超聲波技術對煤粉堵塞篩管的解堵實驗

任金偉 ，魏迎春 ，王 平 ，劉子亮 ，張 琦 ，晉香蘭 ，曹代勇

（1.中國礦業大學（北京） 地球科學與測繪工程學院，北京 100083；2.中國礦業大學（北京） 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083；3.中聯煤層氣國家工程研究中心有限責任公司，北京 100095；4.中國煤炭科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

我國煤層氣資源豐富，勘探開發已有數十年[1]。由于我國煤儲層地質條件的復雜性，在煤層氣開發中易產生煤粉[2]，煤粉產出容易造成儲層傷害和排采故障，部分煤粉顆粒堵塞井底篩管及泵吸入口，導致煤層氣井排水不暢，凡爾關閉不嚴，易造成卡泵、埋泵現象[3-6]，嚴重制約著煤層氣開發。

近年來，國內外學者對煤層氣井生產實踐過程中出現的煤粉堵塞問題進行了深入研究[5]。在生產預警方面，應用示功圖預警和煤粉濃度監測方法研判煤粉問題，采取回注排采與高效洗井等措施稀釋煤粉濃度，解決煤粉堵塞問題[6-7]；在排采制度方面，通過控制流速和生產壓差來降低煤粉產出[8-9]；在工藝治理方面，選擇適宜的分散劑和穩定劑及壓裂支撐劑，提高井底煤粉的清除和返排效果及捕獲煤粉能力[10-16]。對于井筒內煤粉堵塞優先選用沖洗泵等循環洗井裝置洗井提高泵效，對于井筒附近煤粉堵塞優先選用氮氣等解堵技術[12]，還可采用酸洗、水力震蕩、等離子脈沖、注水等解堵工藝清除煤粉堵塞[13]。前人提出的煤粉管控措施在減輕煤粉堵塞方面取得了較好的效果，但頻繁的停泵修井、洗井作業擾亂了煤層氣連續穩定排采，使用化學試劑對煤儲層也會產生一定的傷害。超聲波技術在促進煤層氣解吸增透增產方面取得了較好成果[14-15]，但在煤層氣開發中煤粉解堵方面還涉及較少。

基于此，針對煤粉堵塞篩管問題，提出采用超聲波技術對篩管進行解堵的方法，開展超聲波技術對不同粒度和不同成分的煤粉堵塞篩管的解堵實驗，探討超聲波技術對篩管的解堵效果和影響因素，以期有效清除篩管上的煤泥，減少停泵修井、洗井作業次數，降低排采成本，進一步保持煤層氣井連續穩定排采。

1 實驗樣品和實驗原理及方案

1.1 實驗樣品與儀器

實驗所用煤樣采自鄂爾多斯盆地東南緣韓城區塊3 號煤層。煤巖樣品為貧煤，鏡質體反射率為1.85%，顯微煤巖組分以鏡質組為主，占82.34%；其次為惰質組，占9.93%[16]。采用粉碎機將煤巖樣品破碎，分別篩分出粒度為＜63 μm、63～125 μm和＞125～300 μm 的3 種類型煤粉備用。

實驗篩管選用割縫篩管，其規格為：φ73.02 mm×5.51 mm，縫寬0.3 mm，縫長50 mm，篩管長20 cm；共交錯布縫45 條。

實驗采用的超聲波解堵裝置為超聲波清洗儀C2000，頻率40 kHz，功率60 W；稱量裝置為電子天平ME204E，過濾和烘干裝置分別為砂芯真空過濾裝置1 000 mL 和真空干燥裝置BZF-30。

1.2 實驗原理

超聲波是一種頻率高于20 kHz 的聲波，其在液體中傳播時，能夠引起質點振動，質點振動的加速度與超聲頻率的平方成正比。超聲波在液體中傳播時會產生空化效應[17]，超聲空化一般經歷3 個過程：氣核、氣泡生長和空穴坍塌。溶解在液體中或存在于液固界面的氣體稱為氣核。在超聲波條件下，氣核不斷膨脹，氣泡內部和外部之間存在的巨大壓力差導致空腔坍塌和破裂，積聚的聲能短時間內在相當小的空間內釋放，從而在液體中形成數百個大氣壓。巨大的沖力具有強烈的攪動作用，并產生大量的微氣泡，微氣泡在超聲作用下再次經歷空化的3 個過程，如此循環往復。超聲波技術解堵原理圖如圖1。

圖1 超聲波技術解堵原理圖Fig.1 Schematic diagram of blockage removal by ultrasonic technology

超聲波技術解堵實驗主要利用超聲波在液體中的空化作用，以煤層氣井下篩管為研究主體，將煤泥涂抹于篩管割縫中模擬篩管堵塞，當超聲波作用時會產生大量的空化氣泡，氣泡爆破產生的高溫高壓沖擊波降低了煤泥與割縫之間的黏結力[18]，從而使煤泥破壞或脫落。氣泡還可以鉆入縫隙中，使煤泥層隨振動脫落，同時，氣泡的強烈震蕩可以擦洗篩管表面。當有油層附著在篩管表面時，會被超聲波乳化并迅速從表面脫離。超聲波空化能在篩管表面產生明顯的速度梯度和聲流，會進一步地削弱或去除煤泥邊界層。此外，超聲波振動能使流體顆粒產生強烈的振動，使篩管表面受到強烈的沖擊，迅速清除煤泥[19]。

1.3 實驗方案

實驗共設計3 組變量，通過改變混合煤粉的粒度、成分以及超聲波作用時間來研究超聲波篩管的解堵效果及超聲作用的影響因素，超聲波技術解堵煤粉堵塞篩管物理模擬實驗方案見表1。

表1 超聲波技術解堵煤粉堵塞篩管物理模擬實驗方案Table 1 Physical simulation experiment of ultrasonic technology to remove blockage of coal fines in screen tube

將篩分好的煤粉（＜63 μm、63～125 μm、＞125～300 μm）分別按煤粉、煤粉與高嶺土粉4∶1 和煤粉與高嶺土粉2∶1 的比例加入高嶺土粉并攪拌混合，然后將混合后的煤粉再按3∶2 的比例與水混合攪拌成煤泥，將煤泥均勻涂抹在篩管割縫中。啟動超聲波發生裝置，頻率設置40 kHz，功率60 W，每組實驗超聲波作用30 min，且每隔10 min用容器收集1 次解堵液；使用砂芯真空過濾裝置過濾解堵液，并將涂抹剩余的煤粉和過濾得到的煤粉放在真空干燥裝置中烘干2 h，用稱量天平測量剩余煤粉質量和解堵出的煤粉質量。

2 煤粉粒度對超聲波解堵煤粉堵塞篩管的影響

超聲波技術對不同粒度和不同成分煤粉堵塞篩管的解堵實驗結果見表2，超聲波技術對不同粒度和不同成分煤粉堵塞篩管的煤粉解堵量和煤粉解堵百分比如圖2。

表2 超聲波技術對不同粒度和不同成分煤粉堵塞篩管的解堵實驗結果Table 2 Experimental results of ultrasonic technology for unblocking screen tubes with different particle sizes and components of coal fines

圖2 超聲波技術對不同粒度和不同成分煤粉堵塞篩管的煤粉解堵百分比Fig.2 The percentage of coal fines unblocking by ultrasonic technology for different particle sizes and compositions of coal fines clogging screen tube

由表2 和圖2 可知：超聲波對于煤粉堵塞篩管具有良好的解堵效果，而煤粉粒度對篩管解堵效果有顯著影響；粒度小于63 μm 的煤粉解堵量為6.252 8 g，占煤粉涂抹總量的62.33%；粒度為63～125 μm 的煤粉解堵量為6.363 2 g，占煤粉涂抹總量的68.12%；而粒度為＞125～300 μm 的煤粉解堵量為9.196 6 g，占煤粉涂抹總量的98.94%，在3 種粒度煤粉中解堵效果最好。

DLVO 理論認為膠體顆粒在一定條件下能否穩定存在取決于顆粒之間的相互作用力，經典DLVO 理論給出顆粒間作用力為范德華力和靜電斥力，擴展的DLVO 理論還包含水化排斥力、疏水引力、空間斥力和磁引力等[20]。黏性顆粒的粘附性是受到了附著力的作用，附著力包括顆粒間作用力、液橋力和重力。由擴展的DLVO 理論可知，顆粒間作用力主要為范德華力、靜電斥力和疏水引力。煤粉顆粒之間的疏水引力強于靜電斥力，顆粒間作用力整體表現為吸引力。根據Geldart 分類可知，解堵實驗中3 組煤粉顆粒粒度位于Geldart B 類，由于粒徑較小，顆粒重力相比于顆粒間的吸引力要小[21-22]。因此，煤粉顆粒受到的顆粒間作用力、液橋力和重力使煤粉顆粒能附著于篩管表面。

煤粉顆粒的表面是高度不規則的，在煤粉破碎過程中，一些較大孔隙被破碎形成中孔和小孔，因此隨著煤粉粒度的減小，煤粉的比表面積和比孔體積增大，平均孔徑減小，表面分形維數增加，煤粉顆粒的表面粗糙度增加。而附著力隨表面粗糙度的增加而增大[23]。煤粉粒度＜63 μm、63～125 μm和＞125～300 μm 的顆粒表面粗糙度依次減小，煤粉顆粒與篩管表面和割縫之間的附著力也逐漸減小，因此，粒度越大，超聲波技術對煤粉堵塞篩管解堵效果越好。

在煤泥混合過程中，加入相同比例的煤粉和水，煤粉粒度越小，煤粉顆粒數量越多，比表面積和比孔體積越大，增加了表面張力和保留水的能力，可以容納更多孔隙水[24]。煤粉含水率會影響顆粒間的液橋力，進而影響附著力。液橋力的大小與顆粒間持液量有關，隨著含水率增加，顆粒間持液量增加，顆粒間的水膜鏈接作用減弱，液橋力減小，附著力也相應減小[25]。在解堵實驗中，粒度＜63 μm 的煤粉顆粒數量多，顆粒間持液量小，水膜鏈接作用較強，附著力較大，而粒度63～125 μm 和＞125～300 μm 的煤粉顆粒數量依次減少，顆粒間持液量增多，水膜鏈接作用減弱，附著力也相應減小。所以，煤粉粒度越大，附著力越小，超聲波技術對煤粉堵塞篩管解堵效果越好。

3 煤粉成分對超聲波技術解堵煤粉堵塞篩管的影響

從表2 和圖2 可以看出：黏土礦物的含量對超聲波技術的解堵效果也具有明顯影響。煤粉中高嶺土粉比例越高，超聲波篩管解堵效果越好。未添加高嶺土粉的解堵實驗中，煤粉解堵百分比分別為62.33%、68.12%和98.94%；4∶1 比例加入高嶺土粉的實驗中，粒度小于63 μm 的煤粉解堵量為8.970 5 g，占煤粉涂抹總量的76.27%，粒度63～125 μm 的煤粉解堵量為10.504 2 g，占煤粉涂抹總量的88.70%，粒度＞125～300 μm 的煤粉解堵量為10.127 4 g，占煤粉涂抹總量的89.47%；以2∶1 比例加入高嶺土粉的實驗中，粒度小于63 μm 的煤粉解堵量為9.542 1 g，占煤粉涂抹總量的76.43%，粒度63～125 μm 的煤粉解堵量為12.080 3 g，占煤粉涂抹總量的91.86%，粒度＞125～300 μm的煤粉解堵量為11.996 5 g，占煤粉涂抹總量的98.09%。在加入高嶺土粉后，煤粉解堵百分比總體上呈上升趨勢，而且隨著高嶺土粉的比例增加，煤粉解堵百分比相應增加；但在＞125～300 μm 粒度范圍內，未添加高嶺土粉的煤粉解堵百分比為98.94%，要高于添加高嶺土粉的另外2 組的89.47%和98.09%。

由擴展的DLVO 理論可知，親水礦物表面間存在水化排斥力，而疏水礦物表面間存在疏水引力。高嶺土的鋁氧八面體含有大量的羥基官能團，能與水分子形成厚厚的水化膜，所以高嶺土粉的親水性遠遠高于煤粉[26]。在煤粉與高嶺土粉的混合體系中，會發生顆粒間的異相凝聚現象，部分高嶺土粉覆蓋在煤粉表面，增加了煤粉的親水性[27]，相應地減弱了煤粉顆粒間的疏水引力。因此，加入高嶺土粉的煤粉，受到的附著力要小于未加入高嶺土粉的煤粉，而且煤粉中高嶺土粉比例越高，所受到的附著力越小。而粒度＞125～300 μm 的1 組解堵實驗，未加入高嶺土粉的煤粉解堵百分比高于添加高嶺土粉的煤粉解堵百分比的原因，分析認為與煤粉粒度相關，由于解堵實驗中使用的高嶺土粉的粒度小于125 μm，混合后的煤粉的附著力受粒度影響作用大，未加入高嶺土粉的煤粉的平均粒度大，受到的附著力小，所以，未加入高嶺土粉的篩管解堵效果要強于加入高嶺土粉的篩管解堵效果。

4 超聲作用時間對解堵煤粉堵塞篩管的影響

將煤粉以3∶2 的比例與水混合攪拌成煤泥并涂抹于篩管割縫中進行解堵實驗。不同超聲作用時間條件超聲波技術解堵煤粉堵塞篩管實驗結果見表3，不同超聲作用時間條件煤粉解堵量和煤粉解堵百分比如圖3。

表3 不同超聲作用時間條件超聲波技術解堵煤粉堵塞篩管實驗結果Table 3 Experimental results of ultrasonic technology for removing blockage of coal fines in screen tube under different ultrasonic action time

圖3 不同超聲作用時間條件煤粉解堵百分比Fig.3 The percentage of coal fines blockage removal under different ultrasonic action time

由表3 和圖3 可知：超聲作用時間會影響篩管解堵效果；在0～10 min 時間段，粒度小于63 μm 的煤粉解堵量為5.022 3 g，占煤粉涂抹總量的50.06%；粒度為63～125 μm 的煤粉解堵量為3.812 5 g，占煤粉涂抹總量的40.81%；粒度＞125～300 μm的煤粉解堵量為8.303 3 g，占煤粉涂抹總量的89.23%；在10～20 min 和20～30 min 時間段解堵效果逐漸減弱，煤粉解堵量逐漸減少，粒度小于63 μm 的煤粉解堵量分別為0.621 4 g 和0.609 1 g，占煤粉涂抹總量的6.19%和6.07%；粒度63～125 μm的煤粉解堵量分別為1.532 4 g 和1.018 3 g，占煤粉涂抹總量的16.40%和10.90%；粒度＞125～300 μm的煤粉解堵量分別為0.820 3 g 和0.073 0 g，占煤粉涂抹總量的8.82%和0.78%；超聲波作用時間在0～30 min 內，隨著超聲作用時間的增長，附著于篩管上的煤粉解堵量增加，但超聲波解堵效率逐漸下降。對于采用超聲波技術解堵煤粉堵塞篩管實驗，作用時間在0～10 min 時間段解堵效果最明顯。

使用超聲波技術進行篩管解堵，解堵時間受多種因素影響：①超聲波功率：若超聲波功率比較強，可以在短時間內清洗干凈，這是由于功率增強，超聲波的機械作用和空化作用也增強[28]；②超聲波頻率：超聲波頻率越低，在液體中產生空化越容易，產生的力度越大，作用也越強，而超聲波頻率高則超聲波方向性強[18]，適合于縫隙解堵；③堵塞程度：篩管堵塞越嚴重所需要的時間越長，一般超聲波解堵時間控制在5～30 min（圖3），采用超聲波技術解堵煤粉堵塞篩管，建議解堵時，作用時間大于10 min。

5 結 語

1）煤粉粒度（＜63 μm、63～125 μm 和＞125～300 μm）越大，超聲波技術對煤粉堵塞篩管的解堵效果越強。煤粉的粒度越小，煤粉的比表面積和比孔體積增大，一方面可以容納更多孔隙水，另一方面平均孔徑減小，表面分形維數增加，煤粉顆粒的表面粗糙度增加，煤粉受到的附著力作用增強，解堵效果減弱。

2）煤粉中所含高嶺土粉比例越高，超聲波技術對煤粉堵塞篩管的解堵效果越好。煤粉中高嶺土比例增加，改善了煤粉的親水性，煤粉顆粒間的疏水引力減小，所受到的附著力相應減小，解堵效果提高。

3）采用超聲波技術對煤粉堵塞篩管進行解堵，超聲波作用時間在0～30 min 內，隨超聲波作用時間的增長，超聲波解堵效率降低，其中，作用時間在0～10 min 時間段解堵效果最明顯，建議超聲波解堵時，作用時間大于10 min。

4）實驗旨在探討超聲波技術對煤粉堵塞篩管的解堵效果和影響因素。實驗證明：采用超聲波技術可以有效清除煤泥，對煤粉堵塞篩管有顯著的解堵效果。如何將該超聲波技術應用到現場煤層氣井下篩管內部將后續進一步研究。