沁水盆地柿莊地區煤粉發育特征及其對產出的影響

韓文龍 ，王延斌 ，王 力 ，趙石虎

（1.深圳大學 土木與交通工程學院，廣東 深圳 518060；2.中國礦業大學（北京） 地球科學與測繪工程學院，北京 100083；3.中聯煤層氣有限責任公司，北京 100011）

我國大多數含煤盆地經歷了多期構造演化，導致煤層中構造煤和煤粉較為發育[1-2]；同時，受煤巖自身特殊的力學性質的影響，在煤層氣開發過程中極易產生煤粉、煤泥、煤焦及其他固相顆粒（統稱煤粉）[1-3]。產出的煤粉在井筒中凝結成塊，引發卡泵和凡爾賽漏失等生產事故，影響排采工作的連續性，導致排采時效降低[4-6]；同時，頻繁的停機或長時間的修井作業會造成速敏和水敏等儲層傷害，進而導致煤層氣井產氣量的降低，煤粉問題直接影響了單井產氣量穩定和提升[7-8]。

當前國內外圍繞煤粉的生成、產出和控制方面展開了大量研究。煤粉生成是地質因素和開發因素雙重作用的結果[9]，可分為原生煤粉和次生煤粉[10-11]。煤粉物質組成包括有機質組分和無機礦物，且不同地區也存在較大的差異。專家學者基于現場監測、物理模擬實驗、理論分析和數值模擬等方法對煤粉運移機理和產出特征進行了研究，構建了煤粉顆粒理想化條件下的啟動-運移數學模型[12]；提出了合理控制煤層井的工作壓差、采用攜煤粉能力較大的螺桿泵進行排采、在螺桿泵接防砂尾管結合油套環空、井筒中注水稀釋等的防控措施；設計了機械濾煤粉管、防煤粉排采泵和掛籃式沉砂管等新型排采設備，為煤層氣井的排采、撈砂一體化奠定了基礎[1,13-14]。

因此，基于鉆井取心、測井資料、排采數據和煤層氣井產煤粉監測和粒度測試等數據，對沁水盆地柿莊地區煤粉發規律及其對產出的影響特征進行了系統的分析，以期為研究區及其相鄰區塊煤粉管控提供地質支撐和理論指導。

1 研究區概況

研究區位于沁水盆地中南部地區，主采煤層為山西組的3#煤，煤層埋深為496 ～ 1 267 m，平均為787 m，由東南向西北逐漸變深，煤層厚度5.04 ～ 7.16 m，平均6.11 m。3#煤層整體構造特征表現出北部以斷層為主和南部褶皺為主的構造特征，斷層主要集中在北部地區，呈NS 或NNE 向展布，發育規模較小，其中寺頭斷層為區域性大斷層，位于研究區中部[15]。南部地區整體為一向西傾斜的單斜構造，傾角較小，多在5°之下，局部地層受構造運動影響可達16°，并發育大量次級褶皺以及小型陷落柱。

2 煤粉產生機理及發育規律

2.1 原生煤粉發育規律

2.1.1 原生煤粉產生成機理

正斷層形成機理圖如圖1。

圖1 正斷層形成機理圖[16]Fig.1 Normal fault formation mechanism diagram

斷裂是構造應力高度集中的結果，并導致其附近的應力重新分布。在斷層形成過程中，斷層帶中的煤層在2 個斷層塊之間受到強烈的剪切作用，致使煤體結構破碎。同時，斷裂面附近上盤的煤巖在初始斷裂時受到主應力的作用，沿斷裂面產生剪切應力。該剪應力穿過斷層帶到達斷層下盤煤巖，并形成與斷層面平行的小斷層或相交的小角度裂縫。活動較為強烈的地方產生煤巖的揉碎和破裂，進而形成煤粉發育區。斷層活動對煤粉生成主要為斷層擾動帶內，對正斷層來說，斷層上盤發生揉皺，煤層的破壞作用最為嚴重，且影響范圍較下盤大，形成煤粉量較多。但相對于逆斷層，正斷層對煤體的破壞范圍相對較小[16]。

煤層在水平應力作用下發生彎曲變形，在層之間接觸平面附近引起剪切應力集中。在剪應力的作用下，堅硬的頂板巖層會破壞較軟的煤層，從而導致煤體結構在接觸面處破碎。煤層經歷多次構造演化時，由于多次變形疊加導致該區域變得更加破碎，破碎的煤體可以進一步磨成細粉，最終導致沿煤層和頂板之間的接觸分布幾乎水平的軟煤層。同時，在上覆巖層垂直壓實作用下，細粉狀軟煤形成局部塊體[16]。褶皺形成過程中的應力特征圖如圖2。

圖2 褶皺形成過程中的應力特征圖[16]Fig.2 Stress characteristics during fold formation

2.1.2 基于測井信息的原生煤粉發育規律

基于測井信息的煤構造識別可分為以下幾個步驟[17]：①根據煤樣巖心的觀察和描述結果確定煤結構類型；②分析不同結構煤樣深度校正后測井參數的響應特征；③根據測井參數響應特征，判斷無煤巖心井煤體結構。

對127 個典型煤樣測井值的統計結果表明，有3 類測井曲線對煤結構有強烈響應：聲波時差測井（AC）、自然伽馬測井（GR）和井徑測井（CAL）。測井信息與煤體結構關系特征圖如圖3。

圖3 測井信息與煤體結構關系特征圖Fig.3 Relationship between log information and coal structure

根據煤體結構垂向特征進行煤粉發育區的劃分，具體劃分原則如下：首先，將煤層等分為上中下3 部分；然后，計算每一部分糜棱結構煤和碎粒結構煤厚度含量的百分比：當2 種煤體結構占比之和超過30%時，則稱該部分為煤粉發育區；小于10%時，則稱該部分為煤粉不發育區；處于10% ～ 30%之間，則為煤粉較少發育區。根據上述原則，共將研究區劃分為5 個煤粉發育特征分區：煤粉發育復雜區、煤層底部發育煤粉區、煤粉不發育區、煤粉較少發育區和煤層頂底發育煤粉區。

原生煤粉發育特征分布圖如圖4。

圖4 原生煤粉發育特征分布圖Fig.4 Coal fine distribution map

a 區為煤粉發育復雜區，該區域的煤體結構以碎裂-碎粒煤為主，垂向變化較大，相對復雜；b區為煤層底部發育煤粉區，煤層中下部含夾矸，碎裂-碎粒煤為主，煤粉主要分布在煤層底部，局部地區頂部發育煤粉；c 區煤粉不發育區，煤體結構以原生-碎裂煤為主，組合較為簡單；d 區煤層底部發育煤粉區，以碎裂-碎粒結構為主，垂向分布復雜，煤粉主要發育在煤層底部；e 區同樣為煤粉不發育區，該區的碎裂+原生結構煤發育且位于上部，煤粉發育較少且位于中下部；f 區為煤粉較少發育區，以碎裂為主，煤粉很少發育，可能在底部或局部地區頂部發育；g 區為煤層頂底發育煤粉區，煤體結構以碎粒-碎裂為主，煤粉一般發育在頂部和底部；h 區為煤粉發育復雜區，煤體結構類型及組合復雜，煤粉賦存特征垂向上變化較大，很難有一定的規律性。圖中白色區域為開發程度較低地區，并不是研究的重點，因此未進行評價。

2.2 次生煤粉發育規律

鉆井過程中產生的煤粉主要分布在井筒附近，其形成方式主要有鉆具對煤巖的機械打磨、鉆井液與煤巖的化學傷害、鉆壓造成的煤巖應力狀態改變、固井水泥對煤巖的傷害，射孔過程中的打磨作用等[1,18]。在水力壓裂過程中，隨著壓裂液和支撐劑在高壓下高速滲透，由于新裂縫的表面相對粗糙，從而對裂縫的壁進行沖擊和摩擦，進而產生了大量新的煤粉；這些煤粉在壓裂裂縫中形成聚集體，或與壓裂液一起運移到天然裂隙中，多數煤層氣生產過程中與煤層中的水和氣體一起產出。煤層氣排采過程中產生煤粉的主要原因包括排采強度變化對煤巖的沖蝕破壞、氣體解吸過程中煤巖收縮產生的應力對煤巖的破壞和排采不連續引發的儲層壓力變化。排采過程中產生的煤粉一般分布在壓裂縫、天然裂隙和解吸孔隙中，顆粒較小。

3 煤粉產出特征

3.1 樣品采集與處理

系統長時間采集煤層氣井產出水，將具有含煤粉的煤層水收集在干凈的5 L 桶中。煤粉水樣運輸到實驗室后，將水靜置12～24 h，煤粉完全沉降后，將水排干。將沉淀物置于濾紙上，并用蒸餾水洗滌3 ～ 5 次，隨后將置于坩堝中，在干燥箱50 ℃的溫度 下干燥12 h。干燥后的煤粉凝固成塊狀，將其放入燒杯中，加入蒸餾水，待煤粉完全浸濕后輕輕用玻璃棒攪拌開。然后用磁棒進行去磁處理，處理后將煤粉放入密封袋中保存。煤粉樣品處理圖如圖5。

圖5 煤粉樣品處理圖Fig.5 Coal fines sample processing diagram

3.2 產出煤粉質量分數

產出液煤粉質量分數測試原理圖如圖6。

高精度井底壓力計和高精度井底壓力計固定在油管的外壁，通過數據傳輸電纜與數據記錄儀的輸入端相連。高精度井底壓力計與高精度井底壓力計間隔h（h一般取20 m）。

測試標定過程如下：

1）計算地層液密度。

式中： ρ為地層密度，kg/m3； Δp為2 個壓力計壓力之差；g為重力加速度，取9.8 N/kg；h為壓力計高度差，取20 m。

2）校正溶液密度。若地層液礦化度較高，需校正含陰、陽離子溶液密度計算含陰、陽離子的溶液密度。

式中： ρ1為 濾液密度，kg/m3；V1為取液測試濾除煤粉后的溶液體積，m3；m1為取液測試濾除煤粉后的溶液質量，kg。

3）計算產出液煤粉質量百分比，即煤粉質量分數。

式中： ψ為煤粉質量分數，%； ρ2為煤層密度，kg/m3。

通過計算研究區產出液煤粉質量分數測試儀的監測結果（30 口井），發現煤粉產出質量分數主要集中在0 ～ 0.5%之間，不同排采時間，不同地區的煤粉產出存在一定的差異，其中2 口井在產氣上升期的煤粉產出質量分數高達2%。

3.3 產出煤粉粒徑

使用Mastersizer3000 激光粒度測試儀（英國Malvern Inc.）測試了煤粉的顆粒尺寸，發現產出煤粉粒徑分布較廣，為0.4 ～ 3 300 μm，為了進一步分析煤粉粒徑分布特征，將粒徑等級劃分為≤1 μm、＞1 ～≤10 μm、＞10～≤100 μm、＞100～≤1 000 μm和＞1 000 μm 5 個等級。煤粉粒徑分布特征圖如圖7。

圖7 煤粉粒徑分布特征圖Fig.7 Particle size distribution of pulverized coal

由圖7 可知：≤1 μm 粒級的煤粉體積密度占比在0.57% ～ 7.11%，平均為2.06%，占比相對較小，該粒級的煤粉貫穿煤層氣排采的各個階段；＞1 ～≤10 μm 粒級的煤粉體積密度占比在5.75% ～47.02%，平均22.65%，占比相對較大；在不同煤層氣排采階段，產出該粒級的體積密度占比變化幅度較小，主要集中在15% ～ 30%，說明儲層流體動力條件、裂隙和支撐劑孔隙等特征對該粒級煤粉的產出影響較小；＞10 ～≤100 μm 粒級的煤粉體積密度占比在17.95% ～ 64.19%，平均43.44%，是煤粉粒徑的主要分布區間，且在不同的煤層氣排采階段均有較大的占比，分析認為，該粒級的煤粉運移所需的水動力較小，且受儲層裂隙和支撐劑孔隙篩濾作用較小，在儲層中自由度較高，同時，該粒級在糜棱結構煤、鉆井壓裂過程形成的煤粉中廣泛發育；＞100～≤1 000 μm 粒級的煤粉體積密度占比在0.26% ～ 22.45%，平均10.08%，占比相對較小，該粒級多數為近井筒地帶的煤粉，且在煤層氣排采初期容易隨流體產出；＞1 000 μm粒級的煤粉體積密度占比在0.02% ～ 64.74%，平均24.65%，由于粒度較大，受自身條件的限制，該粒級的煤粉需要較大的流速條件才能產出，煤層氣排采初期水動力條件較強，容易隨著煤層中的氣液產出，同時受煤層氣儲層裂縫和支撐劑特征的限制，煤層中大量該粒級的原生煤粉受篩濾作用而無法產出。

3.4 初次產煤粉時間

柿莊區塊分為柿莊南區塊和柿莊北區塊，2 區塊的勘探開發程度不同，初次排采時間不同，因此，分別對柿莊南和柿莊北區塊的產煤粉情況分別進行了統計分析。柿莊地區產煤粉井數統計結果如圖8。

圖8 柿莊地區產煤粉井數統計結果Fig.8 Statistics on the number of wells producing coal fines in Shizhuang area

柿莊南區塊891 口煤粉監測井統計可知（圖8（a））：共計640 口井不產煤粉，占總井數的72%；142 口井在見套壓前開始產煤粉，占總井數的16%；109 口井在見套壓后開始產煤粉，占總井數的12%。柿莊北統計結果表明（圖8（b））：116口中有58 口井不產煤粉，占總井數的50%；19 口井在見套壓前開始產煤粉，占總井數的16%；19口井在見套壓后10 d 內開始產煤粉，占總井數的16%；10 口井在見套壓10 ～ 90 d 開始產煤粉，占總井數的9%；10 口井在見套壓后90 d 以上開始產煤粉，占總井數的9%。

4 煤粉發育對產出的影響

4.1 初次產煤粉時間

由研究區產煤粉井平面分布圖（圖4）可知：在原生煤粉發育復雜區（a 區、h 區），煤層氣井一般在見氣之前初次產煤粉，即單相水流階段產粉，分析認為，該地區煤層的煤體結構破壞較為嚴重，原生煤粉較為發育，同時在鉆井和壓裂過程中容易形成大量的煤粉，這類煤粉混雜著原生煤粉賦存在井筒附近，更容易隨地層液體產出，因此在排采初期會發生煤粉的產出；受原生煤粉發育位置以及次生煤粉產生強度的影響，煤層底部發育原生煤粉區（b 區、d 區）和原生煤粉頂底發育區（g 區）的初次產粉時間較為復雜；在原生煤粉不發育區（c 區、e 區）和原生煤粉較少發育區（f 區），煤層氣井多數在見氣之后初次產煤粉，由于這類區域的煤體結構較為完整，煤巖力學強度較大，原生煤粉發育較少，同時鉆井和壓裂工程產生的次生煤粉也會隨著壓裂液運移到井筒的遠端，因此僅有少部分井呈現出見氣之前產粉。

4.2 不同排采階段煤粉產出特征

我國高煤階儲層基本處于欠飽和狀態，煤層氣滲流過程包括排水降壓、提產放氣、穩定產氣和產氣衰減4 個階段[19]。基于煤層氣滲流階段，系統分析煤粉發育對不同排采階段煤粉產出特征，不同排采階段煤粉產出特征示意圖如圖9。

圖9 不同排采階段煤粉產出特征示意圖Fig.9 Schematic of coal fines output characteristics in different drainage stages

1）第1 個排采階段。由于距井底較遠的煤粉無法長距離遷移，此階段煤粉主要是以井底附近中、粗顆粒煤粉為主，多數為鉆井和壓裂工程中生成的煤粉，柿莊地區8 口井地層產出煤粉質量分數在0 ～ 0.5%之間，均沒有超過1%，但是顆粒粒徑集中在0.5 ～ 1.0 mm 之間，大顆粒的煤粉主要沉積到井底的口袋中，少部分大顆粒煤粉會被吸入到排采泵中容易引發卡泵事故。

2）第2 階段。地層供水非常不穩定，變化較大，導致儲層流體的運動過程極為復雜，排采制度和煤粉發育特征對儲層流體的運移產出影響較大。若煤粉主要為井筒周圍的次生煤粉，則容易隨氣液一起產出。若主要為原生煤粉或壓裂工程產生的次生煤粉，排采強度控制著煤粉的運移產出特征，當排采強度過大，容易引起儲層中固體顆粒的激動，大量煤粉運移，當超過裂縫的導流能力時，則會發生煤粉堵塞，造成氣液產量降低；當排采強度過低時，攜粉能力下降，煤粉無法啟動運移，且運移的煤粉易沉降在通道，最終會引起泵堵塞、滲透率傷害以及產氣量的降低，因此該階段應結合煤粉的發育規律，合理地制定排采速率。

3）第3 階段。排采工作制度相對穩定，地層流體的攜粉能力較弱，產出的煤粉多數為遠端裂縫中的原生煤粉或壓裂工程產生的次生煤粉。此階段產出的煤粉粒徑較小，以細顆粒煤粉為主，且質量分數較低，細小顆粒的煤粉一部分在壓差作用下隨氣、水運移至井筒中，剩余部分沉積在裂隙通道內。現場實測數據顯示最高質量分數為0.4%，顆粒粒徑小于0.2 mm。

4）第4 階段。煤層氣井產氣量和產水量逐漸變小甚至中斷，煤粉產出較少。隨著產水量逐漸降低，儲層中大部分煤粉沉淀在裂隙內，僅少量煤粉以粉塵形式隨氣產出，煤粉顆粒粒徑一般小于1 μm，高速運移的煤粉顆粒對煤儲層的孔裂隙通道具有疏通打磨作用，使得煤層的透氣性明顯提高，有利于氣體的產出。現場監測數據顯示煤粉顆粒粒徑小于0.1 mm。

5 結 論

1）研究區原生煤粉可劃分為煤粉發育復雜區、煤層底部發育煤粉區、煤粉不發育區、煤粉較少發育區和煤層頂底發育煤粉區5 類地區；次生煤粉主要分布在井筒附近、壓裂裂縫和天然裂縫中。

2）原生煤粉發育復雜區一般在見氣之前初次產煤粉，原生煤粉底部發育區和原生煤粉頂底發育區的多數井在產氣后初次產粉，原生煤粉不發育區和原生煤粉較少發育區一般在見氣之后初次產煤粉。

3）產出煤粉粒徑分布在0.4 ～ 3 300 μm，質量分數集中在0 ～ 0.5%。排水降壓階段主要受井筒附近煤粉發育特征的影響，產出煤粉以中、粗顆粒煤粉為主，煤粉顆粒大，質量分數不高；提產放氣階段受排采強度和煤粉發育特征的影響，以中、細顆粒煤粉為主，煤粉顆粒較小，煤粉質量分數高且波動較大；穩定產氣階段主要產出遠端裂縫中的原生煤粉或壓裂工程產生的次生煤粉，煤粉顆粒更小，煤粉質量分數相對較小且波動小。