李江彪

(山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000)

引 言

煤炭資源在人類社會發(fā)展中提供了巨大的助力，是人類經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要的能源資源，為人類科技的進(jìn)步和發(fā)展提供了巨大的支持，但煤炭資源在燃燒過程中產(chǎn)生了大量的有害氣體，對大氣產(chǎn)生了極大的污染。隨著全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)的日益重視，各種污染性大的能源資源的應(yīng)用受到了極大限制，同時(shí)人類不斷開發(fā)各種新的綠色能源資源，確保人類社會的能源需求[1]。煤層氣是近年來發(fā)現(xiàn)的一種燃燒值高、環(huán)境污染小的綠色能源資源，憑借著其突出的優(yōu)點(diǎn)和極高的性價(jià)比，迅速成為一種廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的綠色能源資源，各生產(chǎn)企業(yè)不斷采用新的技術(shù)提高煤層氣的開采效率，確保能源市場的充分供應(yīng)，但煤層氣在開采過程中普遍存在在固相微粒突出的問題，不僅嚴(yán)重影響了煤層氣的開采效率而且固相顆粒隨之煤層氣進(jìn)入到開采設(shè)備中，導(dǎo)致設(shè)備堵塞、停機(jī)、損壞等，對煤層氣開采企業(yè)的生產(chǎn)效率和開采的經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生了巨大的負(fù)面影響，因此迫切需要對煤層氣開采過程中固相顆粒的形成原因、機(jī)理進(jìn)行分析，進(jìn)而得出固相顆粒預(yù)防的具體措施，提升煤層氣開采的效率。

1 固相微粒的形成機(jī)理

固相微粒的形成可劃分為力學(xué)成因機(jī)理和化學(xué)成因機(jī)理。

從力學(xué)成因機(jī)理上分析，煤層氣的開發(fā)實(shí)際上是在一定的地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，通過機(jī)械鉆井與水力壓裂、地面抽采的方式得到的，在開采的時(shí)候以上各個(gè)過程均會對煤層煤巖產(chǎn)生一定的剪力，使鉆孔附近的巖層原有的應(yīng)力平衡發(fā)生破壞，造成巖壁四周的應(yīng)力集中，進(jìn)而導(dǎo)致了巖層壁面的失穩(wěn)破壞和各原有的壁面裂隙的進(jìn)一步擴(kuò)大，最后造成鉆孔周圍的巖層骨架的結(jié)構(gòu)破壞及煤粉、雜質(zhì)等固相微粒的產(chǎn)生。同時(shí)在煤層氣開采時(shí)會造成不同地質(zhì)層位內(nèi)的壓力的波動，在不同煤氣儲層之間產(chǎn)生一定的壓差，當(dāng)壓差超過煤層圍巖間的各巖石礦物的力學(xué)穩(wěn)定臨界值之后，同樣會導(dǎo)致地質(zhì)骨架發(fā)生一定的結(jié)構(gòu)撕裂，產(chǎn)生各類固相微粒。

從化學(xué)成因機(jī)理上來說，各煤巖的化學(xué)組分不盡相同，各個(gè)地層中的煤巖的礦物組分及流體成分具有很大的空間差異性，在煤層氣開采過程中，鉆井導(dǎo)致不同煤巖之間的組分產(chǎn)生了一定的接觸，同時(shí)在抽采煤層氣時(shí)的外來流體會與不同煤層相互接觸，當(dāng)某個(gè)巖層的化學(xué)組分與之不匹配時(shí)，就會發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致巖井周圍組分的表面特性發(fā)生變化，在開采時(shí)的受力下更容易發(fā)生破裂，產(chǎn)生大量的固相微粒。

2 固相微粒的成分組成

對固相微粒成分組成的研究主要目的是通過對固相微粒組分的構(gòu)成分析，推斷出煤層氣開采過程中產(chǎn)生固相微粒的地質(zhì)層面，為進(jìn)一步控制固相微粒的產(chǎn)生提供基礎(chǔ)。

本文以某礦區(qū)域內(nèi)的煤層氣井為采樣對象，對開采過程中產(chǎn)出的固相微粒進(jìn)行收集、沉淀、風(fēng)干，得到的樣品如第110頁圖1所示。

圖1 固相微粒樣品

采樣完成后對樣品進(jìn)行煤磚的制備及研磨，在制備的過程中采用的是冷膠制備方案形成煤磚樣品，制備完成后進(jìn)行精磨和精拋光，最終使煤磚表面形成平齊的有顯著顯微組的分界線。然后用顯微鏡對其進(jìn)行組分分析和計(jì)數(shù)[2]，以獲取不同在固相微粒中各組分的含量和百分比，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示。

圖2 樣品中固相微粒各組分含量示意圖

由圖2可知，在固相微粒樣品中，占比最大的為黏土礦物質(zhì)，含量達(dá)到了約59.8%，其次為鏡質(zhì)組，含量約為24.1%，惰質(zhì)組，含量為17.9%，黃鐵礦組分占比含量為6.2%，石英組分含量為0.2%。因此在煤層氣開采時(shí)不同層段會導(dǎo)致固相微粒產(chǎn)生的幾率發(fā)生變化，煤層結(jié)構(gòu)越多、越復(fù)雜產(chǎn)生固相微粒的概率越大，特別是在含有加矸層的結(jié)構(gòu)中，在開采時(shí)的力學(xué)因素和化學(xué)因素的作用情況會加強(qiáng)，導(dǎo)致巖井周圍的煤巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低，進(jìn)一步加劇固相微粒產(chǎn)生的概率。

3 固相微粒產(chǎn)出運(yùn)移因素的影響

固相微粒產(chǎn)出時(shí)的移運(yùn)因素主要是指在開采時(shí)的壓裂造縫。煤層氣在開發(fā)過程中為了提升煤氣儲層的滲透力而專門設(shè)置的，其對固相微粒產(chǎn)出的影響主要包括高壓物理破壞及壓裂液體對煤巖成分的化學(xué)分解。在向煤層中注入高壓液體時(shí)會導(dǎo)致煤巖層壁的受壓變形，導(dǎo)致煤巖內(nèi)產(chǎn)生大量的撕裂性的裂紋，使通道內(nèi)的煤巖在高壓液體作用下產(chǎn)生沖蝕性破壞，導(dǎo)致各類固相微粒在裂紋的表面部位的大量剝落，其作用原理如圖3所示。

圖3 高壓物理破壞導(dǎo)致的固相微粒產(chǎn)出原理示意圖

在開采時(shí)若壓裂液體成分與煤巖成分不相契合時(shí)，會對其接觸到的巖井附近的煤巖組分產(chǎn)生化學(xué)作用，導(dǎo)致固相微粒的分散移運(yùn)進(jìn)一步加重，特別是在向裂紋中添加填充顆粒后，因各類型填充顆粒的硬度偏大，造成了裂紋附近的層壓加大，對裂紋進(jìn)一步產(chǎn)生了擠壓破壞[3]，加劇了固相微粒的產(chǎn)生和移運(yùn)，其原理如圖4所示。

圖4 支撐劑嵌入導(dǎo)致的固相微粒產(chǎn)出示意圖

4 固相微粒的防治措施

根據(jù)固相微粒在煤層氣開發(fā)過程中的產(chǎn)生機(jī)理及移運(yùn)特性，在對其防治時(shí)需要根據(jù)不同的地質(zhì)特性針對性地采取控制措施，主要包括以下幾個(gè)方面。

1) 儲層改造緩解措施。當(dāng)在開采時(shí)對煤層的壓裂造縫時(shí)，首先對采掘到的煤巖成分進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上選擇與煤巖成分反應(yīng)敏感性低的壓裂液，降低開采時(shí)與煤巖的化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)在支撐劑內(nèi)加入具有吸附特性的納米顆粒，提升支撐劑對裂縫的密封效果。

2) 排采生產(chǎn)控制措施。在煤層氣的排水采氣階段實(shí)際上是處于一種氣、液、固三相相互依存的狀態(tài)，此時(shí)可以制定煤層氣的連續(xù)采集，在采集過程中不斷排出儲氣層內(nèi)的液體，降低儲層壓力，確保儲層內(nèi)的壓降穩(wěn)定，避免對巖層的過度擾動造成了固相顆粒的產(chǎn)生。

3) 工藝設(shè)備治理措施。因煤層氣開發(fā)過程中的固相微粒實(shí)際上是雜質(zhì)移運(yùn)的結(jié)果，微粒形成后首先會隨著壓力集聚于抽氣泵處，因此在開采時(shí)通過對煤層氣井口抽氣泵的監(jiān)測分析，實(shí)現(xiàn)對泵口位置固相微粒集聚程度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并根據(jù)集聚情況制定抽氣泵的清潔措施，可以顯著降低在開采過程中抽出的固相微粒的數(shù)量[4]。

5 結(jié)語

本文通過對煤層氣開采時(shí)固相微粒產(chǎn)生機(jī)理及移運(yùn)影響因素的分析，結(jié)合其形成原因，針對性地提出了煤層氣開采過程中固相微粒的防治措施，對降低煤層氣開采時(shí)的固相微粒數(shù)量，提升煤層氣開采效率具有一定的指導(dǎo)意義。