团聚型压裂液对煤粉运移的影响及作用机理

宋金星 ，史俊可 ，刘建壮

(1.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454003；2.中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心，河南 焦作 454003)

煤储层与常规油气储层相比是十分脆弱的，具有易碎、易坍塌的特点，其抗拉强度和抗压强度都要小于常规油气储层，但是泊松比却很大，应力的略微变化都会造成煤层结构的变化，导致煤粉颗粒产生[1-3]。排采过程中，煤粉随着运载流体在支撑裂缝中运移，容易导致裂隙堵塞，造成煤储层渗透率和支撑裂缝导流能力的降低，干扰煤层气的正常生产，使煤层气井出现过早的衰竭；煤粉排出进入排采系统中又会导致埋泵和卡泵，破坏排采的连续性和稳定性[4-7]。因此，合理的煤粉防控措施对煤层气井高产稳产有至关重要的作用。国内外学者对煤粉防控措施进行了大量室内模拟实验与现场研究，煤粉的防控方法也从简单的筛管、绕丝筛管、绕丝筛管+砾石充填的机械防煤粉技术思路到煤粉团聚抑制煤粉排出、煤粉分散促进煤粉排出的思路转变[8-12]。通过向压裂液中加入适量添加剂，使得煤粉的性质发生改变，促使煤粉在运移过程中分散悬浮或聚集沉降等行为，实现对煤粉的防治[13-15]。尽管当前对煤粉运移和压裂液相关特性有了一定的认识，但是对于煤粉的润湿性、黏附性对煤粉运移过程中产生的影响缺乏探讨，尤其是煤粉团聚沉降对煤粉在支撑裂缝中运移的影响及作用机理尚不明确，无法进一步提升对煤粉的防控作用，限制了煤层气井产气量的提高。

笔者以准南煤田乌鲁木齐河东矿区煤样为研究对象，以蒸馏水、活性水压裂液(1.5%KCl)、团聚型压裂液(1.5%KCl+0.05%AN) (AN 为阴离子表面活性剂AS和非离子表面活性剂NS 的9∶1 复配)为运载流体，通过单相流驱替状态下煤粉产出物理模拟实验，获取驱替流速为100、200、300 mL/min 时的煤粉产出量和支撑裂缝导流能力伤害率，并结合静置沉降实验和直剪实验揭示团聚型压裂液煤粉防控作用机理，以期对煤层气开发过程中煤粉的治理研究提供参考。

1 室内实验

1.1 静置沉降实验

1) 样品制备

样品信息及工业分析见表1。利用粉碎机将样品粉碎后，选取100～150 目(100～150 μm，下同)煤粉，装袋密封，备用。

表1 样品信息及工业分析结果Table 1 Proximate analysis results of samples

2) 压裂液配制

取3 个大烧杯，分别加入500 mL 蒸馏水，编号备用。用天平准确称量药品，加入烧杯中均匀搅拌，配置成活性水压裂液(1.5%KCl) 和1.5%KCl+0.05%AN。3 种液体的表面张力及其与河东矿区煤样的接触角见表2。

表2 3 种液体与煤样的接触角Table 2 Contact angles of three solutions with coal samples

3) 实验方法

静置沉降实验以煤粉沉降效果和沉降的速度为参考标准。在实验过程中，依次取出20 mL 液体倒入25 mL 的玻璃试管中，然后加入100～150 目煤粉0.5 g，充分振荡均匀，放置在试管架上，开始计时并观察煤粉在0、0.5、1、3 h 时刻的沉降情况[16-18]。

4) 实验结果与分析

试管从左至右依次为：蒸馏水、活性水压裂液、1.5%KCl+0.05%AN，浆液静置沉降实验效果如图1所示。

图1 煤样静置沉降实验Fig.1 Static settlement experiment of coal samples

浆液静置沉降0.5 h 后，1.5%KCl+0.05%AN 内的煤粉已经完全沉淀于试管底部，且上部无漂浮煤粉。相较于蒸馏水和活性水压裂液，浆液在静置沉降3 h后，试管仍明显处于浑浊状态，且上部漂浮煤粉无法沉降。这是由于1.5%KCl+0.05%AN 具有极低的表面张力，从而改变了固液界面状态，进而对煤粉产生了润湿作用。由于1.5%KCl +0.05%AN 作用后的煤粉颗粒有快速团聚沉降的行为，因此称1.5%KCl+0.05%AN 为团聚型压裂液(为简便起见，下文用团聚型压裂液表述)。

1.2 直剪实验

1) 煤样制备

取100～150 目煤粉，烘干后均分为18 份，依次加入蒸馏水、活性水压裂液、团聚型压裂液，制备含液率为3%、6%、9%、12%、15%、18%、21% 的煤粉样品，装入密封袋中保存24 h。

2) 测试过程

采用ZJ 型应变控制式直剪仪进行直剪实验，使用常规钢制环刀制备试样，体积约为60 cm3。实验时，在不同的垂直载荷下，对试样进行等速剪应变，通过测量系统测定出相应的剪应力和水平位移，得到不同的垂直载荷作用下破坏时的剪应力，然后根据库仑定律确定试样的黏聚力和内摩擦角。

3) 测试结果与分析

3 种液体处理后煤粉黏聚力变化如图2 所示，通过实验可知：3 种液体处理后煤粉的黏聚力均随含液率的增加呈现先缓慢上升，在18%左右达到峰值，随后开始平稳下降的趋势。其中团聚型压裂液作用的煤粉黏聚力最强，活性水压裂液次之，蒸馏水最弱，干燥煤粉几乎没有黏聚力。

图2 3 种液体处理后煤粉黏聚力的变化Fig.2 Changes in cohesion of pulverized coal after treatment with three solutions

1.3 煤粉产出物理模拟实验

1) 实验仪器及材料

煤粉产出物理模拟装置具体如图3 所示。运载流体选用蒸馏水、活性水压裂液和团聚型压裂液，煤粉粒径为100～150 目，煤粉质量分数设计为1%。支撑剂选用16/20 目(0.85～1.18 mm)天然石英砂颗粒，石英砂中SiO2质量分数大于99.97 %，硬度为7，性脆无节理，密度为2.65 g/cm3。每次试验前将石英砂在高纯蒸馏水中冲洗至无悬浮杂质，铺砂面积为20 cm×2.63 cm。

图3 煤粉产出物理模拟实验装置Fig.3 Visual simulation devices for pulverized coal transportation

2) 实验方法

①将支撑剂均匀铺满观察区，接通实验管路并检查气密性。

② 接通电源，在煤粉溶液罐内加入1 L 运载流体(煤粉质量分数1%)并放置于恒温磁力搅拌器上，转速为800 r/min，保持恒定。

③调整质量流量计，设置相应气体流速。实验分别设置气体驱替流速为100、200、300 mL/min。

④ 打开氮气瓶阀门，调整减压阀，待质量流量计示数稳定后，接通观察区进水口，使氮气驱替运载流体进入支撑裂缝。首次驱替无煤粉运载流体，获得无煤粉运载流体通过支撑裂缝的渗透率；随后驱替含1%煤粉的运载流体，观察煤粉在支撑裂缝内的运移情况，并记录驱替产出液体的流量(当出口处流速稳定时开始计时，每250 mL 记录一次)。

将多层建筑确定为木质板材下一个增长领域，该委员会最近批准了该实验室的扩建，以便能够测试3层建筑。去年，加拿大已批准木材建筑可达6层，而在美国则为4层。该行业正在向更高更大的举措发展。另一个预期的发展是混合建筑，特别是在商业建筑方面，工程木协会(APA)将再次采取协作立场。Elias先生指出：“我们的成员生产的产品将用于混合木材和其他木质材料的木结构建筑，以及混凝土和钢材与木结构板材覆板混合的建筑。这些方法已有效地用于高度和面积增加的商业建筑中，我们正在寻找其他有效结合这些产品的方法。”

⑤ 对驱替产出的液体进行离心、过滤、烘干、称量，获得煤粉产出量。

⑥ 关闭氮气瓶阀门，清洗有机玻璃板及煤粉溶液罐，计算支撑裂缝导流能力伤害率，具体公式参见文献[18]。

⑦ 更换驱替流速、运载流体，重复以上步骤。

3) 实验结果与分析

1.3.1煤粉产出量

驱替流速为100、200、300 mL/min 时的煤粉相应产出量及累计产出量如图4 所示。实验过程中，煤粉沉积于支撑剂颗粒表面(煤粉沉积)、支撑剂颗粒间的通道缩小(轻微堵塞)和煤粉堵塞支撑裂缝(严重堵塞)等3 个阶段如图5 所示。

图4 不同驱替流速的煤粉产出量Fig.4 Output of pulverized coal at differentdisplacement flow rates

图5 煤粉堵塞支撑裂缝的3 个阶段Fig.5 Three stages of pulverized coal blockingsupporting fractures

气体驱替流速为100 mL/min 时，活性水压裂液煤粉产出量远高于其他两种运载流体，3 种运载流体煤粉累计产出量均呈现线性增长趋势，此时运载流体携带煤粉运移较为顺畅，煤粉尚未堵塞支撑裂缝。

气体驱替流速为200 mL/min 时，随着煤粉沉积的累积，运移通道逐渐缩小，活性水压裂液、团聚型压裂液均在此流速下驱替产出的第3 杯液体的含煤粉达到最大值，随后形成堵塞造成第4 杯含煤粉量开始下降。

1.3.2支撑裂缝导流能力伤害率

不同驱替流速下导流能力伤害率如图6 所示。

图6 不同驱替流速的导流能力伤害率Fig.6 Damage rate of conductivity at different displacement flow rates

气体驱替流速为100 mL/min 时，支撑裂缝的导流能力伤害率变化范围较小(0.6%～8.1%)，整体为：随着驱替的持续进行，支撑裂缝导流能力伤害率缓慢上升，其中活性水压裂液伤害率大于其他运载流体。

气体驱替流速为200 mL/min 时，随驱替产出液体量的增多，支撑裂缝导流能力伤害率增大。这是因为驱替流速增大，使得运载流体携带的悬浮煤粉数量增多、粒径增大，从而增大煤粉堵塞支撑剂颗粒间孔隙的概率，进而降低支撑裂缝的导流能力。此时团聚型压裂液导流能力伤害率累计值分别与蒸馏水和活性水压裂液导流能力伤害率分别相差24.4%和3.1%。

气体驱替流速为300 mL/min 时，此时3 种运载流体的支撑裂缝导流能力伤害率均增大，其中运载流体为蒸馏水时的裂缝导流能力伤害率高于其他两种运载流体。在驱替产出的4 杯液体中，运载流体为蒸馏水的支撑裂缝导流能力伤害率分别为团聚型压裂液的3.2、5.6、3.4、1.1 倍，呈现先增大后减小的趋势。团聚型压裂液和活性水压裂液均在驱替产出第4 杯液体时的导流能力伤害率显著增加，且团聚型压裂液导流能力伤害率增加斜率最大，活性水压裂液次之，蒸馏水最小，但团聚型压裂液导流能力总体累计伤害率依然小于其他2 种运载流体。此速度下团聚型压裂液导流能力伤害率累计值与蒸馏水和活性水压裂液导流能力伤害率分别相差64.8%和14.9%。

2 团聚型压裂液煤粉防控作用机理

2.1 煤粉润湿促使其团聚沉降

通过煤粉沉降实验发现，团聚型压裂液能够通过改变溶剂的界面状态，从而对煤粉产生润湿作用，使煤粉迅速团聚沉降，且团聚型压裂液液面上无悬浮煤粉，即可以将煤粉颗粒从液面“拽”入水中，并在重力作用下就地自行沉降聚集。沉降聚集后的煤粉由于受到颗粒接触点上的黏聚力作用，使煤粉颗粒间不容易发生相对移动[19]，从而减少悬浮煤粉颗粒的数量，有效降低煤粉产出量和支撑裂缝导流能力伤害率。忽略影响较小的双电层斥力、惯性力等，煤粉团聚沉降后受力分析如图7 所示。

图7 煤粉颗粒受力[20]Fig.7 Force analysis of pulverized coal particles[20]

2.2 增大黏聚力抑制团聚煤粉滚动

煤粉颗粒从静止状态到开始变形流动有一个过程，这是煤粉颗粒具有一定强度造成的。直剪实验可以得出，随着煤粉含液率增大，黏聚力呈现了先增大后减少的趋势，但内摩擦角的变化不大，团聚型压裂液的黏聚力高于蒸馏水和活性水压裂液，这是由于团聚型压裂液是由亲水(疏油)的、极性的基团和亲油(疏水)的、非极性的碳氢链部分共同构成，且两者位于表面活性剂分子的两端，具有不对称，能够使煤颗粒之间的液桥力变大(煤中液体存在形式如图8 所示)，而当颗粒之间有液桥的存在时，范德华力小于颗粒之间的液桥力[8]。黏聚力增大，从而提高颗粒之间的黏聚性，使煤粉颗粒之间的黏聚力变大，抑制煤粉发生相对移动，减少煤粉产出量，减少卡钻、修井的发生概率。

图8 煤中液体的存在形式Fig.8 Existing form of the liquid in coal

2.3 抑制煤粉排出增透作用

团聚型压裂液能够有效降低煤粉产出量，但驱替流速对支撑裂缝导流能力和煤粉产出量的影响要高于运载流体的作用。3 种运载流体均随驱替流速增加，煤粉产出量呈现先逐步升高、后随着堵塞情况的加剧逐步降低的趋势。在设置合适的驱替流速条件下，团聚型压裂液因具有较低的表面张力，能够使煤粉颗粒快速团聚沉降，具有较高的黏聚力，避免了煤粉发生相对移动，促使团聚型压裂液能够以高于其他2 种运载流体的流速稳定产出，有效避免了煤粉排出进入排采系统中导致埋泵和卡泵的风险，能够较好地维持排采的连续性和稳定性。

团聚型压裂液能够减缓支撑裂缝导流能力伤害增加速率。当驱替流速较低时(100 mL/min)，活性水压裂液和团聚型压裂液具有较低的毛管压力，支撑裂缝的导流能力整体伤害率变化范围较小(0.6%～8.1%)；随着驱替流速上升，煤粉沉积逐步累积，团聚型压裂液能够将煤粉尽快地团聚、沉降，避免了煤粉颗粒对支撑裂缝主要通道的堵塞，有效减缓了支撑裂缝导流能力伤害增加速率，在200 mL/min 团聚型压裂液对支撑裂缝导流能力的伤害率与其他2 种运载流体相差分别达到24.4%和3.1%，在300 mL/min 相差分别达到64.8%和14.9%，说明团聚型压裂液能够有效缓解煤粉对支撑裂缝带来的渗透率伤害，实现对煤粉的有效防控。

3 结论

a.团聚型压裂液由于具有极低的表面张力，改变了固液界面状态，从而对煤粉产生了润湿作用，促使煤粉团聚沉降。

b.团聚型压裂液能够提高煤粉颗粒之间的黏聚力，使团聚的煤粉颗粒不易产生滚动，从而减少悬浮煤粉颗粒的数量，有效降低煤粉产出量和支撑裂缝导流能力伤害率，进而减少卡钻、修井的发生概率。

c.由于驱替流速对支撑裂缝导流能力和煤粉产出量的影响高于运载流体的作用，因此必须在煤层气井“缓慢”排采的前提下，团聚型压裂液才能够实现对煤粉的有效防控。