煤层气开发中固相微粒的形成原因及防治措施的研究

李江彪

(山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西 晋城 048000)

引 言

煤炭资源在人类社会发展中提供了巨大的助力，是人类经济社会发展的重要的能源资源，为人类科技的进步和发展提供了巨大的支持，但煤炭资源在燃烧过程中产生了大量的有害气体，对大气产生了极大的污染。随着全球对环境保护的日益重视，各种污染性大的能源资源的应用受到了极大限制，同时人类不断开发各种新的绿色能源资源，确保人类社会的能源需求[1]。煤层气是近年来发现的一种燃烧值高、环境污染小的绿色能源资源，凭借着其突出的优点和极高的性价比，迅速成为一种广泛应用于各行业的绿色能源资源，各生产企业不断采用新的技术提高煤层气的开采效率，确保能源市场的充分供应，但煤层气在开采过程中普遍存在在固相微粒突出的问题，不仅严重影响了煤层气的开采效率而且固相颗粒随之煤层气进入到开采设备中，导致设备堵塞、停机、损坏等，对煤层气开采企业的生产效率和开采的经济性产生了巨大的负面影响，因此迫切需要对煤层气开采过程中固相颗粒的形成原因、机理进行分析，进而得出固相颗粒预防的具体措施，提升煤层气开采的效率。

1 固相微粒的形成机理

固相微粒的形成可划分为力学成因机理和化学成因机理。

从力学成因机理上分析，煤层气的开发实际上是在一定的地质条件的基础上，通过机械钻井与水力压裂、地面抽采的方式得到的，在开采的时候以上各个过程均会对煤层煤岩产生一定的剪力，使钻孔附近的岩层原有的应力平衡发生破坏，造成岩壁四周的应力集中，进而导致了岩层壁面的失稳破坏和各原有的壁面裂隙的进一步扩大，最后造成钻孔周围的岩层骨架的结构破坏及煤粉、杂质等固相微粒的产生。同时在煤层气开采时会造成不同地质层位内的压力的波动，在不同煤气储层之间产生一定的压差，当压差超过煤层围岩间的各岩石矿物的力学稳定临界值之后，同样会导致地质骨架发生一定的结构撕裂，产生各类固相微粒。

从化学成因机理上来说，各煤岩的化学组分不尽相同，各个地层中的煤岩的矿物组分及流体成分具有很大的空间差异性，在煤层气开采过程中，钻井导致不同煤岩之间的组分产生了一定的接触，同时在抽采煤层气时的外来流体会与不同煤层相互接触，当某个岩层的化学组分与之不匹配时，就会发生一定的化学反应，导致岩井周围组分的表面特性发生变化，在开采时的受力下更容易发生破裂，产生大量的固相微粒。

2 固相微粒的成分组成

对固相微粒成分组成的研究主要目的是通过对固相微粒组分的构成分析，推断出煤层气开采过程中产生固相微粒的地质层面，为进一步控制固相微粒的产生提供基础。

本文以某矿区域内的煤层气井为采样对象，对开采过程中产出的固相微粒进行收集、沉淀、风干，得到的样品如第110页图1所示。

图1 固相微粒样品

采样完成后对样品进行煤砖的制备及研磨，在制备的过程中采用的是冷胶制备方案形成煤砖样品，制备完成后进行精磨和精抛光，最终使煤砖表面形成平齐的有显著显微组的分界线。然后用显微镜对其进行组分分析和计数[2]，以获取不同在固相微粒中各组分的含量和百分比，其统计结果如图2所示。

图2 样品中固相微粒各组分含量示意图

由图2可知，在固相微粒样品中，占比最大的为黏土矿物质，含量达到了约59.8%，其次为镜质组，含量约为24.1%，惰质组，含量为17.9%，黄铁矿组分占比含量为6.2%，石英组分含量为0.2%。因此在煤层气开采时不同层段会导致固相微粒产生的几率发生变化，煤层结构越多、越复杂产生固相微粒的概率越大，特别是在含有加矸层的结构中，在开采时的力学因素和化学因素的作用情况会加强，导致岩井周围的煤岩结构稳定性降低，进一步加剧固相微粒产生的概率。

3 固相微粒产出运移因素的影响

固相微粒产出时的移运因素主要是指在开采时的压裂造缝。煤层气在开发过程中为了提升煤气储层的渗透力而专门设置的，其对固相微粒产出的影响主要包括高压物理破坏及压裂液体对煤岩成分的化学分解。在向煤层中注入高压液体时会导致煤岩层壁的受压变形，导致煤岩内产生大量的撕裂性的裂纹，使通道内的煤岩在高压液体作用下产生冲蚀性破坏，导致各类固相微粒在裂纹的表面部位的大量剥落，其作用原理如图3所示。

图3 高压物理破坏导致的固相微粒产出原理示意图

在开采时若压裂液体成分与煤岩成分不相契合时，会对其接触到的岩井附近的煤岩组分产生化学作用，导致固相微粒的分散移运进一步加重，特别是在向裂纹中添加填充颗粒后，因各类型填充颗粒的硬度偏大，造成了裂纹附近的层压加大，对裂纹进一步产生了挤压破坏[3]，加剧了固相微粒的产生和移运，其原理如图4所示。

图4 支撑剂嵌入导致的固相微粒产出示意图

4 固相微粒的防治措施

根据固相微粒在煤层气开发过程中的产生机理及移运特性，在对其防治时需要根据不同的地质特性针对性地采取控制措施，主要包括以下几个方面。

1) 储层改造缓解措施。当在开采时对煤层的压裂造缝时，首先对采掘到的煤岩成分进行分析，在此基础上选择与煤岩成分反应敏感性低的压裂液，降低开采时与煤岩的化学反应，同时在支撑剂内加入具有吸附特性的纳米颗粒，提升支撑剂对裂缝的密封效果。

2) 排采生产控制措施。在煤层气的排水采气阶段实际上是处于一种气、液、固三相相互依存的状态，此时可以制定煤层气的连续采集，在采集过程中不断排出储气层内的液体，降低储层压力，确保储层内的压降稳定，避免对岩层的过度扰动造成了固相颗粒的产生。

3) 工艺设备治理措施。因煤层气开发过程中的固相微粒实际上是杂质移运的结果，微粒形成后首先会随着压力集聚于抽气泵处，因此在开采时通过对煤层气井口抽气泵的监测分析，实现对泵口位置固相微粒集聚程度的实时监测，并根据集聚情况制定抽气泵的清洁措施，可以显著降低在开采过程中抽出的固相微粒的数量[4]。

5 结语

本文通过对煤层气开采时固相微粒产生机理及移运影响因素的分析，结合其形成原因，针对性地提出了煤层气开采过程中固相微粒的防治措施，对降低煤层气开采时的固相微粒数量，提升煤层气开采效率具有一定的指导意义。