李 勇，韓文龍，王延斌，孟尚志，吳 翔，王壯森，麻振濤，劉 度，趙石虎

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083；2.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100011)

如何提高煤層氣單井產(chǎn)氣量，是解決我國煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸的關(guān)鍵任務(wù)[1-2]。國內(nèi)大部分盆地煤層氣開發(fā)地質(zhì)條件復(fù)雜，煤儲(chǔ)層較脆、易碎，原始儲(chǔ)層滲透率低，受開發(fā)過程中儲(chǔ)層改造和流體壓差作用，易產(chǎn)生煤粉、煤泥、煤焦及其他固相顆粒(統(tǒng)稱煤粉)[3-4]。煤粉聚團(tuán)沉降會(huì)造成有效裂隙堵塞，影響滲流和降壓效果[5-6]，同時(shí)煤粉在管柱內(nèi)壁結(jié)塊會(huì)造成卡泵等生產(chǎn)故障，導(dǎo)致頻繁的停機(jī)與修井作業(yè)，造成水敏和速敏等儲(chǔ)層傷害[7-8]。我國煤層氣井普遍穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間短，作業(yè)頻繁，平均4～6個(gè)月作業(yè)一次，作業(yè)后產(chǎn)氣量降低甚至不產(chǎn)氣[9]，直接影響單井產(chǎn)氣量穩(wěn)定和提升[1,10-11]。

當(dāng)前國內(nèi)外圍繞煤層氣排采過程中煤粉的產(chǎn)出和控制，在煤粉物質(zhì)組成、生成過程、運(yùn)移機(jī)理和產(chǎn)出控制方面開展了大量的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，分析了煤粉組成和粒度分布，認(rèn)識(shí)到構(gòu)造煤易產(chǎn)出煤粉，提出了基于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的煤粉驅(qū)替壓差控制方法，構(gòu)建了煤粉顆粒理想化條件下的啟動(dòng)—運(yùn)移數(shù)學(xué)模型[11-12]。盡管當(dāng)前研究對(duì)于煤粉的運(yùn)移過程有了一定認(rèn)識(shí)，但是對(duì)煤粉潤濕性、黏附性的影響因素缺乏深入探討，尤其是儲(chǔ)層流體、黏土礦物等影響下的煤粉沉降機(jī)理尚不明確，無法進(jìn)一步提升煤粉的分散性和實(shí)現(xiàn)高效合理的產(chǎn)出控制，限制了煤粉適度產(chǎn)出理論的實(shí)踐和單井產(chǎn)氣量的提高。低效井的有效治理是未來煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素，煤粉問題的有效解決將有助于單井產(chǎn)氣量提高和資源有效開采。基于此，筆者系統(tǒng)總結(jié)當(dāng)前煤粉凝聚-沉降-分散相關(guān)的研究進(jìn)展，提出煤粉凝聚—沉降機(jī)制，以期為后續(xù)煤粉有效產(chǎn)出研究和煤層氣高效開發(fā)提供借鑒。

1 煤粉物質(zhì)組成

煤粉物質(zhì)組成影響煤粉的聚集狀態(tài)，是開展煤粉凝聚—分散機(jī)理研究的基礎(chǔ)。煤粉是由有機(jī)煤巖組分和無機(jī)礦物組成的細(xì)小固相顆粒[13]，其產(chǎn)生與煤巖性質(zhì)和煤體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，構(gòu)造煤形成的煤粉遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原生結(jié)構(gòu)煤[3]。構(gòu)造煤或軟煤表面凹凸不平并附著大量的煤基質(zhì)顆粒，是煤粉的主要來源[14]。不同地區(qū)氣井產(chǎn)出煤粉組成差異較大(表1)，其中澳大利亞Bowen盆地煤層氣井煤粉和室內(nèi)煤巖破碎煤粉的礦物含量分別為17%和7%[15]；鄂爾多斯盆地東緣韓城區(qū)塊部分井產(chǎn)出煤粉中黏土礦物含量高達(dá)50%[16]；臨汾區(qū)塊煤粉以無機(jī)礦物和鏡質(zhì)組為主，無機(jī)礦物中硬石膏、黃鐵礦常見[17]；沁水盆地南部煤粉中無機(jī)礦物以石英、黃鐵礦等脆性礦物為主[18]。在不同煤層氣開發(fā)階段，產(chǎn)出煤粉的數(shù)量有很大區(qū)別，特別是受壓裂液返排影響，煤粉的物質(zhì)組成和定量分析存在較大誤差。在具體工作中，可通過持續(xù)跟蹤單井煤粉產(chǎn)出情況，排除干擾因素，進(jìn)一步明確煤粉組成。

煤層氣井排采產(chǎn)出的煤粉顆粒粒徑分布范圍廣，從幾納米到幾百微米不等[19]。鄂爾多斯盆地東緣保德、臨汾和韓城區(qū)塊煤層氣井排采產(chǎn)出的煤粉中值粒徑均小于30 μm，平均粒徑小于60 μm，粒徑200 μm以上的煤粉很少[20]。沁水盆地南部潘莊、寺河、胡底的煤層氣井產(chǎn)出煤粉粒度均在200 μm以下，成莊及樊莊區(qū)塊有少量煤粉粒度在200～300 μm[21]。煤粉在掃描電鏡下主要呈現(xiàn)出薄片狀、片狀和層狀，不同形狀煤粉凝聚形成堆積體[6]。值得注意的是，國外盆地煤層氣井中少見煤粉產(chǎn)出的報(bào)道，在粉河等盆地洞穴完井的煤層氣井中可見煤粉凝聚堵塞裂縫、埋沒水泵，后續(xù)通過鉆井至煤層上部并設(shè)置固井套管等進(jìn)行了規(guī)避[22]?？傮w來說，由于國外煤層氣盆地構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定、成煤時(shí)代較晚且演化史簡單、煤體結(jié)構(gòu)完整、產(chǎn)氣量高，煤粉問題并不突出[22]。

表1 典型煤層氣區(qū)塊煤粉組成特征Table 1 Characteristic of coal fines in typical coalbed methane blocks

2 煤粉生成產(chǎn)出

與常規(guī)砂巖相比，煤巖的彈性模量小、泊松比低、硬度低，煤巖在相同地應(yīng)力條件下比砂巖更易受應(yīng)力破壞，從而產(chǎn)生煤粉，堵塞裂隙。煤粉的生成、運(yùn)移和沉降伴隨煤層氣鉆井、壓裂、排采、關(guān)井、修井的全過程(圖1)[23-24]。一部分煤粉隨著地層水產(chǎn)出，部分井因?yàn)閴毫鸦蜻B通高含煤粉層段，大量煤粉伴隨煤層氣產(chǎn)出。除此之外，煤粉會(huì)在井筒內(nèi)沉降，并且在柱塞和固定凡爾上聚集，引起排采中斷，影響煤層氣開發(fā)連續(xù)性和開發(fā)效果。

圖1 煤層氣井排采和修井過程中的煤粉Fig.1 Coal fines observed during coalbed methane well production and repairment

氣井產(chǎn)出煤粉是復(fù)雜地質(zhì)條件和工程施工過程的綜合體現(xiàn)，既包括節(jié)理面、斷層面、層間滑動(dòng)面內(nèi)以及破碎煤、軟煤帶內(nèi)的原生煤粉顆粒(圖2)[25-26]，也包括鉆具研磨、壓裂液高速滲入、支撐劑注入、排采過程中高排液量和排采速度、孔眼周圍高應(yīng)力差等產(chǎn)生的次生煤粉[27-28]。煤粉的生成涉及地質(zhì)因素，包括煤系巖性組成、區(qū)域構(gòu)造、煤體結(jié)構(gòu)等，以及工程和排采中的鉆井、射孔、壓裂和排采過程，包括巖石力學(xué)破壞和煤-水-壓裂液等化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果[29]。在儲(chǔ)層地質(zhì)方面，煤儲(chǔ)層構(gòu)造背景、地層組合均是影響原生煤粉生成的重要因素，煤粉含量在一定程度反映煤體結(jié)構(gòu)。同時(shí)也受顯微組分的影響，不同煤巖顯微組分在力學(xué)性質(zhì)上存在一定差異[30]，這些差異是否影響煤粉的生成和分布仍有待進(jìn)一步揭示。

圖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，特別是壓裂過程與煤粉的生成緊密關(guān)聯(lián)，射孔位置、造縫壓力、加砂量等均影響煤粉的生成。特別是在水力高壓下，容易形成煤粉的凝聚，堵塞滲流通道。在煤層氣排采過程中，排采強(qiáng)度，特別是產(chǎn)水量和產(chǎn)氣量的突然波動(dòng)，容易引起煤粉的生成和產(chǎn)出。圍繞排采設(shè)備優(yōu)選、煤粉監(jiān)測和洗井洗泵開展工作，可有效避免和清除井筒沉降煤粉，避免井下故障。當(dāng)前煤粉治理思路主要包括“有效避開、少產(chǎn)煤粉、疏而不堵、事前預(yù)防、事后處理”，特別是從以往的“盡量避免煤粉產(chǎn)出”，過渡為“控制煤粉適度產(chǎn)出”，成為維持煤層氣井高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的重要舉措[31-32](圖3)。

圖3 煤層氣開發(fā)過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

在煤粉產(chǎn)出特征方面，由于原生結(jié)構(gòu)和碎裂結(jié)構(gòu)煤巖石力學(xué)強(qiáng)度較大，原生煤粉較少，一般為后期的次生煤粉，煤粉產(chǎn)出濃度較低，多為塊狀和柱狀，粒徑分布呈現(xiàn)出雙峰型[32]。碎粒結(jié)構(gòu)煤和糜棱結(jié)構(gòu)煤既有較多的原生煤粉，也易產(chǎn)生次生煤粉，產(chǎn)出的煤粉濃度較高，一般高于1%，粒徑分布多為單峰型，其中碎粒結(jié)構(gòu)煤產(chǎn)生的煤粉粒徑集中在180～420 μm，多為粒狀；糜棱煤產(chǎn)生的煤粉粒徑分布在10～100 μm，多為片狀[33]。基于煤體結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計(jì)針對(duì)性的鉆井、壓裂施工工藝，有效減小次生煤粉的生成，是解決構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)煤層氣高效開發(fā)的關(guān)鍵途徑之一。

3 煤粉懸浮運(yùn)移

細(xì)粒煤粉在具有一定流速的井液中呈懸浮態(tài)，靜止放置一段時(shí)間，可見糊狀沉淀[34]。懸浮的煤粉一般隨地層水一同產(chǎn)出，煤粉表面大量的脂肪烴、芳香烴具有一定的疏水性[35]，但煤階、儲(chǔ)層壓力和溫度越高，煤基質(zhì)越親水[36-37]，地層水pH值越高，煤基質(zhì)也越親水[38]。改變煤巖表面潤濕性將會(huì)使煤巖與儲(chǔ)層流體間的接觸關(guān)系發(fā)生轉(zhuǎn)變[39]，同時(shí)影響煤粉在地層水中的運(yùn)動(dòng)和遷移，因此，煤和煤粉的潤濕性不僅決定了兩相反應(yīng)，而且控制煤粉的運(yùn)移行為[40]。

煤粉在裂縫中啟動(dòng)后，使懸浮在地層水中的煤粉隨流體運(yùn)移產(chǎn)出是煤粉控制的關(guān)鍵。煤粉啟動(dòng)需要克服煤粉與煤巖骨架顆粒間、顆粒與裂縫通道壁間的吸引力(范德華力為主)，同時(shí)考慮煤粉在通道中承受的重力、流體沖力等因素[41-43]?；谒畡?dòng)力學(xué)原理、擴(kuò)展DLVO理論和JKR接觸理論，皇凡生等[44](2017)建立了以“壓力梯度”為判決條件的煤粉啟動(dòng)力學(xué)模型，分析顆粒尺寸、顆粒類型、裂縫縫寬和離子強(qiáng)度對(duì)煤粉啟動(dòng)的影響。

圖4 煤儲(chǔ)層裂縫(a)和井筒內(nèi)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]

借助流體力學(xué)、巖石力學(xué)和多孔介質(zhì)理論，考慮煤巖變形、煤粉剝離、煤粉運(yùn)移和煤巖主要物性參數(shù)(如孔隙度、滲透率和孔隙壓縮系數(shù))等，研究煤粉運(yùn)移機(jī)理，學(xué)者們建立了煤儲(chǔ)層含煤粉流體流固耦合滲流的數(shù)學(xué)模型[45-48](圖4)。Bai Tianhang等[19]基于掃描電鏡量化了煤層裂縫形狀，同時(shí)考慮壓降、溫度、煤粉彈性模量等參數(shù)，模擬煤粉生成與運(yùn)移過程。在P.Brumby等[49](2015)研究的基礎(chǔ)上，T.R.Mitchell等[50](2016)利用格子Boltzmann和離散元耦合算法，分析煤粉在地層水中運(yùn)移的物理化學(xué)作用，提出煤粉被沖刷運(yùn)移的臨界速度，認(rèn)為有吸引力的靜電環(huán)境會(huì)降低煤粉的運(yùn)移速度。

通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M可計(jì)量產(chǎn)出煤粉與介質(zhì)流動(dòng)速度的關(guān)系，評(píng)價(jià)裂縫寬度、煤粉粒度、水流速度等與出粉量的關(guān)系，提出流速控制參數(shù)，評(píng)價(jià)煤粉運(yùn)移對(duì)滲透率的影響[51-56]。粒徑小于200 μm的煤粉產(chǎn)出量隨水流速度增大而增加，粒徑在200～300 μm的則無明顯變化[57]。運(yùn)動(dòng)中的氣泡對(duì)煤粉的攜帶能力很強(qiáng)，顆粒細(xì)小的煤粉會(huì)附著于氣泡周圍，且氣泡對(duì)下沉煤粉的攪動(dòng)能力強(qiáng)于水流，利于煤粉運(yùn)移[58-59]。

在提高煤粉懸浮和流動(dòng)方向，前人已開展了相關(guān)研究。添加分散劑可以提高細(xì)粒煤粉的懸浮性[60]，將井筒中較大顆粒煤粉分散并采出[61]，且可以提高壓裂、洗井等過程中煤粉分散產(chǎn)出的能力[62-63]。一定量離子分散劑可以提高煤粉表面的潤濕性、降低溶液的表面張力、使煤粉具有良好的懸移能力，并且可與壓裂液、洗井液配伍使用[64]。宋金星[65]提出表面活性劑壓裂液(1.5%KCl+0.05%AN)，可增大煤粉顆粒間的黏聚力，減少溶液中不穩(wěn)定顆粒數(shù)量，抑制排采過程中煤粉對(duì)儲(chǔ)層造成的速敏傷害。與煤粉分散性相關(guān)的分散劑有陰離子、非離子型兩性離子表面活性劑，陰離子型有腐植酸鈉(HA-Na)、萘磺酸鈉(SN)、木質(zhì)素磺酸鈉(CMN)和十二烷基硫酸鈉(SDS)等；非離子型有辛基酚聚氧乙烯醚(OP)和脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO)；兩性離子表面活性劑有雙子-烷基酚聚氧乙烯醚(GMOP)等[63-65]。

通過實(shí)驗(yàn)可研究靜態(tài)和動(dòng)態(tài)煤粉沉降特征，其中，煤粉的靜態(tài)沉降實(shí)驗(yàn)一般采用不同粒徑的煤粉配成一定濃度的煤粉溶液，置于有機(jī)玻璃沉降筒內(nèi)，攪拌均勻，采集不同時(shí)間段、不同沉降深度的煤粉懸浮液并測量其濃度，得到煤粉濃度隨時(shí)間和沉降筒深度的分布圖，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可計(jì)算煤粉的沉降速度。動(dòng)態(tài)沉降實(shí)驗(yàn)可以通過激光粒度分析儀，將煤粉置于蒸餾水、1%KCl、地層水的超聲震蕩充分混合，記錄不同時(shí)間內(nèi)懸浮顆粒的粒徑變化，結(jié)合DLVO理論分析煤粉小顆粒的凝聚過程和影響因素。對(duì)懸浮液進(jìn)行Zeta電位測試，分析煤粉官能團(tuán)和溶液組成等的影響(圖5)[66]。

圖5 動(dòng)態(tài)沉降實(shí)驗(yàn)的主要環(huán)節(jié)和技術(shù)流程[65]Fig.5 Main links and technicalpro[c65e]ss of dynamic settlement experiment

4 煤粉產(chǎn)出控制

煤粉控制是煤層氣排采管理中的重要環(huán)節(jié)，過量煤粉引起的機(jī)械故障導(dǎo)致頻繁檢泵作業(yè)，從而產(chǎn)生大幅度的井底壓力波動(dòng)而破壞氣、水、煤粉流態(tài)的連續(xù)性，進(jìn)而影響煤層氣的正常生產(chǎn)[10]。解決好煤粉的分散性，就可在一定條件下保證煤粉隨地層流體的產(chǎn)出。在煤粉影響下，煤層氣井排采過程是氣-液-固三相流的耦合過程，煤粉的產(chǎn)生與運(yùn)移極大影響煤層氣井排采的最佳狀態(tài)[4,42]。煤粉產(chǎn)出涉及多孔彈性介質(zhì)力學(xué)、巖石力學(xué)、流體力學(xué)、滲流力學(xué)等多學(xué)科交叉領(lǐng)域的理論，且受煤巖力學(xué)性質(zhì)、煤層流體性質(zhì)、完井及排采工藝等多因素影響[49]。目前對(duì)煤粉的產(chǎn)出預(yù)測理論主要借鑒常規(guī)油田出砂預(yù)測的方法，但由于煤層氣開發(fā)地質(zhì)條件的復(fù)雜性，很難對(duì)其進(jìn)行定量和準(zhǔn)確預(yù)測[67]。利用ANSYS軟件可動(dòng)態(tài)模擬煤粉產(chǎn)出，仿真煤層氣井射孔作業(yè)對(duì)煤巖的破壞[68]，結(jié)合ABAQUS軟件對(duì)出煤粉時(shí)間與出煤粉半徑進(jìn)行了模擬，分析不同生產(chǎn)情況下的排采制度和防煤粉措施[69]。

為高效排出煤粉，晏海武[70]設(shè)計(jì)了煤粉濃度井下測量工具，分析井筒環(huán)空中煤粉排出條件，確定煤粉濃度預(yù)警指標(biāo)，提出螺桿泵接防砂尾管結(jié)合油套環(huán)空、注水稀釋煤粉濃度的防控措施[71]。根據(jù)煤粉顆粒沉降速度，可計(jì)算不同桿管組合條件下滿足煤粉排出條件的最小排量，進(jìn)而制定循環(huán)補(bǔ)水排采工藝[72]。鄭春峰等[73]搭建有桿泵井筒煤粉運(yùn)移動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，模擬不同煤粉粒度和排液速度下煤粉動(dòng)態(tài)運(yùn)移規(guī)律。劉新福[74]開展了機(jī)械濾煤粉管設(shè)計(jì)、防煤粉排采泵設(shè)計(jì)和桿管尺寸優(yōu)選等防煤粉系統(tǒng)研發(fā)工作。段寶玉等[75]設(shè)計(jì)新型防煤粉泵和掛籃式沉砂管，為煤層氣井的排采、撈砂一體化奠定基礎(chǔ)。除此之外，針對(duì)洗井和修井過程中的煤粉清洗，綦耀光等[47]、王璐等[76]設(shè)計(jì)了射流負(fù)壓沖煤粉裝置，開展了注水和酸化洗井工藝研究。

5 展 望

當(dāng)前煤粉的防治工作主要集中在地質(zhì)預(yù)防、儲(chǔ)層改造、設(shè)備優(yōu)選、生產(chǎn)預(yù)警、排采控制和工藝治理等方面，其中儲(chǔ)層改造、排采控制和工藝治理是煤層氣井開發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)[32]。煤粉需隨地層流體一同產(chǎn)出，其中，儲(chǔ)層改造過程中壓裂液的注入、工藝治理中的洗井等環(huán)節(jié)，均涉及液體的注入和產(chǎn)出，是保證煤層氣井穩(wěn)定排采的關(guān)鍵[32](圖6)。

5.1 煤粉物質(zhì)組成精細(xì)表征

煤粉的物理化學(xué)性質(zhì)控制著絮凝沉淀、氣-液固耦合運(yùn)移關(guān)系，查明其特性是解決凝聚沉降問題的基礎(chǔ)。煤粉表征主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是煤粉本身顆粒的大小和分布，二是煤粉顆粒的理化性質(zhì)。理化性質(zhì)包括物質(zhì)組成、元素組成、顯微組分等，可通過元素分析、工業(yè)分析、X射線衍射和顯微鏡下測試獲取。表面性質(zhì)主要包括形貌特征、力學(xué)特征和表面官能團(tuán)。其中表面形貌可以通過顯微鏡和掃描電鏡獲取，力學(xué)參數(shù)可以通過原子力顯微鏡獲取，結(jié)合掃描電鏡等可以獲得不同顯微組分的力學(xué)性質(zhì)[22]。表面官能團(tuán)和分子結(jié)構(gòu)一般通過透射電鏡和紅外光譜獲取?？紫督Y(jié)構(gòu)一般采用當(dāng)前常見的低溫液氮和二氧化碳吸附法獲取(圖7)[23]。

圖6 煤粉主要防控措施及存在問題(思路參考文獻(xiàn)[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)

圖7 煤粉理化性質(zhì)測試方法和表征手段Fig.7 Test and characterization methods of physical and chemical properties of coal fines

5.2 煤粉凝聚沉降機(jī)理

前人基于煤粉運(yùn)移產(chǎn)出規(guī)律從不同角度提出了煤粉管控措施，在現(xiàn)場應(yīng)用中取得了一定成效，但是煤粉顆粒具有復(fù)雜的吸附、應(yīng)變和分離行為，嚴(yán)重影響煤粉-氣-水流態(tài)的穩(wěn)定性[77-78]。煤粉的產(chǎn)出涉及煤粉顆粒在儲(chǔ)層裂縫中被地層流體黏附啟動(dòng)，在流體中懸浮運(yùn)移，以及在裂縫底部或者支撐劑顆粒中間的沉降滯留，這一系列過程中煤粉顆粒的宏觀分布和微觀運(yùn)移機(jī)理均有待系統(tǒng)闡釋。需要明確，不同煤粉粒度條件下，物質(zhì)組成和表面性質(zhì)如何影響潤濕和懸浮過程。其中關(guān)鍵問題包括：什么樣的煤粉易于在地層水中懸浮；維持懸浮狀態(tài)是哪種微觀作用力；煤粉物質(zhì)組成和地層水環(huán)境對(duì)煤粉的潤濕和懸浮發(fā)揮了什么作用；以及如何在鉆井、壓裂、排采和洗井過程中促使地層中的煤粉保持這種懸浮狀態(tài)。

以上問題研究工作包括：對(duì)經(jīng)過粒徑和密度分選后的煤粉顆粒進(jìn)行氣泡黏附測試，捕捉顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，分析煤粉被氣泡攜帶的能力(圖8)；通過煤粉潤濕過程的刻畫分析，結(jié)合物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)測試，分析潤濕性的影響因素及潤濕過程差異；通過動(dòng)態(tài)沉降實(shí)驗(yàn)，以一定時(shí)長監(jiān)測懸浮顆粒粒度和表面電位變化，查明不同粒徑和溶液環(huán)境中煤粉凝聚-沉降過程(圖5)。在此基礎(chǔ)上，利用煤粉運(yùn)移-滯留過程可視化實(shí)驗(yàn)，分析煤粉在一定裂縫中沉降滯留分布規(guī)律，并通過含水性測試分析其影響因素。該技術(shù)可探究煤粉在裂隙通道中由黏附到沉降的全過程，結(jié)合界面化學(xué)、粉體力學(xué)和流體力學(xué)的相關(guān)理論方法，檢測不同儲(chǔ)層環(huán)境下煤粉顆粒間的相互作用，揭示煤粉穩(wěn)定懸浮和分散的作用機(jī)制，為煤粉的適度產(chǎn)出控制提供建議(圖9)。

圖8 煤粉黏附實(shí)驗(yàn)研究思路(部分思路和方法參照文獻(xiàn)[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)

圖9 煤粉流動(dòng)和沉降模擬觀測實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(部分思路和方法參照文獻(xiàn)[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 煤粉分散產(chǎn)出控制

粒徑小于10 μm的煤粉會(huì)很快凝聚成較大顆粒，是阻礙煤粉懸浮運(yùn)移產(chǎn)出的關(guān)鍵因素[79-80]。前人的研究表明加入合適離子分散劑會(huì)改變煤粉的懸浮性能，但這種懸浮性的改善機(jī)理尚不清楚，特別是在溶液條件下煤粉顆粒間的作用力變化并不明確。一方面，表面活性劑可以提高煤粉的分散穩(wěn)定性；但另一方面，活性劑可能會(huì)影響煤儲(chǔ)層的解吸效率和滲流能力。同時(shí)受無機(jī)礦物含量、煤粉粒徑和煤巖性質(zhì)等影響，不同學(xué)者對(duì)活性劑加入對(duì)煤儲(chǔ)層的綜合影響也存在爭議。

已有學(xué)者開展了分散劑與煤粉配比實(shí)驗(yàn)，篩選出分散特性好、懸浮液濃度穩(wěn)定、黏度低的煤粉分散劑，通過優(yōu)選最佳的分散劑配比濃度，并考察其與相關(guān)接觸體系的配伍性[81-82]。如何優(yōu)化相應(yīng)的分散體系，形成不同煤層氣開發(fā)區(qū)合適的分散劑搭配體系仍然有待進(jìn)一步探索。同時(shí)需要進(jìn)一步考慮不同分散劑影響下的煤儲(chǔ)層吸附解吸性和滲透率變化，通過物理模擬實(shí)驗(yàn)綜合評(píng)價(jià)煤粉懸浮液對(duì)裂縫中煤粉的洗出能力。原則上，立足于增大水溶液表面張力、煤粉顆粒表面潤濕性、煤粉顆粒分散穩(wěn)定性等正效應(yīng)，以減小其對(duì)煤吸附解吸性能和滲透性等負(fù)效應(yīng)，并基于煤粉產(chǎn)出定量評(píng)價(jià)，優(yōu)選最佳分散體系。該技術(shù)可應(yīng)用于壓裂、洗井等煤層氣開發(fā)的關(guān)鍵工藝流程，對(duì)改善相關(guān)工藝效果、提高煤粉產(chǎn)出效率有積極影響，對(duì)煤層氣排采穩(wěn)定性和單井采收率提高具有重要意義。

為實(shí)現(xiàn)煤粉的有效運(yùn)移產(chǎn)出，需要分析產(chǎn)氣通道內(nèi)煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)形式、滾動(dòng)啟動(dòng)條件、懸浮運(yùn)動(dòng)條件等，建立一種可以考慮煤粉剝蝕、啟動(dòng)、運(yùn)移及沉降的適度攜煤粉數(shù)學(xué)模型及一種快速求解的數(shù)值模擬方法。在物理模擬實(shí)驗(yàn)中，可以研制反映儲(chǔ)層條件下煤粉運(yùn)移及對(duì)煤層物性影響的物理模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備，開展地層水最大攜煤粉能力、剝蝕煤粉能力及其與煤粉液的滲流物性差別測試等(圖10)，分析并獲取煤粉啟動(dòng)、運(yùn)移及沉降的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，形成考慮煤粉影響的數(shù)值模擬方法，應(yīng)用于典型井煤粉產(chǎn)出的統(tǒng)計(jì)研究，評(píng)估煤粉產(chǎn)出對(duì)煤層氣井產(chǎn)能變化的影響，計(jì)算最佳排液強(qiáng)度和井底流壓，以期在煤層氣開發(fā)過程中保持煤粉的穩(wěn)定運(yùn)移產(chǎn)出。

圖10 煤粉剝蝕-運(yùn)移-沉降物理模擬系統(tǒng)Fig.10 Physical simulation system of erosion，migration and settlement of coal fines

總體來看，分析煤粉的分散產(chǎn)出需要考慮不同地層水環(huán)境下煤粉顆粒的分散特征，同時(shí)考慮儲(chǔ)層的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，包括活性劑與地層水的配伍性、對(duì)煤吸附解吸能力的影響等。在物理模擬過程中，需要考慮煤粉的剝蝕、煤粉沉降引起的滲透性變化等(圖11)。

6 結(jié)論

a.保證煤粉適度產(chǎn)出是煤粉治理和煤層氣高效排采的核心，其有效銜接在于凝聚-沉降機(jī)制的深入認(rèn)識(shí)?，F(xiàn)有的煤粉顆粒表征和實(shí)驗(yàn)室懸浮表征并不能有效應(yīng)用于煤層氣井田的開發(fā)實(shí)際和排采管控，裂縫導(dǎo)流等模擬實(shí)驗(yàn)也未能從機(jī)理上系統(tǒng)解釋煤粉凝聚和沉降的內(nèi)在作用機(jī)制。

圖11 煤粉分散產(chǎn)出相關(guān)問題及研究思路Fig.11 Problems and research ideas for dispersed production of coal fines

b.煤粉問題的解決需要從機(jī)理和應(yīng)用兩個(gè)方面系統(tǒng)深入，揭示地下儲(chǔ)層條件下氣-水-煤三相介質(zhì)中煤粉的凝聚-沉降行為。機(jī)理方向研究包括nm～μm級(jí)煤粉顆粒的相互作用、凝聚行為發(fā)生條件、有機(jī)質(zhì)和黏土礦物作用、煤巖結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)影響等。應(yīng)用方向包括地層水環(huán)境對(duì)煤粉表面潤濕性、表面電性和空間位阻效應(yīng)的影響及作用機(jī)制，不同煤粉分散劑溶液環(huán)境中煤層氣解吸性、儲(chǔ)層滲透性和煤粉產(chǎn)出能力的變化等。

c.煤層氣高效開發(fā)的實(shí)現(xiàn)需要將地質(zhì)、工程和排采進(jìn)行一體化整合考慮，圍繞儲(chǔ)層地質(zhì)條件、工程施工技術(shù)適應(yīng)性和科學(xué)定量化排采制度開展針對(duì)性工作。煤粉問題的解決，也需將上述因素統(tǒng)一考慮，針對(duì)性開展煤粉高產(chǎn)區(qū)預(yù)測、煤粉適度產(chǎn)出適用性工藝和設(shè)備研發(fā)、煤層氣排采制度優(yōu)化等方面研究。