤粉剝蝕-運移-沉降物理模擬系統Fig.10 Physical simulation system of erosion，migration and settlement of coal fines

總體來看，分析煤粉的分散產出需要考慮不同地層水環境下煤粉顆粒的分散特征，同時考慮儲層的動態響應，包括活性劑與地層水的配伍性、對煤吸附解吸能力的影響等。在物理模擬過程中，需要考慮煤粉的剝蝕、煤粉沉降引起的滲透性變化等(圖11)。

6 結論

a.保證煤粉適度產出是煤粉治理和煤層氣高效排采的核心，其有效銜接在于凝聚-沉降機制的深入認識。現有的煤粉顆粒表征和實驗室懸浮表征并不能有效應用于煤層氣井田的開發實際和排采管控，裂縫導流等模擬實驗也未能從機理上系統解釋煤粉凝聚和沉降的內在作用機制。

圖11 煤粉分散產出相關問題及研究思路Fig.11 Problems and research ideas for dispersed production of coal fines

b.煤粉問題的解決需要從機理和應用兩個方面系統深入，揭示地下儲層條件下氣-水-煤三相介質中煤粉的凝聚-沉降行為。機理方向研究包括nm～μm級煤粉顆粒的相互作用、凝聚行為發生條件、有機質和黏土礦物作用、煤巖結構和表面性質影響等。應用方向包括地層水環境對煤粉表面潤濕性、表面電性和空間位阻效應的影響及作用機制，不同煤粉分散劑溶液環境中煤層氣解吸性、儲層滲透性和煤粉產出能力的變化等。

c.煤層氣高效開發的實現需要將地質、工程和排采進行一體化整合考慮，圍繞儲層地質條件、工程施工技術適應性和科學定量化排采制度開展針對性工作。煤粉問題的解決，也需將上述因素統一考慮，針對性開展煤粉高產區預測、煤粉適度產出適用性工藝和設備研發、煤層氣排采制度優化等方面研究。