煤层气排采中煤粉产出的影响因素

煤层气排采中煤粉产出的影响因素

煤粉是煤层气开发过程中普遍存在的问题，它会堵塞煤层气运移通道，影响单井产量。通过对潘庄区块煤粉的镜下观察和煤粉成因机制分析，探讨煤粉产生的影响因素及有效的管控措施。研究结果表明：煤粉的形成主要包括地质成因和工程诱因两种类型；自生成因的煤粉颗粒相对细碎，呈条带状分布。构造成因的煤粉颗粒杂乱，大小不一，断面清晰，多与裂缝伴生；地质因素中构造背景、煤岩结构和沉积环境对煤粉产生具有控制作用。工程诱因中钻井、压裂排采和排采间断过程中都可以增加煤粉产生的几率。针对不同的煤粉成因，探讨了相的应对措施。

标签：煤粉特征；地质因素；工程诱因；管控措施

随着我国煤层气商业化进程的加速，实践经验表明地质背景、施工方式、排采制度等因素不同程度的影响煤层气开发效率。由于我国煤岩形成的构造背景复杂，导致煤岩抗压强度降低，脆性增加，在排水采气过程中，煤粉的产生是必然结果。前人对煤粉的形成的弊端取得相同观点：煤粉的运移会堵塞煤层的孔—缝系统，导致渗透率的降低，影响煤层气井产量甚至使气井报废；煤粉大量的产出，使排采设备出现卡泵的问题，缩短了检泵的周期，作业次数的增加会对煤储层造成毁灭的后果。因此，针对煤层中煤粉产生的影响因素进行研究，即是制定有效治理措施的基础，又可以有效提高煤层气整体开发效益。

潘庄区块位于沁水盆地东南部晋城斜坡带，构造相对简单，褶皱宽缓而且两翼对称。潘庄区块煤系地层厚度较大，厚度在127～178m之间，3#、9#和15#分布稳定。山西组的3#煤层厚度跨度较大，平均厚度5～6m；太原组15#煤层厚度范围为3～11m，呈现整体中间薄向南北两侧变厚的趋势。笔者通过对潘庄煤粉成因及其影响因素分析，探讨煤粉管控的有效方法，有效降低煤粉对储层的伤害。

1 煤粉成因类型

煤粉的形成与多种因素相关，主要包括地质成因和工程诱因两种类型七个亚类（图1）。地质成因的煤粉又称自生煤粉，主要包括粘土矿物成因煤粉和构造成因煤粉。工程诱因煤粉包括机械破坏产生煤粉和排采过程中产生煤粉。前者包括钻井和压裂过程中形成煤粉，后者与单相流、气液固三相流和解吸阶段产生的煤粉有关。

2 煤粉微观特征及成分组成

通过扫描电镜对潘庄煤粉的微观形态进行观察，自生形成的煤粉形态主要呈片状，颗粒大小相对均匀，而且这些碎粒边缘不清晰，部分煤粉来自粘土矿物脱落，但是其原始物质已经无法观测，只能通过其成分判断（图1a）。构造形成的煤粉与前者有着明显的区别，煤粉颗粒大小差异较大，基本都是以块状的形态存

在（图1b），小颗粒形态多种多样，大粒径的煤粉边缘形态清晰，棱角明显，具有后生形成的破裂特征，偶尔可见煤粉脱落后在煤岩表面形成的铸模孔。从观测结果可知，自生成因的煤粉颗粒相对细碎，粒径较小，而且多呈条带状分布，较好的反应了原生的特点。构造成因的煤粉颗粒杂乱，大小不一，断面清晰，后期破坏特征突出，多与裂缝伴生。

图2 煤粉扫描电镜特征

3 煤粉产生的影响因素及管控措施

煤粉的形成受到多种因素的影响，主要包括地质因素和工程因素，下面系统分析两种因素对煤粉产生的影响及如何制定有效的防范措施。

3.1 地质因素对煤粉产出的影响

地质因素主要包括构造背景、煤岩结构和沉积环境对煤粉产生的影响。

①构造背景对聚煤的控制作用明显，地质活动的强弱直接影响煤岩的完整性，也就控制了自生煤粉的产生。潘庄区块褶皱发育，向斜和背斜由于煤层所处位置不同，受到的应力作用也有所不同。向斜中和面以上受到的是剪应力，应力集中形成高压区，此时会对煤岩本身造成挤压或者发生顺层滑动，易形成煤粉。中和面以下主要表现为拉张应力，伴随裂缝的大量出现，裂缝开裂时同样会产生大量煤粉。背斜受应力条件与和向斜相反，中和面以上为拉张应力，中和面下为剪应力。

②煤岩结构直接与煤粉的产生有着密切的关系。在扫描电镜下可以发现原生结构的煤岩煤粉含量少于构造煤煤粉含量。构造活动较弱的地区，煤岩一般保持了原生结构，而随着构造活动的频繁和煤岩脆性的影响，煤层遭受严重破坏，形成糜棱煤。潘庄地区主要为单斜构造，虽然构造活动不强烈，但是褶皱大量发育依然会对煤岩结构影响较大。通过岩芯观察发现潘庄煤岩结构单一，褶皱的轴部主要发生塑性变形，煤粉这该位置较为发育。

③沉积环境通过控制物源决定煤岩特征，同样控制煤粉的形成。煤岩的煤粉主要与同生矿物和后生矿物有关。同生矿物包含碎屑矿物和自生矿物。在煤岩成岩过程中与煤同时堆积的矿物，主要是通过风力或者流水搬运的陆源矿物，常见矿物有石英、长石、岩屑或者火山灰等。自生矿物是在早期环境中与水环境有关形成的化学沉淀或者水与有机物形成的。常见的有粘土矿物、碳酸盐、硫化物等。后生矿物的形成与地下水的活动有关，煤岩孔隙中充填部分后生矿物。当煤岩受到岩浆的热变质作用的影响时也会形成热变矿物。潘庄高岭石和伊利石含量为矿物含量的80%以上，是煤粉形成的主要来源（图3）。

3.2 工程因素对煤粉产出的影响

①钻井过程中产出的煤粉。由于煤岩本身较脆，泊松比小，在钻穿煤层时产

生大量煤岩碎粒，这些颗粒粒径变化较大，一部分会被带到地表，一部分会附着在井口附近。另外在钻进过程中形成的应力集中同样会造成煤粉。

②压裂过程中，压裂液和支撐剂在造缝的过程中同样会产生煤粉，这部分煤粉可以随压裂液波及更大的范围，对煤储层产生破坏作用。煤层在造缝过程中，裂缝的产生没有规律性可言，煤岩一般会沿着割理和水平最大主应力的方向延展，但是垂向上由于上下围压较大和煤岩塑性较好的原因，垂向造缝的效果一般较差。不规则裂缝会导致压裂液的应力分解，从而出现剪切力，会对煤粉造成较强的破坏，此时会形成大量的煤粉，压裂液通过大裂缝将煤粉输送到煤层深处。

③排采过程一般分为三个阶段，第一阶段为液相；第二阶段气水混合相；第三阶段气相。第一阶段煤储层中孔隙压力变化较小，基本不会导致新的煤粉产生。第二阶段进入气水两相流，煤储层中孔隙压力随着气体的产出会下降明显，煤岩骨架遭到破坏，会产生细粒煤粉随液体排出。第三阶段主要以气体为主，煤粉可以随气体运移。④排水间断同样会导致煤粉产生。煤层气在排采过程中，由于煤粉或者吐砂等情况会导致检泵，使排采过程不连续。煤层气排采间断会导致煤层孔隙压力下降突然停止，压力恢复后又继续降压，煤岩基质收缩和和膨胀的过程会产生煤粉。因此，排采间断对煤层的破坏十分严重。

3.3 煤粉的控制措施

①基于煤层形成的沉积环境和构造背景，结合煤矿钻孔资料，研究构造煤的分布范围，选择煤岩结构完整的原生煤岩或者碎裂煤进行煤层气勘探，尽量避免在碎粒煤和糜棱煤中进行施工，因为煤岩结构直接决定后期开发过程中煤粉产出的几率。

②钻井过程中产生的煤粉无法避免，但是可以通过制定有效的排采制度，控制煤层气降液速度。根据单井的划分“五段三压法”和针对潘庄地区煤岩的应力特征，针对不同阶段控制液面下降速度，减少煤层激动，从而避免多余煤粉的形成。

③煤层气排采过程中，一般采用直杆泵进行降液，排水过程中煤粉会堵塞泵体，加速磨损，使检泵周期缩短，中断排采过程。可以使用螺杆泵和在泵口连接防砂尾管的方法来降低煤粉的浓度，并实时监控煤粉浓度，减少检泵次数，保证煤层气排采的连续性。

4 结论

①煤粉的形成与多种因素相关，主要包括地质成因和工程诱因两种类型七个亚类。

②通过扫描电镜观测，发现自生成因的煤粉颗粒相对细碎，粒径较小，而且多呈条带状分布，较好的反应了原生的特点。构造成因的煤粉颗粒杂乱，大小不一，断面清晰，后期破坏特征突出，多与裂缝伴生。