柳林区块煤层气井煤粉产出影响因素分析

魏迎春， 谢天成， 杨亚锋， 位金昊， 王亚东， 孟 涛， 张 劲

(中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

我国煤层气资源丰富，在鄂尔多斯盆地东缘、沁水盆地、准噶尔盆地南部等地区实现了商业性开发利用。“碳达峰、碳中和”目标将会推进我国煤层气行业高质量发展[1]。但由于我国煤盆地构造-热演化的复杂性和煤储层的特殊性，多期构造运动对煤储层进行了改造和叠加，煤储层受到不同程度的破坏，不同类型的构造煤发育，因此，煤层气开发中均不同程度地存在煤粉产出问题[2]。煤粉的产出制约了煤层气开采，严重影响煤层气井的产量[3-5]。煤粉会堵塞煤层气产出的通道，降低通道的渗透率和导流能力[6-10]，也会导致煤层气井的排采系统事故，造成埋泵和卡泵，破坏煤层气排采的连续性[11-14]。因此，查明影响煤粉产出的因素及控制煤粉的产出对煤层气开发极为重要。影响煤粉产出的因素包括静态因素和动态因素[15]。按煤粉成因划分，煤粉主要分为原生煤粉和次生煤粉两种类型。原生煤粉产生主要受构造煤的控制，构造煤主要分为碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤三种，其中碎粒煤和糜棱煤易产生大量原生煤粉。后期受到工程条件影响也易产生大量次生煤粉[15-16]，如，煤层气井在钻进时钻具与煤层研磨、压裂时压裂砂及压裂液对煤层的冲蚀打磨及在排采时气液流冲蚀及井壁失稳崩塌均会产生大量次生煤粉[2,17-20]。

本文从柳林区块煤层煤岩煤质特征和煤层气井开发(钻井、压裂、排采)中煤粉监测及煤粉特征出发，分析影响柳林区块煤层气井煤粉产出的静态因素和动态因素，为煤层气开发中合理的煤粉管控提供理论依据。

1 地质背景

柳林区块位于鄂尔多斯盆地东缘，其构造特征和煤层气储集条件主要受控于中生代以来印支、燕山和喜马拉雅三期构造运动的作用。柳林区块整体构造为一向西南倾斜的单斜构造，地层的倾角在5°左右。本区构造活动强烈，煤系地层出露于地表，煤层气沿露头向地表散失，且受地下水影响，含气量由深部向浅部逐渐降低。煤层气含气量受局部的东西向构造发育控制(图1)[21]。

图1 柳林区块构造纲要图(据参考文献[21]修改)

2 煤粉对煤层气排采的影响

煤粉卡泵、堵塞筛管导致的停井检泵作业是制约柳林区块煤层气产能的关键因素。煤粉浓度过大会堵塞筛管，表现为井底流压有所升高，产气量大幅度降低，产水量骤降，泵效降低。煤粉或压裂后残留的压裂砂进入泵筒，而泵携带煤粉的能力不够，造成卡泵。卡泵前， 表现为生产井电流突增， 产水量骤降，产气量大幅度降低，泵效降低。由于修井作业造成的排采不连续对煤储层的伤害是不可修复的，重新排采后，产气量很难恢复到修井作业之前的稳定产气水平，例如，水平井SP1在几次卡泵停井和修井作业后煤层气的稳定产气量下降明显(图2)。柳林区块内现有煤层气井共166口，据不完全统计， 90%以上的井不同程度地产出煤粉。超过50%的井因煤粉而发生过卡泵。

图2 水平井SP1生产曲线

3 影响因素分析

煤粉的产出受多种因素控制，在地质因素方面，煤岩特征、煤体结构特征和煤层特征是影响煤粉产出的基本因素。在工程因素方面，钻井工程、储层改造工程和排采工程是煤粉产出的诱因，直接导致煤粉的产出。

3.1 静态因素

3.1.1 煤岩特征

研究区内各可采煤层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，煤岩组成上光亮成分相对富集。对区内煤层气井取心煤样的宏观类型统计分析，研究区南部煤样中半亮煤、光亮煤所占比例远大于半暗煤与暗淡煤，北部煤样中半亮煤、光亮煤所占比例较大于半暗煤与暗淡煤；山西组3#+4#和5#煤层的半亮煤、光亮煤所占比例要高于太原组8#+9#煤层。据研究区各煤层煤岩显微组分含量统计结果显示，各煤层以镜质组为主，惰质组次之，壳质组很少。主力开发的三套煤层的煤岩显微组分均以镜质组为主，其平均含量占到60%以上。

对比煤层气柳林区块和韩城区块的煤岩显微组分和产出煤粉浓度(图3)[22]，韩城区块煤中镜质组和黏土矿物占比均大于柳林区块，韩城区块产出煤粉平均浓度也大于柳林区块。分析认为镜质组和黏土矿物的占比越大越容易产生煤粉，镜质组具有高显微脆度和低显微硬度的特性，在镜质组含量高的煤层中，割理相对发育，富含镜质组分的煤岩容易受力破碎，形成裂缝或者产生煤粉。煤中黏土矿物对骨架颗粒附着力差，矿物晶体之间结合力弱，具有吸水膨胀分散性，在高速流体的剪切应力作用下，黏土矿物集合体容易从骨架颗粒上脱落，形成易于迁移的细粒煤粉。对各井型煤层气井产出的煤粉矿物成分进行分析后发现，几乎所有煤粉中矿物主要成分均为石英和高岭石，且高岭石含量占到50%以上，只有极少数的井产出的煤粉矿物主要成分为石英和方解石。通过对煤粉样进行扫描电镜下的微观形态观察和能谱测试发现，黏土矿物和其他矿物大量附着在颗粒的表面形成表面粗糙的煤粉颗粒。如果产出煤粉中有大量的黏土矿物，极易使颗粒之间相互附着黏连而聚集成块，进而导致卡泵、埋泵事故。

图3 柳林区块和韩城区块的煤岩显微组分对比和煤层气井平均煤粉浓度对比

3.1.2 煤体结构特征

煤体结构特征是煤层气井煤粉产出的重要因素。根据柳林区块取心资料和测井资料对主采煤层的煤体结构进行识别，根据探井取心资料，按照煤体结构将煤层划分为I类煤(块煤，包括原生结构煤和部分碎裂煤)、II类煤(块粉煤，包括碎裂和部分碎粒煤)以及III类煤(粉煤，包括碎粒煤和鳞片煤)。以3#+4#煤层为例，研究区3#+4#煤层主要以II类煤为主，I类煤次之，III类煤发育最少。根据对研究区平面上主采3#+4#煤层的煤层气生产井产出煤粉浓度测试分析(图4)，以III类煤为主的煤层气生产井产出煤粉浓度最高，为0.88～1.05g/L，产出煤粉平均浓度为0.96g/L；以II类煤为主的煤层气生产井产出煤粉的浓度为0.28～0.80g/L，平均浓度为0.54g/L；以I类煤为主的煤层气生产井产出煤粉浓度最低，为0.14～0.33g/L，平均浓度为0.22g/L。分析可知，不同类型煤体结构煤储层产出煤粉浓度：III类煤>II类煤>I类煤。

图4 3#+4#煤层不同煤体结构煤层气井产出煤粉浓度

3.1.3 煤层结构特征

通过综合分析对比岩性组合、岩石特征、录井和测井曲线特征，联井剖面追踪对比，3#+4#和5#煤层结构简单，含1～3层泥岩夹矸，夹矸单层厚度为0.05～0.50m。8#+9#煤层结构较复杂，含夹矸0～6层，一般2～3层，个别可达6层，夹矸单层厚0.03～0.60m，岩性为炭质泥岩或泥岩。煤层结构在垂向上，夹矸较硬，煤层较软，软硬层的交替出现，使得煤层结构复杂，后期煤层在压裂和排采过程中易遭受破坏，形成煤粉，研究区8#+9#煤层比3#+4#、5#煤层更容易产生煤粉。

3.2 动态因素

动态因素主要是指排采前钻井工程和储层改造工程对煤粉产出的影响以及排采过程中排采参数的变化对煤粉产出的影响。

3.2.1 钻井工程

柳林区块煤层气开发主要采用多分支水平井、单分支水平井、直井和定向井。整体上多分支和单分支水平井的产出煤粉浓度明显高于直井和定向井产出的煤粉浓度，直井和定向井在钻进过程中钻具与煤层接触较少，对煤层破坏影响小，产出煤粉少。而水平井由于其钻具在煤层水平段有进尺，与煤层的接触面积更大，与煤层直接接触研磨产生大量次生煤粉，因此相比定向井和直井，水平井产出的煤粉浓度更大。在井眼轨迹方面，通过对水平井SP2的水平段钻井循环液的煤粉浓度(图5)分析发现，相同井斜情况下，井眼方位与最大地应力方位夹角越小，煤粉浓度越大，即井眼沿最大水平地应力方向钻进更容易产生煤粉；在井眼方位相同的情况下，井斜越大，煤粉浓度越大，即井斜越大越容易产生煤粉。

图5 水平井SP2水平段钻井循环液煤粉浓度

3.2.2 储层改造工程

柳林区块北部多分支水平井和单分支水平井采用筛管完井技术，没有射孔和水力压裂过程，直接进入排采阶段，因此，无压裂储层改造产生的煤粉。直井、定向井和南部的单分支水平井采用套管射孔完井技术，射孔弹以高压高速进入煤层，会破碎煤层产生煤粉。在压裂连续作业过程中，压裂液冲蚀、压裂支撑剂的打磨等机械作用均会造成煤层破坏，产生大量煤粉。同时，压裂液的非正常压力注入煤储层后，亦会造成煤储层应力平衡状态的改变，导致煤体骨架结构失稳破坏，产生煤粉。不同矿化度的压裂液，会造成煤储层内矿物反应进而导致煤粉的产出。压裂过程是直井、定向井产生煤粉的重要途径。

3.2.3 排采工程

煤粉浓度与井底流压、套压呈负相关，与日产气量呈正相关 (图6)，分析认为排采过程中，增加排采速度来提高日产气量会导致煤基质收缩，更容易产生大量煤粉，同时渗流通道内的气体流速增快，对储层的冲蚀更强，破坏煤储层的同时也会产生大量次生煤粉。另一方面，排采强度的增大，会导致井筒的液面下降过快，底部流压也会较快下降，从而进一步导致流体压差变大，流体流速增加，冲蚀煤储层，产生大量次生煤粉。

图6 水平井SP3产出煤粉浓度与排采参数关系

通过对柳林区块煤层气井产出煤粉粒度分析，当煤粉的粒度曲线出现双峰分布时(图7)，煤粉粒度的分布范围相比较单峰分布会变大。而大部分水平井煤粉粒度曲线都为单峰型，只有少数为双峰型。排采速度突然增加导致流压、套压降低等其他排采条件发生改变，从而进一步导致煤层中流体压力发生变化，生成大量次生煤粉的同时也会使煤粉粒度发生改变，从而导致粒度曲线表现为双峰型。

图7 水平井SP4煤粉粒度分布

4 结论

1)由于煤粉问题导致修井作业造成的排采不连续对煤储层的伤害非常大，修井作业后重新排采，产气量很难恢复到原有的稳定产气水平。

2)静态因素方面，显微煤岩组分镜质组和黏土矿物的占比越高，越容易产生煤粉；不同类型煤体结构煤储层产出煤粉浓度：III类煤>II类煤>I类煤；煤层结构越复杂，含夹矸层数越多，越容易产生煤粉。

3)动态因素方面，整体上多分支和单分支水平井产出的煤粉浓度明显高于直井和定向井，水平井水平段井眼沿最大水平地应力方向钻进更容易产生煤粉，井斜越大越容易产生煤粉；研究区南部单分支水平井相比直井和定向井在煤层中射孔和压裂的范围更广，产出的煤粉更多；排采速度突然增加，会导致煤粉产出增多，煤粉粒度出现双峰分布。