煤粉产出成因分类

煤粉的形成有多种途径。在煤层没有被揭露,即煤层气开发前,主要取决于煤层本身的性质以及煤层后期受到的地质构造的改造与破坏作用。当煤层开始煤层气开发利用后,钻井、压裂以及后期的煤层气排采过程会导致煤储层机械破坏和应力条件改变,进而导致煤粉的产生。煤粉的形成不仅取决于煤层本身,还受到机械破坏、排采降压等因素的影响。煤岩组分和相对含量、煤体结构、煤岩变形等因素是煤粉产出的基础,也就是地质成因在钻井、压裂和排采阶段产生的煤粉则属于工程诱因。根据煤粉的成因,可将煤粉分为地质成因的煤粉和工程诱因的煤粉。具体煤粉成因分类如图3-8所示。

图3-8 煤粉成因分类

1.煤层固有煤粉

煤是一种抗压和抗拉强度均较低的脆弱介质。与其他常规岩石相比,煤的弹性模量更低,这说明煤比其他岩石更易受压而破坏。尽管煤基质块的泊松比较高,但煤中天然裂隙的发育大大降低了煤的强度,使之比其他岩石更易破碎。煤的形成是一个漫长的地质演化过程。虽然煤岩在钻采开发之前,所受到的应力、压力、温度等外界条件均是处于平衡状态,但是煤层中本身存在一定量的固相颗粒。

我国在全球构造格局中所处的特殊位置决定了煤盆地构造-热演化历史复杂,煤层受到了不同程度的改造和破坏,煤岩变形显著,不同类型的构造煤发育。因此,后期地质构造运动造成的煤层破坏,使煤层中产生大量的原生煤粉颗粒,这些颗粒即为煤层气开采过程中煤粉产出的重要来源之一。

归纳前人研究成果(陈振宏等,2009白建梅等,2010李仰民等,2010刘升贵等,2011),煤层中的固有煤粉主要有两方面来源:煤层中无机矿物和有机组分,以及受到构造应力破碎而产生的碎屑颗粒。

1)煤岩中无机矿物与有机组分

煤岩是由各种有机显微组分和无机矿物质组成,不同的煤岩组分、不同的矿物成分都会影响煤粉的产出情况。一般说来,黏土矿物越多,对煤储层渗透性影响越大,这是由于黏土矿物集合体对骨架颗粒附着力很差,黏土矿物晶体之间结合力也很弱,在高速流体的剪切应力作用下,不仅使黏土矿物集合体从骨架颗粒上脱落成碎片,而且这些碎片随流体移动易堵塞喉道,极大降低煤储层渗透性。同煤级中显微脆度由大到小依次为镜质组、惰质组、壳质组,镜质组显微脆度大,受外力作用易破碎,形成煤粉。

2)煤层构造破坏

含煤地层形成后往往经历复杂的构造演化历程,煤层在构造应力作用下发生变形,形成不同类型的构造煤。构造煤具有低强度、低渗透率、微孔隙等特点(琚宜文等,2005姜波等,2009),比表面积大,常附着大量煤基质颗粒,是煤层固有煤粉的主要部分。根据同种煤阶横向对比,鳞片煤和碎粒煤最易形成煤粉原生结构煤产生的煤粉相对较少。

2.机械破坏产生的煤粉

机械破坏作用产生的煤粉主要指煤层气开发前期的钻井、射孔、压裂工程对煤储层的物理机械破坏。钻具研磨及压裂支撑剂打磨是煤粉产生的重要原因。在钻井过程中,钻具研磨煤层会产生煤粉,这部分煤粉一般颗粒较粗,粒径可达2～5mm,通常无法进入煤岩裂缝而被排出。图3-9为钻井过程中从钻井泥浆池取出的不同尺寸的煤粉颗粒(煤屑)。在压裂过程中,由于压裂液的高压高速突进和支撑剂注入过程中对煤岩裂缝的冲击,也会在裂缝表面产生煤粉,并被压裂液推向裂缝远端,成为排采过程中的煤粉来源之一。

图3-9 钻井泥浆中的煤粉颗粒（煤屑）

3.应力状态改变产生的煤粉

在排水降压过程中,储层压力条件改变,导致煤基质应力状态变化,煤岩逐渐失去原有的应力平衡,煤岩的弹性自调节效应导致煤粉的产生(陈振宏等,2009)。例如排采生产引起煤层有效应力增加,会导致煤岩基质破裂,产生大量煤粉(图3-10)。一方面随着煤层气的采动,有效应力(煤基质外力)增大,裂隙宽度减小,煤基质在有效应力作用下产生挤压破坏,产生煤粉另一方面,伴随流体压力降低,煤层气解吸,煤基质发生收缩,产生煤基质内力,裂隙宽度增大(Harpalani S,1991),解吸气体携带煤粉通过裂隙系统进入井筒。

图3-10 煤岩基质破裂产生煤粉（SEM图像）

通过SEM可以观察到活性炭的表观形貌及晶体结构，而无法判断含氧官能团的存在与否。因此，SEM图片中出现白色部分不能断定为含氧官能团导致，只是有这个可能，还可能是由于电镜扫描得出的图片本身就会出现明暗交织的图像。

1、放大率：

与普通光学显微镜不同，在SEM中，是通过控制扫描区域的大小来控制放大率的。如果需要更高的放大率，只需要扫描更小的一块面积就可以了。放大率由屏幕/照片面积除以扫描面积得到。

所以，SEM中，透镜与放大率无关。

2、场深：

在SEM中，位于焦平面上下的一小层区域内的样品点都可以得到良好的会焦而成象。这一小层的厚度称为场深，通常为几纳米厚，所以，SEM可以用于纳米级样品的三维成像。

3、作用体积：

电子束不仅仅与样品表层原子发生作用，它实际上与一定厚度范围内的样品原子发生作用，所以存在一个作用“体积”。

4、工作距离：

工作距离指从物镜到样品最高点的垂直距离。

如果增加工作距离，可以在其他条件不变的情况下获得更大的场深。如果减少工作距离，则可以在其他条件不变的情况下获得更高的分辨率。通常使用的工作距离在5毫米到10毫米之间。

5、成象：

次级电子和背散射电子可以用于成象，但后者不如前者，所以通常使用次级电子。

6、表面分析：

欧革电子、特征X射线、背散射电子的产生过程均与样品原子性质有关，所以可以用于成分分析。但由于电子束只能穿透样品表面很浅的一层（参见作用体积），所以只能用于表面分析。

表面分析以特征X射线分析最常用，所用到的探测器有两种：能谱分析仪与波谱分析仪。前者速度快但精度不高，后者非常精确，可以检测到“痕迹元素”的存在但耗时太长。

观察方法：

如果图像是规则的（具螺旋对称的活体高分子物质或结晶），则将电镜像放在光衍射计上可容易地观察图像的平行周期性。

尤其用光过滤法，即只留衍射像上有周期性的衍射斑，将其他部分遮蔽使重新衍射，则会得到背景干扰少的鲜明图像。

扩展资料：

SEM扫描电镜图的分析方法：

从干扰严重的电镜照片中找出真实图像的方法。在电镜照片中，有时因为背景干扰严重，只用肉眼观察不能判断出目的物的图像。

图像与其衍射像之间存在着数学的傅立叶变换关系，所以将电镜像用光度计扫描，使各点的浓淡数值化，将之进行傅立叶变换，便可求出衍射像〔衍射斑的强度（振幅的2乘）和其相位〕。

将其相位与从电子衍射或X射线衍射强度所得的振幅组合起来进行傅立叶变换，则会得到更鲜明的图像。此法对属于活体膜之一的紫膜等一些由二维结晶所成的材料特别适用。

扫描电镜从原理上讲就是利用聚焦得非常细的高能电子束在试样上扫描，激发出各种物理信息。通过对这些信息的接受、放大和显示成像，获得测试试样表面形貌的观察。

参考资料：百度百科-扫描电子显微镜

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