柳林区块煤层气水平井煤粉产出特征及影响因素研究

张 劲，林 亮，魏迎春*，孟 涛，王亚东，位金昊，谢天成

(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)

煤层气资源是一种绿色的清洁能源，合理开发利用煤层气对于我国能源结构和低碳循环发展模式的转变具有重要意义[1-5]。但是在煤层气开发过程中普遍存在煤粉产出问题，煤层气水平井因为在煤层段钻进，钻具与煤层接触面积大，而且在排采过程中气液流冲蚀井壁容易失稳崩塌，从而产生大量煤粉[6-11]。煤粉通过筛管时，会堵塞筛管引起气水排采不畅[12-15]。当煤粉进入井筒时，煤粉在井筒内堆积会导致埋泵，进入排采系统会导致卡泵，这些问题都会影响煤层气井的连续、稳定、高效排采[16-19]。因此合理控制煤层气水平井煤粉产出已经成为煤层气井连续稳定排采的关键因素，而研究煤粉产出特征及其影响因素则是合理控制煤粉的基础。

前人就韩城区块和临汾区块煤层气井煤粉产出特征进行了大量研究[20-23]，指出了煤层气水平井产出煤粉量普遍较大，在柳林区块有大量煤层气水平井因煤粉堵塞筛管及卡泵等问题导致修井作业，影响煤层气井的连续稳定排采，停井作业会对煤储层造成不可逆的损害，从而影响煤层气井的产能。而前人并未对煤层气水平井连续的煤粉产出特征开展具体的研究。因此，本文开展了柳林区块L1煤层气水平井的连续煤粉监测及采集，从煤粉的浓度、粒度和形态方面研究煤层气水平井在排采中产出煤粉特征，分析产出煤粉的影响因素，为提高煤层气井产能及合理开发提供理论依据。

1 地质背景及主力开发煤层特征

1.1 区域地质构造

在区域构造上，柳林区块处于鄂尔多斯盆地东缘，东部构造相对复杂，为宽缓的离石-中阳向斜和王家会背斜，伴生断层较发育，有炭窑沟、青山垣、朱家店等较大断层，向西逐渐过渡为柳林-三交单斜。在柳林—吴堡地区，地层向西缓倾形成鼻状构造，在其轴部由于张力作用产生了近东西向的张性断裂带，即聚财塔南北断层组成的地堑[24](图1)。研究区内部总体为一向西倾斜的单斜构造，地层倾角为5°左右，区内大型断层较少，在北部边缘发育聚财塔断层和其伴生的小型断层。

图1 柳林区块构造纲要图(据参考文献[24]修改)Figure 1 Structural outline map of Liulin block (after reference [24],modified)

1.2 煤层气主要开发煤层特征

柳林区块含煤地层为二叠系下统山西组和石炭系上统太原组，区内发育煤层14层，其中山西组5层，太原组9层，山西组的2、3+4、5号煤层，太原组的6、8+9、10号煤为主要可采煤层。柳林区块煤层气井主要开发煤层为3+4和8+9号煤层，区内多为焦煤、瘦煤等中等变质程度的煤，易于受外力影响而发生变形。

3+4号煤层位于山西组中下部，全区发育，煤层结构简单，局部含1～3层夹矸，为稳定可采煤层，煤层厚度为0.04～5.84 m，平均厚度为2.3 m，由西向东、由南向北逐渐变厚，煤层埋深110～1 150 m，东北向西南方向逐渐变深。顶板岩性多为砂质泥岩或泥岩，局部为粗、中、细粒砂岩，偶为炭质泥岩或粉砂岩。底板岩性多为砂质泥岩或泥岩，局部为细、中、粗粒砂岩或粉砂岩，偶为炭质泥岩。3+4号煤的宏观煤岩组分以亮煤、镜煤为主，其次为暗煤夹少量丝炭条带，宏观煤岩类型为光亮型、半亮型煤，含少量半暗型和暗淡型煤分层。显微组分以镜质组为主，占62.73%，惰质组次之，占29.26%，壳质组少量。对柳林区块主采3+4号煤层的煤层气井测井数据进行解释，识别出3+4号煤层煤体结构类型主要为原生结构煤和碎粒煤。

8+9号煤层位于太原组下段，煤层结构较复杂，一般含夹矸2～3层，个别可达6层，属稳定可采煤层，煤层厚度为0.79～10.21m，平均厚度为4.32m，由东向西、由南到北逐渐变厚，埋深175～1 210 m。顶板岩性为石灰岩或泥灰岩，偶为细粒砂岩或泥岩，底板岩性多为砂质泥岩或泥岩，局部为细、中、粗粒砂岩，偶为炭质泥岩或铝质泥岩。8+9号煤的宏观煤岩组分以亮煤、镜煤为主，其次为暗煤夹少量丝炭条带，宏观煤岩类型为半亮型、半暗型煤，含少量光亮型和暗淡型煤分层。显微组分以镜质组为主，占69.56%，惰质组次之，占21.51%，壳质组少量。对柳林区块主采8+9号煤层的煤层气井测井数据进行解释，识别出8+9号煤层煤体结构类型主要为碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤。

2 样品采集及实验方法

2.1 煤粉样品采集

为了查明水平井产出煤粉特征及其影响因素，对研究区内主采3+4号煤层的L1多分支水平井产出煤粉进行连续监测及采集，L1井是2019年12月末开始投产的一口多分支水平井，该井采用三开井身结构设计，筛管完井方式，开始采样时L1井正处于气水合采阶段，从2020年7月开始对L1井进行煤粉监测及采集。通过煤层气井测井数据的解释，识别出L1多分支水平井的煤体结构类型为原生结构煤和碎粒煤。

2.2 实验方法

1)采用称重法测定煤粉浓度，将容器内的排采液样充分摇晃均匀后，倒入量杯中100 mL，使用真空泵(VP-2型旋片式真空泵)过滤液样。过滤选用亲水双面有机PTFE聚四氟乙烯微孔滤膜，孔径为0.45 μm，在过滤前先将滤膜放入真空干燥箱内，40 ℃干燥2 h，冷却至室温后称量滤膜质量，并记录。过滤结束后将过滤后的滤纸及煤粉放入真空干燥箱中，40 ℃干燥12 h后称滤膜和煤粉的质量并记录，然后继续干燥1 h后称其质量并记录，直至滤膜和煤粉质量恒定，然后计算水样中的煤粉浓度。

2)使用激光粒度分析仪(Microtrac S3500&Bluewave)对液样中的煤粉颗粒进行粒度测试，激光粒度分析仪的粒度测量范围为0～2 000 μm。

3)采用冷场发射扫描电子显微镜，型号S4800，分辨率为1.0 nm(15kV)，1.5 nm(5kV)，放大倍数30～800 000倍，用于观察煤粉形态特征。

3 实验结果与分析

3.1 煤粉浓度特征及影响因素

L1井的排采阶段正处于气水合采阶段，井底流压、套压、产气量、产水量的变化较为复杂，压力波动较大，产出煤粉浓度受排采因素影响变化较大。图2为井底流压、套压、产气量、产水量的变化对产出煤粉浓度影响的折线图，从图中可以看出：井底流压由0.385 MPa逐步降至0.318 MPa，平均压降速率为0.002 MPa/d；套管压力由0.256 MPa缓慢降至0.113 MPa；产水量平均在3 m3/d；L1井从开始监测第37d时就开始执行提产，每天放气5 m3，一直到第41d时停止提产，煤层气井产气量从8 029 m3/d逐渐提到9 888 m3/d，平均提气速率为18.6 m3/d；煤粉浓度范围为0.2～6.5 g/L，煤层气井产出煤粉浓度主要发生两次变化，第一次为第37d时连续五天的提产，煤粉浓度从0.65 g/L突然提高到14.13 g/L，第二次为第75d时连续12d的提产，煤粉浓度从1.78 g/L逐渐提高到6 g/L。由于产出煤粉量过大，煤粉颗粒堵塞井底筛管导致煤层气井排水不畅，在第110d时产水量降到0 m3/d，进行停井冲洗筛管，冲洗筛管后还是排水不畅，在第120d时进行停井作业抽煤粉操作，停井作业后煤粉浓度降低到0.33 g/L。

图2 煤粉及排采参数曲线Figure 2 Coal fines and drainage parameters curve

通过相关性分析，井底流压与产出煤粉浓度具有强相关性(R2=0.55)，产出煤粉浓度随井底流压的降低而呈现明显升高趋势，在排采过程中，如果煤储层压力下降速率过快，容易造成上覆岩石压力和储层内孔隙压力差增加，导致煤岩基质压缩，从而产生煤粉(图3)。套管压力与产出煤粉浓度也具有强相关性(R2=0.54)，产出煤粉浓度随着套管压力的增大而降低，在排采过程中如果套管压力不稳定会引起气液流对煤储层的冲蚀，从而产生大量煤粉，应避免套管压力的快速变化，控制套管压力平稳改变(图4)。日产气量与产出煤粉浓度具有强相关性(R2=0.59)，产出煤粉浓度随日产气量的增大而增加，产气增长速率过快，单位距离内流体压差过高，会使得煤储层裂隙内流体流速加快，高速流动的流体冲蚀煤层，导致煤粉产出量增加，而高速流动的流体携带大量的煤粉进入筛管中会堵塞筛管，引起气和水产出量骤降的现象(图5)。日产水量与产出煤粉浓度具有中等相关性(R2=0.33)，产出煤粉浓度随日产水量的增大而减小，产水量增加过快会冲蚀煤储层产生煤粉，也会稀释煤粉浓度，使煤层气井产出煤粉浓度降低(图6)。在煤层气开采过程中，煤粉浓度受井底流压、套压、产气量和产水量的综合影响，这些排采参数的突然变化都会导致煤粉浓度的增加，所以在排采过程中要注意控制排采参数的稳定。

图3 井底流压与产出煤粉浓度相关性分析Figure 3 Correlation analysis between well bottom flow pressure and generated coal fines concentration

图4 套管压力与产出煤粉浓度相关性分析Figure 4 Correlation analysis between casing pressure and generated coal fines concentration

图5 日产气量与产出煤粉浓度相关性分析Figure 5 Correlation analysis between daily gas output and generated coal fines concentration

图6 日产水量与产出煤粉浓度相关性分析Figure 6 Correlation analysis between daily water output and generated coal fines concentration

3.2 煤粉粒度特征及影响因素

煤粉粒度大小是影响煤粉堵塞筛管和引起卡泵的重要因素之一，研究不同粒度大小煤粉的自身特征及其来源能够更加有效的认识和解决煤粉堵塞筛管和卡泵问题。研究区内L1井的煤粉粒度分布见图7。煤粉颗粒分布范围较广，为1～500 μm，粒度最大值为497.8 μm，最小值在0.75～2.5 μm，平均粒度范围在18.6～47.3 μm，D10变化范围不大基本在3.2～10.4 μm，D50变化在11.7～32.3μm，D90变化范围较大在39.5～132.8 μm。在监测煤粉粒度第4、16和31d时，煤粉粒度范围在1～300 μm，最大粒度为228 μm，在第41d时煤层气井进行了提产，产出煤粉粒度曲线变为双峰分布，粒度范围变为1～500 μm，最小粒度为1.06 μm，最大粒度为497.8 μm，平均粒度为52.4 μm，双峰对应峰值粒度分别为52.3 μm和67.9 μm，在第65、69和92d时，煤粉粒度曲线变为单峰分布，但粒度范围依然为1～500 μm，在第120d时进行停井抽煤粉作业，停井作业后产出煤粉粒度范围变为1～200 μm，最小粒度为1.49 μm，最大粒度为124.5 μm。排采参数发生变化后煤粉粒度变大，而在停井作业后煤粉粒度又变小。

图7 L1煤层气水平井产出煤粉粒度分布曲线Figure 7 Particle size distribution curve of coal fines generated from CBM horizontal well L1

分析认为在未进行提产前，排采参数未发生变化，气液流体流速较平稳，煤层内的煤粉会被平稳的从储层运移到井筒，然后排出井口，气液流速较慢所以粒度较小的煤粉被运移出来，而粒度较大的煤粉未被运移。在进行提产排采参数发生变化后，气液流体流速变大，冲蚀煤层产生大量煤粉的同时也会将大量粒度较大的煤粉带到筛管处，而粒度较大的煤粉会堵塞筛管使气水排出不畅。在停井冲洗筛管后，堵塞筛管的粒度较大的煤粉被排出井筒，产出煤粉的粒度又变小。排采参数的变化会带出大量粒度较大的煤粉，所以要及时冲洗筛管减少停井作业次数。

3.3 煤粉形态特征及影响因素

通过带X射线能谱仪的扫描电子显微镜对煤粉样品进行观察，根据煤粉颗粒表面光滑程度，分为光滑表面和粗糙表面两种(图8)。对光滑表面和粗糙表面进行能谱测试，光滑表面的煤粉颗粒主要元素为C、O元素，以有机组分为主(图8a)，粗糙表面的煤粉颗粒主要元素为C、O、Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Fe，重量百分比分别为7.67%、51.11%、2.5%、0.61%、6.73%、27.4%、1.35%、1.07%，原子百分比分别为12.09%、60.5%、2.06%、0.47%、4.72%、18.47%、0.65%、0.5%。判断粗糙表面的颗粒是CaCO3、SiO2、MgO、Al2O3、Fe2O3等(图8b)。观察发现煤粉颗粒的形态主要为块状和粒状(图8)，块状煤粉以不规则的柱状和块状为主，棱角分明，颗粒直径较大(图8c、d)，粒状煤粉棱角不明显，磨圆相对较好，多为三维延展的球粒状颗粒，粒度整体变化不大(图8e、f)。

图8 煤粉扫描电镜图像Figure 8 Coal fines SEM images

分析认为，煤粉粗糙表面的颗粒为高岭石等无机矿物，由于高岭石集合体对骨架颗粒附着力很差，同时高岭石晶体之间结合力也很弱，在高速流体作用下使高岭石集合体从骨架颗粒上脱落，而这些高岭石颗粒附着在煤粉颗粒上。扫描电镜下观察到的煤粉主要以无机矿物为主，煤层气井产出煤粉表面特征与开发煤层段的煤岩和矿物成分有关。而L1煤层气水平井的煤体结构类型以原生结构煤和碎粒煤为主，原生结构煤受后期构造应力影响较小，煤体结构完整，煤粉颗粒呈块状断裂的方式脱落，碎粒煤受后期构造应力影响煤体结构已完全破坏，产出煤粉颗粒呈磨圆较好的球状颗粒。认为煤层气井产出煤粉颗粒的形态与煤层的煤体结构类型有关。

4 结论

1)在煤层气井排采过程中，通过监测煤粉浓度发现煤层气井产出煤粉浓度范围为0.2～6.5 g/L，将煤粉浓度与排采参数进行相关性分析，发现排采参数的突然变化会导致煤粉浓度的增加，认为排采参数的突然变化会使单位距离内流体压差过高，煤储层中气液流体流速加快，高速流动的流体冲蚀煤层，导致煤粉产出量增加，

2)通过煤粉粒度特征分析，煤粉颗粒分布范围较广，为1～500 μm，排采参数发生变化后煤粉粒度变大，认为气液流体流速较低时只能运移粒度较小的煤粉，而在排采参数发生变化后，气液流体流速变大，会将大量粒度较大的煤粉带到井口。

3)煤粉颗粒的形态主要为块状和粒状，L1煤层气水平井所属煤层煤体结构类型以原生结构煤和碎粒煤为主，认为煤粉颗粒的形态与煤层的煤体结构类型有关，煤粉颗粒有光滑型和粗糙型两种表面特征，颗粒表面常附着有高岭石等无机矿物，煤粉表面特征与煤岩和无机矿物成分有关。