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）

1.粒度特征与运移规律

为了研究煤层气生产过程中,随流体运移煤粉粒度特征变化情况,采集井口产出的煤粉样品(图6-14)和修井煤粉样品(图6-15),对比分析两类煤粉样品的粒度特征(图6-16,图6-17),总结煤粉粒度特征随运移变化规律。

图6-13 韩城区块稳定产气阶段产出煤粉浓度平面分布图

图6-14 井口排采液样中煤粉样品

图6-15 井底修井煤粉样品

由图6-14和图6-15可知,井口排采煤粉颗粒细小,形态在肉眼下不能辨别,井底煤粉颗粒普遍较大且多成块状、柱状。分析认为,粒度大小不一、形状复杂多样的煤粉颗粒从煤储层中产出后,会随着煤层气、水两相流体进入煤层气排采系统内。由于绕丝筛管的阻挡作用,粒度较大的煤粉颗粒将不易进入泵筒内,而在自身重力作用下沉积于井底,但不排除小颗粒煤粉进入排采系统后,由于修井或其他原因导致的停机后,小颗粒煤粉在静置较长时间后凝聚而成的较大颗粒煤粉。另一方面,大量粒度细小的煤粉会进入泵筒内,若煤层气排水强度无法将进入泵筒内的煤粉举升排至地面,则会导致煤粉持续附着于泵筒之内,煤粉的长期附着容易造成卡泵或泵漏失等井下故障。因此,对于煤粉在液体中的沉降条件的分析显得尤为重要。在煤粉密度、流体密度等条件一定的情况下,煤粉颗粒大小是影响其能否正常举升至地面的关键因素。

图6-16 井口排采液样中煤粉的粒度分布

图6-17 修井煤粉的粒度分布

由图6-16和图6-17显示的激光粒度测试结果可知,井口产出煤粉粒度在10～100μm之间,煤粉粒度小井底煤粉样品粒度主要在10～1000μm之间,煤粉粒度大。煤粉在运移过程中,从井底到排采井口,煤粉粒度变小。因此,煤粉的粒度随着煤粉的运移逐级变小。

2.形态特征与运移规律

为了研究煤层气生产过程中,煤粉形态特征随流体运移的变化情况,对采集的井口产出的煤粉样品和修井煤粉样品进行扫描电镜测试,对比分析两类煤粉样品的形态特征(图6-18),总结煤粉形态特征随运移变化规律。

通过对比井口排采液中煤粉样品与井底修井煤粉样品的形态特征可知,井口煤粉样品大多呈球状、片状,棱角不明显,磨圆度好,且粒度较小。井底煤粉样品大多呈块状,立方体状,棱角明显,磨圆度差,粒度大。分析认为,块状且粒径较大的煤粉颗粒易沉降在尾管或泵筒底部,且由于运移距离比小粒径的煤粉颗粒短,故磨圆度不高。片状与球状的小煤粉颗粒易随流体排出,且在长距离运移过程中,煤粉颗粒相互摩擦,故磨圆度较好。因此,煤粉的形态随着煤粉的运移磨圆度逐渐变好。

图6-18 煤粉样品SEM图片

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