團聚型壓裂液對煤粉運移的影響及作用機理

宋金星 ，史俊可 ，劉建壯

(1.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454003；2.中原經濟區煤層(頁巖)氣河南省協同創新中心，河南 焦作 454003)

煤儲層與常規油氣儲層相比是十分脆弱的，具有易碎、易坍塌的特點，其抗拉強度和抗壓強度都要小于常規油氣儲層，但是泊松比卻很大，應力的略微變化都會造成煤層結構的變化，導致煤粉顆粒產生[1-3]。排采過程中，煤粉隨著運載流體在支撐裂縫中運移，容易導致裂隙堵塞，造成煤儲層滲透率和支撐裂縫導流能力的降低，干擾煤層氣的正常生產，使煤層氣井出現過早的衰竭；煤粉排出進入排采系統中又會導致埋泵和卡泵，破壞排采的連續性和穩定性[4-7]。因此，合理的煤粉防控措施對煤層氣井高產穩產有至關重要的作用。國內外學者對煤粉防控措施進行了大量室內模擬實驗與現場研究，煤粉的防控方法也從簡單的篩管、繞絲篩管、繞絲篩管+礫石充填的機械防煤粉技術思路到煤粉團聚抑制煤粉排出、煤粉分散促進煤粉排出的思路轉變[8-12]。通過向壓裂液中加入適量添加劑，使得煤粉的性質發生改變，促使煤粉在運移過程中分散懸浮或聚集沉降等行為，實現對煤粉的防治[13-15]。盡管當前對煤粉運移和壓裂液相關特性有了一定的認識，但是對于煤粉的潤濕性、黏附性對煤粉運移過程中產生的影響缺乏探討，尤其是煤粉團聚沉降對煤粉在支撐裂縫中運移的影響及作用機理尚不明確，無法進一步提升對煤粉的防控作用，限制了煤層氣井產氣量的提高。

筆者以準南煤田烏魯木齊河東礦區煤樣為研究對象，以蒸餾水、活性水壓裂液(1.5%KCl)、團聚型壓裂液(1.5%KCl+0.05%AN) (AN 為陰離子表面活性劑AS和非離子表面活性劑NS 的9∶1 復配)為運載流體，通過單相流驅替狀態下煤粉產出物理模擬實驗，獲取驅替流速為100、200、300 mL/min 時的煤粉產出量和支撐裂縫導流能力傷害率，并結合靜置沉降實驗和直剪實驗揭示團聚型壓裂液煤粉防控作用機理，以期對煤層氣開發過程中煤粉的治理研究提供參考。

1 室內實驗

1.1 靜置沉降實驗

1) 樣品制備

樣品信息及工業分析見表1。利用粉碎機將樣品粉碎后，選取100～150 目(100～150 μm，下同)煤粉，裝袋密封，備用。

表1 樣品信息及工業分析結果Table 1 Proximate analysis results of samples

2) 壓裂液配制

取3 個大燒杯，分別加入500 mL 蒸餾水，編號備用。用天平準確稱量藥品，加入燒杯中均勻攪拌，配置成活性水壓裂液(1.5%KCl) 和1.5%KCl+0.05%AN。3 種液體的表面張力及其與河東礦區煤樣的接觸角見表2。

表2 3 種液體與煤樣的接觸角Table 2 Contact angles of three solutions with coal samples

3) 實驗方法

靜置沉降實驗以煤粉沉降效果和沉降的速度為參考標準。在實驗過程中，依次取出20 mL 液體倒入25 mL 的玻璃試管中，然后加入100～150 目煤粉0.5 g，充分振蕩均勻，放置在試管架上，開始計時并觀察煤粉在0、0.5、1、3 h 時刻的沉降情況[16-18]。

4) 實驗結果與分析

試管從左至右依次為：蒸餾水、活性水壓裂液、1.5%KCl+0.05%AN，漿液靜置沉降實驗效果如圖1所示。

圖1 煤樣靜置沉降實驗Fig.1 Static settlement experiment of coal samples

漿液靜置沉降0.5 h 后，1.5%KCl+0.05%AN 內的煤粉已經完全沉淀于試管底部，且上部無漂浮煤粉。相較于蒸餾水和活性水壓裂液，漿液在靜置沉降3 h后，試管仍明顯處于渾濁狀態，且上部漂浮煤粉無法沉降。這是由于1.5%KCl+0.05%AN 具有極低的表面張力，從而改變了固液界面狀態，進而對煤粉產生了潤濕作用。由于1.5%KCl +0.05%AN 作用后的煤粉顆粒有快速團聚沉降的行為，因此稱1.5%KCl+0.05%AN 為團聚型壓裂液(為簡便起見，下文用團聚型壓裂液表述)。

1.2 直剪實驗

1) 煤樣制備

取100～150 目煤粉，烘干后均分為18 份，依次加入蒸餾水、活性水壓裂液、團聚型壓裂液，制備含液率為3%、6%、9%、12%、15%、18%、21% 的煤粉樣品，裝入密封袋中保存24 h。

2) 測試過程

采用ZJ 型應變控制式直剪儀進行直剪實驗，使用常規鋼制環刀制備試樣，體積約為60 cm3。實驗時，在不同的垂直載荷下，對試樣進行等速剪應變，通過測量系統測定出相應的剪應力和水平位移，得到不同的垂直載荷作用下破壞時的剪應力，然后根據庫侖定律確定試樣的黏聚力和內摩擦角。

3) 測試結果與分析

3 種液體處理后煤粉黏聚力變化如圖2 所示，通過實驗可知：3 種液體處理后煤粉的黏聚力均隨含液率的增加呈現先緩慢上升，在18%左右達到峰值，隨后開始平穩下降的趨勢。其中團聚型壓裂液作用的煤粉黏聚力最強，活性水壓裂液次之，蒸餾水最弱，干燥煤粉幾乎沒有黏聚力。

圖2 3 種液體處理后煤粉黏聚力的變化Fig.2 Changes in cohesion of pulverized coal after treatment with three solutions

1.3 煤粉產出物理模擬實驗

1) 實驗儀器及材料

煤粉產出物理模擬裝置具體如圖3 所示。運載流體選用蒸餾水、活性水壓裂液和團聚型壓裂液，煤粉粒徑為100～150 目，煤粉質量分數設計為1%。支撐劑選用16/20 目(0.85～1.18 mm)天然石英砂顆粒，石英砂中SiO2質量分數大于99.97 %，硬度為7，性脆無節理，密度為2.65 g/cm3。每次試驗前將石英砂在高純蒸餾水中沖洗至無懸浮雜質，鋪砂面積為20 cm×2.63 cm。

圖3 煤粉產出物理模擬實驗裝置Fig.3 Visual simulation devices for pulverized coal transportation

2) 實驗方法

①將支撐劑均勻鋪滿觀察區，接通實驗管路并檢查氣密性。

② 接通電源，在煤粉溶液罐內加入1 L 運載流體(煤粉質量分數1%)并放置于恒溫磁力攪拌器上，轉速為800 r/min，保持恒定。

③調整質量流量計，設置相應氣體流速。實驗分別設置氣體驅替流速為100、200、300 mL/min。

④ 打開氮氣瓶閥門，調整減壓閥，待質量流量計示數穩定后，接通觀察區進水口，使氮氣驅替運載流體進入支撐裂縫。首次驅替無煤粉運載流體，獲得無煤粉運載流體通過支撐裂縫的滲透率；隨后驅替含1%煤粉的運載流體，觀察煤粉在支撐裂縫內的運移情況，并記錄驅替產出液體的流量(當出口處流速穩定時開始計時，每250 mL 記錄一次)。

將多層建筑確定為木質板材下一個增長領域，該委員會最近批準了該實驗室的擴建，以便能夠測試3層建筑。去年，加拿大已批準木材建筑可達6層，而在美國則為4層。該行業正在向更高更大的舉措發展。另一個預期的發展是混合建筑，特別是在商業建筑方面，工程木協會(APA)將再次采取協作立場。Elias先生指出：“我們的成員生產的產品將用于混合木材和其他木質材料的木結構建筑，以及混凝土和鋼材與木結構板材覆板混合的建筑。這些方法已有效地用于高度和面積增加的商業建筑中，我們正在尋找其他有效結合這些產品的方法。”

⑤ 對驅替產出的液體進行離心、過濾、烘干、稱量，獲得煤粉產出量。

⑥ 關閉氮氣瓶閥門，清洗有機玻璃板及煤粉溶液罐，計算支撐裂縫導流能力傷害率，具體公式參見文獻[18]。

⑦ 更換驅替流速、運載流體，重復以上步驟。

3) 實驗結果與分析

1.3.1煤粉產出量

驅替流速為100、200、300 mL/min 時的煤粉相應產出量及累計產出量如圖4 所示。實驗過程中，煤粉沉積于支撐劑顆粒表面(煤粉沉積)、支撐劑顆粒間的通道縮小(輕微堵塞)和煤粉堵塞支撐裂縫(嚴重堵塞)等3 個階段如圖5 所示。

圖4 不同驅替流速的煤粉產出量Fig.4 Output of pulverized coal at differentdisplacement flow rates

圖5 煤粉堵塞支撐裂縫的3 個階段Fig.5 Three stages of pulverized coal blockingsupporting fractures

氣體驅替流速為100 mL/min 時，活性水壓裂液煤粉產出量遠高于其他兩種運載流體，3 種運載流體煤粉累計產出量均呈現線性增長趨勢，此時運載流體攜帶煤粉運移較為順暢，煤粉尚未堵塞支撐裂縫。

氣體驅替流速為200 mL/min 時，隨著煤粉沉積的累積，運移通道逐漸縮小，活性水壓裂液、團聚型壓裂液均在此流速下驅替產出的第3 杯液體的含煤粉達到最大值，隨后形成堵塞造成第4 杯含煤粉量開始下降。

1.3.2支撐裂縫導流能力傷害率

不同驅替流速下導流能力傷害率如圖6 所示。

圖6 不同驅替流速的導流能力傷害率Fig.6 Damage rate of conductivity at different displacement flow rates

氣體驅替流速為100 mL/min 時，支撐裂縫的導流能力傷害率變化范圍較小(0.6%～8.1%)，整體為：隨著驅替的持續進行，支撐裂縫導流能力傷害率緩慢上升，其中活性水壓裂液傷害率大于其他運載流體。

氣體驅替流速為200 mL/min 時，隨驅替產出液體量的增多，支撐裂縫導流能力傷害率增大。這是因為驅替流速增大，使得運載流體攜帶的懸浮煤粉數量增多、粒徑增大，從而增大煤粉堵塞支撐劑顆粒間孔隙的概率，進而降低支撐裂縫的導流能力。此時團聚型壓裂液導流能力傷害率累計值分別與蒸餾水和活性水壓裂液導流能力傷害率分別相差24.4%和3.1%。

氣體驅替流速為300 mL/min 時，此時3 種運載流體的支撐裂縫導流能力傷害率均增大，其中運載流體為蒸餾水時的裂縫導流能力傷害率高于其他兩種運載流體。在驅替產出的4 杯液體中，運載流體為蒸餾水的支撐裂縫導流能力傷害率分別為團聚型壓裂液的3.2、5.6、3.4、1.1 倍，呈現先增大后減小的趨勢。團聚型壓裂液和活性水壓裂液均在驅替產出第4 杯液體時的導流能力傷害率顯著增加，且團聚型壓裂液導流能力傷害率增加斜率最大，活性水壓裂液次之，蒸餾水最小，但團聚型壓裂液導流能力總體累計傷害率依然小于其他2 種運載流體。此速度下團聚型壓裂液導流能力傷害率累計值與蒸餾水和活性水壓裂液導流能力傷害率分別相差64.8%和14.9%。

2 團聚型壓裂液煤粉防控作用機理

2.1 煤粉潤濕促使其團聚沉降

通過煤粉沉降實驗發現，團聚型壓裂液能夠通過改變溶劑的界面狀態，從而對煤粉產生潤濕作用，使煤粉迅速團聚沉降，且團聚型壓裂液液面上無懸浮煤粉，即可以將煤粉顆粒從液面“拽”入水中，并在重力作用下就地自行沉降聚集。沉降聚集后的煤粉由于受到顆粒接觸點上的黏聚力作用，使煤粉顆粒間不容易發生相對移動[19]，從而減少懸浮煤粉顆粒的數量，有效降低煤粉產出量和支撐裂縫導流能力傷害率。忽略影響較小的雙電層斥力、慣性力等，煤粉團聚沉降后受力分析如圖7 所示。

圖7 煤粉顆粒受力[20]Fig.7 Force analysis of pulverized coal particles[20]

2.2 增大黏聚力抑制團聚煤粉滾動

煤粉顆粒從靜止狀態到開始變形流動有一個過程，這是煤粉顆粒具有一定強度造成的。直剪實驗可以得出，隨著煤粉含液率增大，黏聚力呈現了先增大后減少的趨勢，但內摩擦角的變化不大，團聚型壓裂液的黏聚力高于蒸餾水和活性水壓裂液，這是由于團聚型壓裂液是由親水(疏油)的、極性的基團和親油(疏水)的、非極性的碳氫鏈部分共同構成，且兩者位于表面活性劑分子的兩端，具有不對稱，能夠使煤顆粒之間的液橋力變大(煤中液體存在形式如圖8 所示)，而當顆粒之間有液橋的存在時，范德華力小于顆粒之間的液橋力[8]。黏聚力增大，從而提高顆粒之間的黏聚性，使煤粉顆粒之間的黏聚力變大，抑制煤粉發生相對移動，減少煤粉產出量，減少卡鉆、修井的發生概率。

圖8 煤中液體的存在形式Fig.8 Existing form of the liquid in coal

2.3 抑制煤粉排出增透作用

團聚型壓裂液能夠有效降低煤粉產出量，但驅替流速對支撐裂縫導流能力和煤粉產出量的影響要高于運載流體的作用。3 種運載流體均隨驅替流速增加，煤粉產出量呈現先逐步升高、后隨著堵塞情況的加劇逐步降低的趨勢。在設置合適的驅替流速條件下，團聚型壓裂液因具有較低的表面張力，能夠使煤粉顆粒快速團聚沉降，具有較高的黏聚力，避免了煤粉發生相對移動，促使團聚型壓裂液能夠以高于其他2 種運載流體的流速穩定產出，有效避免了煤粉排出進入排采系統中導致埋泵和卡泵的風險，能夠較好地維持排采的連續性和穩定性。

團聚型壓裂液能夠減緩支撐裂縫導流能力傷害增加速率。當驅替流速較低時(100 mL/min)，活性水壓裂液和團聚型壓裂液具有較低的毛管壓力，支撐裂縫的導流能力整體傷害率變化范圍較小(0.6%～8.1%)；隨著驅替流速上升，煤粉沉積逐步累積，團聚型壓裂液能夠將煤粉盡快地團聚、沉降，避免了煤粉顆粒對支撐裂縫主要通道的堵塞，有效減緩了支撐裂縫導流能力傷害增加速率，在200 mL/min 團聚型壓裂液對支撐裂縫導流能力的傷害率與其他2 種運載流體相差分別達到24.4%和3.1%，在300 mL/min 相差分別達到64.8%和14.9%，說明團聚型壓裂液能夠有效緩解煤粉對支撐裂縫帶來的滲透率傷害，實現對煤粉的有效防控。

3 結論

a.團聚型壓裂液由于具有極低的表面張力，改變了固液界面狀態，從而對煤粉產生了潤濕作用，促使煤粉團聚沉降。

b.團聚型壓裂液能夠提高煤粉顆粒之間的黏聚力，使團聚的煤粉顆粒不易產生滾動，從而減少懸浮煤粉顆粒的數量，有效降低煤粉產出量和支撐裂縫導流能力傷害率，進而減少卡鉆、修井的發生概率。

c.由于驅替流速對支撐裂縫導流能力和煤粉產出量的影響高于運載流體的作用，因此必須在煤層氣井“緩慢”排采的前提下，團聚型壓裂液才能夠實現對煤粉的有效防控。