基于煤层气高效开发的煤粉凝聚-沉降机制研究进展

李 勇，韩文龙，王延斌，孟尚志，吴 翔，王壮森，麻振涛，刘 度，赵石虎

(1.中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院，北京 100083；2.中联煤层气有限责任公司，北京 100011)

如何提高煤层气单井产气量，是解决我国煤层气产业发展瓶颈的关键任务[1-2]。国内大部分盆地煤层气开发地质条件复杂，煤储层较脆、易碎，原始储层渗透率低，受开发过程中储层改造和流体压差作用，易产生煤粉、煤泥、煤焦及其他固相颗粒(统称煤粉)[3-4]。煤粉聚团沉降会造成有效裂隙堵塞，影响渗流和降压效果[5-6]，同时煤粉在管柱内壁结块会造成卡泵等生产故障，导致频繁的停机与修井作业，造成水敏和速敏等储层伤害[7-8]。我国煤层气井普遍稳产时间短，作业频繁，平均4～6个月作业一次，作业后产气量降低甚至不产气[9]，直接影响单井产气量稳定和提升[1,10-11]。

当前国内外围绕煤层气排采过程中煤粉的产出和控制，在煤粉物质组成、生成过程、运移机理和产出控制方面开展了大量的实验和数值模拟研究，分析了煤粉组成和粒度分布，认识到构造煤易产出煤粉，提出了基于室内实验的煤粉驱替压差控制方法，构建了煤粉颗粒理想化条件下的启动—运移数学模型[11-12]。尽管当前研究对于煤粉的运移过程有了一定认识，但是对煤粉润湿性、黏附性的影响因素缺乏深入探讨，尤其是储层流体、黏土矿物等影响下的煤粉沉降机理尚不明确，无法进一步提升煤粉的分散性和实现高效合理的产出控制，限制了煤粉适度产出理论的实践和单井产气量的提高。低效井的有效治理是未来煤层气产业发展的关键因素，煤粉问题的有效解决将有助于单井产气量提高和资源有效开采。基于此，笔者系统总结当前煤粉凝聚-沉降-分散相关的研究进展，提出煤粉凝聚—沉降机制，以期为后续煤粉有效产出研究和煤层气高效开发提供借鉴。

1 煤粉物质组成

煤粉物质组成影响煤粉的聚集状态，是开展煤粉凝聚—分散机理研究的基础。煤粉是由有机煤岩组分和无机矿物组成的细小固相颗粒[13]，其产生与煤岩性质和煤体结构密切相关，构造煤形成的煤粉远远大于原生结构煤[3]。构造煤或软煤表面凹凸不平并附着大量的煤基质颗粒，是煤粉的主要来源[14]。不同地区气井产出煤粉组成差异较大(表1)，其中澳大利亚Bowen盆地煤层气井煤粉和室内煤岩破碎煤粉的矿物含量分别为17%和7%[15]；鄂尔多斯盆地东缘韩城区块部分井产出煤粉中黏土矿物含量高达50%[16]；临汾区块煤粉以无机矿物和镜质组为主，无机矿物中硬石膏、黄铁矿常见[17]；沁水盆地南部煤粉中无机矿物以石英、黄铁矿等脆性矿物为主[18]。在不同煤层气开发阶段，产出煤粉的数量有很大区别，特别是受压裂液返排影响，煤粉的物质组成和定量分析存在较大误差。在具体工作中，可通过持续跟踪单井煤粉产出情况，排除干扰因素，进一步明确煤粉组成。

煤层气井排采产出的煤粉颗粒粒径分布范围广，从几纳米到几百微米不等[19]。鄂尔多斯盆地东缘保德、临汾和韩城区块煤层气井排采产出的煤粉中值粒径均小于30 μm，平均粒径小于60 μm，粒径200 μm以上的煤粉很少[20]。沁水盆地南部潘庄、寺河、胡底的煤层气井产出煤粉粒度均在200 μm以下，成庄及樊庄区块有少量煤粉粒度在200～300 μm[21]。煤粉在扫描电镜下主要呈现出薄片状、片状和层状，不同形状煤粉凝聚形成堆积体[6]。值得注意的是，国外盆地煤层气井中少见煤粉产出的报道，在粉河等盆地洞穴完井的煤层气井中可见煤粉凝聚堵塞裂缝、埋没水泵，后续通过钻井至煤层上部并设置固井套管等进行了规避[22]。总体来说，由于国外煤层气盆地构造相对稳定、成煤时代较晚且演化史简单、煤体结构完整、产气量高，煤粉问题并不突出[22]。

表1 典型煤层气区块煤粉组成特征Table 1 Characteristic of coal fines in typical coalbed methane blocks

2 煤粉生成产出

与常规砂岩相比，煤岩的弹性模量小、泊松比低、硬度低，煤岩在相同地应力条件下比砂岩更易受应力破坏，从而产生煤粉，堵塞裂隙。煤粉的生成、运移和沉降伴随煤层气钻井、压裂、排采、关井、修井的全过程(图1)[23-24]。一部分煤粉随着地层水产出，部分井因为压裂或连通高含煤粉层段，大量煤粉伴随煤层气产出。除此之外，煤粉会在井筒内沉降，并且在柱塞和固定凡尔上聚集，引起排采中断，影响煤层气开发连续性和开发效果。

图1 煤层气井排采和修井过程中的煤粉Fig.1 Coal fines observed during coalbed methane well production and repairment

气井产出煤粉是复杂地质条件和工程施工过程的综合体现，既包括节理面、断层面、层间滑动面内以及破碎煤、软煤带内的原生煤粉颗粒(图2)[25-26]，也包括钻具研磨、压裂液高速渗入、支撑剂注入、排采过程中高排液量和排采速度、孔眼周围高应力差等产生的次生煤粉[27-28]。煤粉的生成涉及地质因素，包括煤系岩性组成、区域构造、煤体结构等，以及工程和排采中的钻井、射孔、压裂和排采过程，包括岩石力学破坏和煤-水-压裂液等化学反应的结果[29]。在储层地质方面，煤储层构造背景、地层组合均是影响原生煤粉生成的重要因素，煤粉含量在一定程度反映煤体结构。同时也受显微组分的影响，不同煤岩显微组分在力学性质上存在一定差异[30]，这些差异是否影响煤粉的生成和分布仍有待进一步揭示。

图2 原生煤粉分布[18]Fig.2 Schematic diagram of primary coal fines distribution[18]

在工程施工方面，特别是压裂过程与煤粉的生成紧密关联，射孔位置、造缝压力、加砂量等均影响煤粉的生成。特别是在水力高压下，容易形成煤粉的凝聚，堵塞渗流通道。在煤层气排采过程中，排采强度，特别是产水量和产气量的突然波动，容易引起煤粉的生成和产出。围绕排采设备优选、煤粉监测和洗井洗泵开展工作，可有效避免和清除井筒沉降煤粉，避免井下故障。当前煤粉治理思路主要包括“有效避开、少产煤粉、疏而不堵、事前预防、事后处理”，特别是从以往的“尽量避免煤粉产出”，过渡为“控制煤粉适度产出”，成为维持煤层气井高产、稳产的重要举措[31-32](图3)。

图3 煤层气开发过程中的煤粉生成分析和治理思路Fig.3 Generation and management analysis for coal fines control during the whole coalbed methane production process

在煤粉产出特征方面，由于原生结构和碎裂结构煤岩石力学强度较大，原生煤粉较少，一般为后期的次生煤粉，煤粉产出浓度较低，多为块状和柱状，粒径分布呈现出双峰型[32]。碎粒结构煤和糜棱结构煤既有较多的原生煤粉，也易产生次生煤粉，产出的煤粉浓度较高，一般高于1%，粒径分布多为单峰型，其中碎粒结构煤产生的煤粉粒径集中在180～420 μm，多为粒状；糜棱煤产生的煤粉粒径分布在10～100 μm，多为片状[33]。基于煤体结构特征，设计针对性的钻井、压裂施工工艺，有效减小次生煤粉的生成，是解决构造煤发育区煤层气高效开发的关键途径之一。

3 煤粉悬浮运移

细粒煤粉在具有一定流速的井液中呈悬浮态，静止放置一段时间，可见糊状沉淀[34]。悬浮的煤粉一般随地层水一同产出，煤粉表面大量的脂肪烃、芳香烃具有一定的疏水性[35]，但煤阶、储层压力和温度越高，煤基质越亲水[36-37]，地层水pH值越高，煤基质也越亲水[38]。改变煤岩表面润湿性将会使煤岩与储层流体间的接触关系发生转变[39]，同时影响煤粉在地层水中的运动和迁移，因此，煤和煤粉的润湿性不仅决定了两相反应，而且控制煤粉的运移行为[40]。

煤粉在裂缝中启动后，使悬浮在地层水中的煤粉随流体运移产出是煤粉控制的关键。煤粉启动需要克服煤粉与煤岩骨架颗粒间、颗粒与裂缝通道壁间的吸引力(范德华力为主)，同时考虑煤粉在通道中承受的重力、流体冲力等因素[41-43]。基于水动力学原理、扩展DLVO理论和JKR接触理论，皇凡生等[44](2017)建立了以“压力梯度”为判决条件的煤粉启动力学模型，分析颗粒尺寸、颗粒类型、裂缝缝宽和离子强度对煤粉启动的影响。

图4 煤储层裂缝(a)和井筒内的煤粉分布及受力(b)[41,45]Fig.4 Coal reservoir fractures(a) and coal fines distribution and stress diagram in wellbore(b)[41,45]

借助流体力学、岩石力学和多孔介质理论，考虑煤岩变形、煤粉剥离、煤粉运移和煤岩主要物性参数(如孔隙度、渗透率和孔隙压缩系数)等，研究煤粉运移机理，学者们建立了煤储层含煤粉流体流固耦合渗流的数学模型[45-48](图4)。Bai Tianhang等[19]基于扫描电镜量化了煤层裂缝形状，同时考虑压降、温度、煤粉弹性模量等参数，模拟煤粉生成与运移过程。在P.Brumby等[49](2015)研究的基础上，T.R.Mitchell等[50](2016)利用格子Boltzmann和离散元耦合算法，分析煤粉在地层水中运移的物理化学作用，提出煤粉被冲刷运移的临界速度，认为有吸引力的静电环境会降低煤粉的运移速度。

通过实验模拟可计量产出煤粉与介质流动速度的关系，评价裂缝宽度、煤粉粒度、水流速度等与出粉量的关系，提出流速控制参数，评价煤粉运移对渗透率的影响[51-56]。粒径小于200 μm的煤粉产出量随水流速度增大而增加，粒径在200～300 μm的则无明显变化[57]。运动中的气泡对煤粉的携带能力很强，颗粒细小的煤粉会附着于气泡周围，且气泡对下沉煤粉的搅动能力强于水流，利于煤粉运移[58-59]。

在提高煤粉悬浮和流动方向，前人已开展了相关研究。添加分散剂可以提高细粒煤粉的悬浮性[60]，将井筒中较大颗粒煤粉分散并采出[61]，且可以提高压裂、洗井等过程中煤粉分散产出的能力[62-63]。一定量离子分散剂可以提高煤粉表面的润湿性、降低溶液的表面张力、使煤粉具有良好的悬移能力，并且可与压裂液、洗井液配伍使用[64]。宋金星[65]提出表面活性剂压裂液(1.5%KCl+0.05%AN)，可增大煤粉颗粒间的黏聚力，减少溶液中不稳定颗粒数量，抑制排采过程中煤粉对储层造成的速敏伤害。与煤粉分散性相关的分散剂有阴离子、非离子型两性离子表面活性剂，阴离子型有腐植酸钠(HA-Na)、萘磺酸钠(SN)、木质素磺酸钠(CMN)和十二烷基硫酸钠(SDS)等；非离子型有辛基酚聚氧乙烯醚(OP)和脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO)；两性离子表面活性剂有双子-烷基酚聚氧乙烯醚(GMOP)等[63-65]。

通过实验可研究静态和动态煤粉沉降特征，其中，煤粉的静态沉降实验一般采用不同粒径的煤粉配成一定浓度的煤粉溶液，置于有机玻璃沉降筒内，搅拌均匀，采集不同时间段、不同沉降深度的煤粉悬浮液并测量其浓度，得到煤粉浓度随时间和沉降筒深度的分布图，根据实验数据可计算煤粉的沉降速度。动态沉降实验可以通过激光粒度分析仪，将煤粉置于蒸馏水、1%KCl、地层水的超声震荡充分混合，记录不同时间内悬浮颗粒的粒径变化，结合DLVO理论分析煤粉小颗粒的凝聚过程和影响因素。对悬浮液进行Zeta电位测试，分析煤粉官能团和溶液组成等的影响(图5)[66]。

图5 动态沉降实验的主要环节和技术流程[65]Fig.5 Main links and technicalpro[c65e]ss of dynamic settlement experiment

4 煤粉产出控制

煤粉控制是煤层气排采管理中的重要环节，过量煤粉引起的机械故障导致频繁检泵作业，从而产生大幅度的井底压力波动而破坏气、水、煤粉流态的连续性，进而影响煤层气的正常生产[10]。解决好煤粉的分散性，就可在一定条件下保证煤粉随地层流体的产出。在煤粉影响下，煤层气井排采过程是气-液-固三相流的耦合过程，煤粉的产生与运移极大影响煤层气井排采的最佳状态[4,42]。煤粉产出涉及多孔弹性介质力学、岩石力学、流体力学、渗流力学等多学科交叉领域的理论，且受煤岩力学性质、煤层流体性质、完井及排采工艺等多因素影响[49]。目前对煤粉的产出预测理论主要借鉴常规油田出砂预测的方法，但由于煤层气开发地质条件的复杂性，很难对其进行定量和准确预测[67]。利用ANSYS软件可动态模拟煤粉产出，仿真煤层气井射孔作业对煤岩的破坏[68]，结合ABAQUS软件对出煤粉时间与出煤粉半径进行了模拟，分析不同生产情况下的排采制度和防煤粉措施[69]。

为高效排出煤粉，晏海武[70]设计了煤粉浓度井下测量工具，分析井筒环空中煤粉排出条件，确定煤粉浓度预警指标，提出螺杆泵接防砂尾管结合油套环空、注水稀释煤粉浓度的防控措施[71]。根据煤粉颗粒沉降速度，可计算不同杆管组合条件下满足煤粉排出条件的最小排量，进而制定循环补水排采工艺[72]。郑春峰等[73]搭建有杆泵井筒煤粉运移动态实验平台，模拟不同煤粉粒度和排液速度下煤粉动态运移规律。刘新福[74]开展了机械滤煤粉管设计、防煤粉排采泵设计和杆管尺寸优选等防煤粉系统研发工作。段宝玉等[75]设计新型防煤粉泵和挂篮式沉砂管，为煤层气井的排采、捞砂一体化奠定基础。除此之外，针对洗井和修井过程中的煤粉清洗，綦耀光等[47]、王璐等[76]设计了射流负压冲煤粉装置，开展了注水和酸化洗井工艺研究。

5 展 望

当前煤粉的防治工作主要集中在地质预防、储层改造、设备优选、生产预警、排采控制和工艺治理等方面，其中储层改造、排采控制和工艺治理是煤层气井开发过程中的重要环节[32]。煤粉需随地层流体一同产出，其中，储层改造过程中压裂液的注入、工艺治理中的洗井等环节，均涉及液体的注入和产出，是保证煤层气井稳定排采的关键[32](图6)。

5.1 煤粉物质组成精细表征

煤粉的物理化学性质控制着絮凝沉淀、气-液固耦合运移关系，查明其特性是解决凝聚沉降问题的基础。煤粉表征主要体现在两个方面，一是煤粉本身颗粒的大小和分布，二是煤粉颗粒的理化性质。理化性质包括物质组成、元素组成、显微组分等，可通过元素分析、工业分析、X射线衍射和显微镜下测试获取。表面性质主要包括形貌特征、力学特征和表面官能团。其中表面形貌可以通过显微镜和扫描电镜获取，力学参数可以通过原子力显微镜获取，结合扫描电镜等可以获得不同显微组分的力学性质[22]。表面官能团和分子结构一般通过透射电镜和红外光谱获取。孔隙结构一般采用当前常见的低温液氮和二氧化碳吸附法获取(图7)[23]。

图6 煤粉主要防控措施及存在问题(思路参考文献[32]，修改)Fig.6 Main prevention and control methods for coal fines and its associated problems(Ideas referred to Reference No.32 in the references and revised)

图7 煤粉理化性质测试方法和表征手段Fig.7 Test and characterization methods of physical and chemical properties of coal fines

5.2 煤粉凝聚沉降机理

前人基于煤粉运移产出规律从不同角度提出了煤粉管控措施，在现场应用中取得了一定成效，但是煤粉颗粒具有复杂的吸附、应变和分离行为，严重影响煤粉-气-水流态的稳定性[77-78]。煤粉的产出涉及煤粉颗粒在储层裂缝中被地层流体黏附启动，在流体中悬浮运移，以及在裂缝底部或者支撑剂颗粒中间的沉降滞留，这一系列过程中煤粉颗粒的宏观分布和微观运移机理均有待系统阐释。需要明确，不同煤粉粒度条件下，物质组成和表面性质如何影响润湿和悬浮过程。其中关键问题包括：什么样的煤粉易于在地层水中悬浮；维持悬浮状态是哪种微观作用力；煤粉物质组成和地层水环境对煤粉的润湿和悬浮发挥了什么作用；以及如何在钻井、压裂、排采和洗井过程中促使地层中的煤粉保持这种悬浮状态。

以上问题研究工作包括：对经过粒径和密度分选后的煤粉颗粒进行气泡黏附测试，捕捉颗粒的运动轨迹，分析煤粉被气泡携带的能力(图8)；通过煤粉润湿过程的刻画分析，结合物质组成和结构测试，分析润湿性的影响因素及润湿过程差异；通过动态沉降实验，以一定时长监测悬浮颗粒粒度和表面电位变化，查明不同粒径和溶液环境中煤粉凝聚-沉降过程(图5)。在此基础上，利用煤粉运移-滞留过程可视化实验，分析煤粉在一定裂缝中沉降滞留分布规律，并通过含水性测试分析其影响因素。该技术可探究煤粉在裂隙通道中由黏附到沉降的全过程，结合界面化学、粉体力学和流体力学的相关理论方法，检测不同储层环境下煤粉颗粒间的相互作用，揭示煤粉稳定悬浮和分散的作用机制，为煤粉的适度产出控制提供建议(图9)。

图8 煤粉黏附实验研究思路(部分思路和方法参照文献[59]，修改)Fig.8 Methods to investigate coal fines capture(Some ideas and methods referred to Reference No.59 in the references and revised)

图9 煤粉流动和沉降模拟观测实验平台(部分思路和方法参照文献[77]，修改)Fig.9 Experimental platform for simulating and observing coal fines flow and settlement(Some ideas and methods referred to Reference No.77 in the references and revised)

5.3 煤粉分散产出控制

粒径小于10 μm的煤粉会很快凝聚成较大颗粒，是阻碍煤粉悬浮运移产出的关键因素[79-80]。前人的研究表明加入合适离子分散剂会改变煤粉的悬浮性能，但这种悬浮性的改善机理尚不清楚，特别是在溶液条件下煤粉颗粒间的作用力变化并不明确。一方面，表面活性剂可以提高煤粉的分散稳定性；但另一方面，活性剂可能会影响煤储层的解吸效率和渗流能力。同时受无机矿物含量、煤粉粒径和煤岩性质等影响，不同学者对活性剂加入对煤储层的综合影响也存在争议。

已有学者开展了分散剂与煤粉配比实验，筛选出分散特性好、悬浮液浓度稳定、黏度低的煤粉分散剂，通过优选最佳的分散剂配比浓度，并考察其与相关接触体系的配伍性[81-82]。如何优化相应的分散体系，形成不同煤层气开发区合适的分散剂搭配体系仍然有待进一步探索。同时需要进一步考虑不同分散剂影响下的煤储层吸附解吸性和渗透率变化，通过物理模拟实验综合评价煤粉悬浮液对裂缝中煤粉的洗出能力。原则上，立足于增大水溶液表面张力、煤粉颗粒表面润湿性、煤粉颗粒分散稳定性等正效应，以减小其对煤吸附解吸性能和渗透性等负效应，并基于煤粉产出定量评价，优选最佳分散体系。该技术可应用于压裂、洗井等煤层气开发的关键工艺流程，对改善相关工艺效果、提高煤粉产出效率有积极影响，对煤层气排采稳定性和单井采收率提高具有重要意义。

为实现煤粉的有效运移产出，需要分析产气通道内煤粉颗粒运动形式、滚动启动条件、悬浮运动条件等，建立一种可以考虑煤粉剥蚀、启动、运移及沉降的适度携煤粉数学模型及一种快速求解的数值模拟方法。在物理模拟实验中，可以研制反映储层条件下煤粉运移及对煤层物性影响的物理模拟实验设备，开展地层水最大携煤粉能力、剥蚀煤粉能力及其与煤粉液的渗流物性差别测试等(图10)，分析并获取煤粉启动、运移及沉降的实验规律。在此基础上，形成考虑煤粉影响的数值模拟方法，应用于典型井煤粉产出的统计研究，评估煤粉产出对煤层气井产能变化的影响，计算最佳排液强度和井底流压，以期在煤层气开发过程中保持煤粉的稳定运移产出。

图10 煤粉剥蚀-运移-沉降物理模拟系统Fig.10 Physical simulation system of erosion，migration and settlement of coal fines

总体来看，分析煤粉的分散产出需要考虑不同地层水环境下煤粉颗粒的分散特征，同时考虑储层的动态响应，包括活性剂与地层水的配伍性、对煤吸附解吸能力的影响等。在物理模拟过程中，需要考虑煤粉的剥蚀、煤粉沉降引起的渗透性变化等(图11)。

6 结论

a.保证煤粉适度产出是煤粉治理和煤层气高效排采的核心，其有效衔接在于凝聚-沉降机制的深入认识。现有的煤粉颗粒表征和实验室悬浮表征并不能有效应用于煤层气井田的开发实际和排采管控，裂缝导流等模拟实验也未能从机理上系统解释煤粉凝聚和沉降的内在作用机制。

图11 煤粉分散产出相关问题及研究思路Fig.11 Problems and research ideas for dispersed production of coal fines

b.煤粉问题的解决需要从机理和应用两个方面系统深入，揭示地下储层条件下气-水-煤三相介质中煤粉的凝聚-沉降行为。机理方向研究包括nm～μm级煤粉颗粒的相互作用、凝聚行为发生条件、有机质和黏土矿物作用、煤岩结构和表面性质影响等。应用方向包括地层水环境对煤粉表面润湿性、表面电性和空间位阻效应的影响及作用机制，不同煤粉分散剂溶液环境中煤层气解吸性、储层渗透性和煤粉产出能力的变化等。

c.煤层气高效开发的实现需要将地质、工程和排采进行一体化整合考虑，围绕储层地质条件、工程施工技术适应性和科学定量化排采制度开展针对性工作。煤粉问题的解决，也需将上述因素统一考虑，针对性开展煤粉高产区预测、煤粉适度产出适用性工艺和设备研发、煤层气排采制度优化等方面研究。