李小剛，陳 浩，熊俊雅，李 宇，胡 洋，劉建升

(1.西南石油大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 600452； 3.中國石油川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)分公司，四川 成都 610051；4.中國石油長慶油田分公司第三采油廠，寧夏 銀川 750006)

0 引 言

煤層氣是我國非常規(guī)天然氣重要的組成部分之一[1-2]。由于煤巖具有低強(qiáng)度、低彈性模量、高泊松比的特性[3]，受地質(zhì)構(gòu)造作用和儲(chǔ)層改造措施影響容易產(chǎn)生大量煤粉[4-5]。排水采氣是開采煤層氣的重要措施，其原理是通過排出煤層中的水來降低儲(chǔ)層壓力，促進(jìn)煤層氣的解吸[6]。排水采氣過程中煤粉易隨地層水由聚集區(qū)運(yùn)移至支撐裂縫。由于煤粉具有比重小、疏水性強(qiáng)的特點(diǎn)，隨地層水運(yùn)移的過程中容易成團(tuán)聚集，在孔隙和吼道中產(chǎn)生沉積，堵塞流動(dòng)通道損害支撐裂縫的滲透率[7-11]，從而降低煤層氣井產(chǎn)量。

目前，煤粉運(yùn)移沉積的室內(nèi)試驗(yàn)裝置主要包含API導(dǎo)流儀、巖心驅(qū)替裝置、透明軟管模型等。運(yùn)用API導(dǎo)流儀的試驗(yàn)研究方法主要是將一定目數(shù)的支撐劑與煤粉混合鋪置或分段鋪置在導(dǎo)流室中，通過導(dǎo)流室出口端排出煤粉的質(zhì)量來表征煤粉的運(yùn)移沉積，采用煤粉對(duì)導(dǎo)流能力的損害來評(píng)價(jià)煤粉對(duì)支撐裂縫的傷害，再現(xiàn)了煤粉在支撐劑充填層中靜止-運(yùn)移-沉積的過程[12-15]，但是不能直觀的觀測到導(dǎo)流室“黑箱”中煤粉在運(yùn)移沉積后的重分布情況。運(yùn)用巖心驅(qū)替裝置的試驗(yàn)研究方法主要是將煤巖巖心進(jìn)行人工剖縫，通過含煤粉顆粒的煤層水注入前后滲透率的變化表征煤粉運(yùn)移沉積對(duì)支撐裂縫滲透率的損害，研究煤粉沉積對(duì)支撐裂縫滲透率的影響[16-17]，該裝置很難實(shí)現(xiàn)支撐劑充填狀態(tài)下的煤粉運(yùn)移沉積模擬。采用透明軟管模型進(jìn)行多相流條件下的煤粉運(yùn)移試驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)煤粉顆粒從啟動(dòng)到運(yùn)移的動(dòng)態(tài)過程可視化模擬[18-19]，但是裝置的流場與支撐裂縫內(nèi)的流場不一致，煤粉運(yùn)移沉積規(guī)律也有所不同。基于導(dǎo)流儀和巖心驅(qū)替裝置等儀器進(jìn)行的煤粉運(yùn)移沉積模擬試驗(yàn)可以得出煤粉運(yùn)移的臨界流速條件、煤粉產(chǎn)出量與流速的關(guān)系等規(guī)律，但無法解釋煤粉運(yùn)移沉積的過程及支撐裂縫中煤粉運(yùn)移沉積后的分布特征。

為了更好的揭示支撐裂縫中煤粉動(dòng)態(tài)運(yùn)移沉積過程及分布特征和模擬支撐裂縫中流場，在前人研究的基礎(chǔ)上采用自主研發(fā)的煤粉動(dòng)態(tài)運(yùn)移沉積可視化模擬裝置，開展煤粉運(yùn)移沉積試驗(yàn)。研究不同排量、不同排驅(qū)時(shí)間煤粉在支撐裂縫不同位置處的運(yùn)移、沉積、堵塞特征。

1 試驗(yàn)裝置及表征方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置采用自主設(shè)計(jì)的煤粉動(dòng)態(tài)運(yùn)移沉積可視化模擬裝置(圖1)，該裝置可靈活改變注入端和流出端的位置，實(shí)現(xiàn)不同粒徑、不同比例、不同壓力下的攜煤粉液注入和支撐裂縫中煤粉運(yùn)移沉積過程的可視化模擬。其主要部件包括平流泵、攪拌器、可視化裂縫平板、夾持器、收集器等。為便于觀測試驗(yàn)現(xiàn)象，采用超白玻璃板模擬裂縫壁面。平流泵中泵出的模擬地層水進(jìn)入到攪拌器后，在攪拌器葉片旋轉(zhuǎn)作用下與煤粉形成均勻攜煤粉液從出口端流出，進(jìn)入到預(yù)先鋪置有支撐劑的可視化裂縫平板，模擬煤層氣井排采過程中煤粉隨地層水運(yùn)移進(jìn)入支撐裂縫中產(chǎn)生沉積堵塞的過程。

圖1 煤粉動(dòng)態(tài)運(yùn)移沉積可視化模擬裝置Fig.1 Visual simulation device for dynamic coal powder migration and deposition

圖2 可視化裂縫平板Figure.2 Visualized tablet

1.2 試驗(yàn)方法

具體試驗(yàn)方法如下：

①按照煤粉液濃度設(shè)計(jì)預(yù)先配置煤粉液體系；②將配置好的煤粉液倒入煤粉攪拌裝置中，開啟攪拌器持續(xù)攪拌，使煤粉充分分散于液體中；③將支撐劑均勻鋪置在可視化裂縫平板中并用夾持器固定可視化裂縫平板；④依次連接平流泵、攪拌器、可視化裂縫平板、收集器；⑤設(shè)置泵送參數(shù)，檢查裝置密封性并排空后開始試驗(yàn)；⑥試驗(yàn)開始后，用高速攝像機(jī)記錄不同時(shí)間的煤粉運(yùn)移沉積現(xiàn)象；⑦試驗(yàn)結(jié)束后，抽提不同時(shí)刻的試驗(yàn)特征現(xiàn)象進(jìn)行圖像處理和數(shù)據(jù)分析。

1.3 表征方法

煤粉運(yùn)移沉積是一個(gè)相互聯(lián)系的動(dòng)態(tài)過程。煤粉隨地層水運(yùn)移從聚集區(qū)進(jìn)入相鄰支撐裂縫后，一部分煤粉因流速降低或被微孔隙俘獲產(chǎn)生沉積；另一部分隨液流繼續(xù)往井筒方向運(yùn)移[20-21]。煤粉沉積是煤粉運(yùn)移停止后的現(xiàn)象，沉積造成的直接影響是堵塞流動(dòng)通道，因此可以通過煤粉沉積量反映煤粉的運(yùn)移沉積特征。通過試驗(yàn)特征圖像抽提和像素點(diǎn)灰度等級(jí)識(shí)別建立了關(guān)于可視化裂縫平板長度和高度的灰度矩陣。將灰度等級(jí)大于等于51的像素點(diǎn)灰度等級(jí)替換為255(白色，即表示支撐劑和未被煤粉充填的孔隙)；將灰度等級(jí)小于51的像素點(diǎn)灰度等級(jí)替換為0(黑色，即表示沉積的煤粉)得到二值化處理后的圖像(圖3)。

圖3 試驗(yàn)特征圖像二值化處理示意Fig.3 Schematic diagrram of experimental feature image and binarization processing

在二值化處理圖像的基礎(chǔ)上，沿可視化裂縫平板長度方向劃分網(wǎng)格。單個(gè)網(wǎng)格長度為20個(gè)像素點(diǎn)，總計(jì)221個(gè)網(wǎng)格。用每一個(gè)網(wǎng)格中灰度等級(jí)為0的像素點(diǎn)總數(shù)量(煤粉量)與網(wǎng)格中總像素點(diǎn)數(shù)量的比值建立煤粉占比參數(shù)Rc來表征煤粉沉積量(煤粉占比為二值化抽象處理后的一個(gè)像素比值，是一個(gè)做近似研究的研究對(duì)象)：

(1)

式中：Rc為網(wǎng)格中煤粉占比參數(shù)；A為網(wǎng)格中像素值為0的像素點(diǎn)數(shù)量；B為單個(gè)網(wǎng)格長度范圍內(nèi)總像素點(diǎn)數(shù)量。

抽提不同網(wǎng)格中的煤粉占比參數(shù)建立參數(shù)曲線。隨排驅(qū)時(shí)間增加，某一位置處煤粉占比參數(shù)曲線逐漸重合而其余位置曲線差距越來越大則表明該處煤粉沉積達(dá)到平衡；所有網(wǎng)格中煤粉占比參數(shù)曲線重合則表明煤粉沉積堵塞流動(dòng)通道，迫使攜煤粉液停止流動(dòng)。對(duì)比分析不同試驗(yàn)排量、不同排驅(qū)時(shí)間、模擬裂縫不同位置處的煤粉沉積占比參數(shù)曲線可以反映出不同試驗(yàn)條件下煤粉運(yùn)移和沉積特征。

圖4 不同排驅(qū)時(shí)間煤粉占比參數(shù)曲線示意Fig.4 Coal powder proportion parameter curves at different time

2 運(yùn)移沉積試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了探究支撐裂縫中不同排量、不同排驅(qū)時(shí)間、不同位置處煤粉運(yùn)移，沉積及堵塞特征，試驗(yàn)設(shè)計(jì)3種不同試驗(yàn)排量下、四種不同排驅(qū)時(shí)間總計(jì)12組試驗(yàn)。試驗(yàn)材料主要包含石英砂和煤粉。石英砂選擇煤層氣壓裂現(xiàn)場常用的16～20目(0.85～1.18 mm)白色石英砂，鋪砂濃度為1 g/cm2。根據(jù)山西省沁水盆地煤層氣井排采情況統(tǒng)計(jì)及前人研究成果[22-24]，現(xiàn)場氣井產(chǎn)出的煤粉粒徑范圍在0.1～150 μm，煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.64%～3.71%，故選用粒徑小于125 μm的煤粉用于試驗(yàn)并確定煤粉液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%。選用加入1%煤粉分散劑的蒸餾水溶液作為模擬地層水。具體試驗(yàn)方案見表1。

表1 支撐裂縫煤粉動(dòng)態(tài)運(yùn)移沉積可視化試驗(yàn)方案Table 1 Visualization experiment scheme for coal powder migration and deposition in proppant fracture

分別以4、7、10 mL/min的排量進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)特征圖像及處理結(jié)果如圖5—圖7所示(每個(gè)小圖中右側(cè)為注入端，左側(cè)為流出端)。由圖可知，煤粉隨液流運(yùn)移進(jìn)入可視化裂縫平板后，受重力影響主要向裂縫底部運(yùn)移沉積，沉積現(xiàn)象明顯。煤粉在注入端沿平板高度方向均有沉積分布，表明試驗(yàn)裝置縫口效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)影響不明顯，試驗(yàn)效果較好。

圖5 泵注排量4 mL/min煤粉運(yùn)移沉積Fig.5 Coal powder migration and deposition image when pumping displacement is 4 mL/min

圖6 泵注排量7 mL/min煤粉運(yùn)移沉積Fig.6 Coal powder migration and deposition image when pumping displacement is 7 mL/min

圖7 泵注排量10 mL/min煤粉運(yùn)移沉積Fig.7 Coal powder migration and deposition image when pumping displacement is 10 mL/min

2.1 煤粉運(yùn)移沉積特征

泵注排量為4 mL/min時(shí)，沿可視化裂縫平板方向煤粉占比參數(shù)曲線如圖8所示。由圖可知，排驅(qū)時(shí)間1 min時(shí)Rc參數(shù)從注入端到流出端逐漸減小，表明煤粉主要在入口位置處聚集沉積，且呈現(xiàn)入口到出口沉積量逐漸減少的趨勢；排驅(qū)時(shí)間10、20、40 min時(shí)Rc曲線逐漸上升并在入口位置附近逐漸重合，表明隨排驅(qū)時(shí)間的增加相同位置處的煤粉沉積量逐漸增加，在注入端煤粉沉積量逐漸趨于穩(wěn)定。

圖8 排量4 mL/min時(shí)煤粉占比Fig.8 Coal powder proportion parameter curve when pumping displacement is 4 mL/min

泵注排量為7 mL/min時(shí)，沿可視化裂縫平板方向Rc如圖9所示。由圖9可知，煤粉運(yùn)移沉積與排量為4 mL/min時(shí)具有相似的特征，均呈現(xiàn)由注入端向出口端沉積量遞減的趨勢。隨排驅(qū)時(shí)間增加煤粉沉積量增加，當(dāng)排驅(qū)時(shí)間達(dá)到20 min時(shí)沿模擬裂縫長度2/3區(qū)域Rc達(dá)0.6以上，表明在局部裂縫中大部分孔隙被煤粉沉積充填。排驅(qū)時(shí)間20 min沉積曲線與10 min沉積曲線相比雖然整體Rc更高，但在注入端出現(xiàn)部分位置處Rc減少，表明在入口位置處出現(xiàn)煤粉沉積位置的重新分布。排驅(qū)時(shí)間20 min與40 min煤粉沉積曲線基本重合，表明在排驅(qū)時(shí)間20 min時(shí)由于煤粉沉積造成了堵塞。

圖9 排量7 mL/min時(shí)煤粉占比Fig.9 Coal powder proportion parameter curve when pumping displacement is 7 mL/min

泵注排量為10 mL/min時(shí)，沿可視化裂縫平板方向煤粉占比參數(shù)曲線如圖10所示。煤粉運(yùn)移沉積總體趨勢與其他排量條件下相同。煤粉占比曲線圖中排驅(qū)時(shí)間10、20、40 min曲線重合，表明在排驅(qū)時(shí)間10 min時(shí)由于煤粉沉積已經(jīng)造成了堵塞，與泵注排量7 mL/min相比造成堵塞的時(shí)間提前。隨排量增加，短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入模擬裂縫的煤粉量增加，煤粉被孔隙俘獲或在孔徑變化處沉積堵塞的幾率更大。

圖10 排量10 mL/min時(shí)煤粉占比Fig.10 Coal powder proportion parameter curve when pumping displacement is 10 mL/min

通過對(duì)煤粉運(yùn)移沉積特征分析表明，當(dāng)煤粉濃度一定且有外來煤粉持續(xù)補(bǔ)充時(shí)，恒流速條件下隨排量增加，煤粉造成支撐裂縫流動(dòng)通道堵塞的幾率增加且時(shí)間提前。劉巖、曹立虎等[13-14,25]利用LD-1A導(dǎo)流儀進(jìn)行的煤粉運(yùn)移沉積結(jié)果表明，隨排量的增加，更多的煤粉發(fā)生運(yùn)移，堵塞在支撐裂縫窄口處，降低支撐裂縫滲透率，與本試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果所得的煤粉沉積堵塞特征趨勢相同。在排液量較大的排采初期，需要適當(dāng)?shù)目刂婆帕繙p小煤粉沉積堵塞對(duì)流動(dòng)通道的傷害。

2.2 煤粉堵塞特征

支撐劑堆積形成的孔隙彼此相連形成高滲透率的液流通道。攜煤粉液進(jìn)入支撐裂縫時(shí)，由于流體流動(dòng)遵循阻力最小原則會(huì)優(yōu)先選擇通過這一部分流動(dòng)阻力較小的液流通道形成流線。當(dāng)煤粉沿流線沉積未造成流動(dòng)通道堵塞時(shí)呈現(xiàn)“指狀”沉積路徑(圖11a)；當(dāng)造成流動(dòng)通道堵塞，攜煤粉液無法流動(dòng)時(shí)呈現(xiàn)“塊狀”沉積路徑(圖11b)。隨著煤粉進(jìn)一步充填支撐裂縫孔隙，“指狀”沉積路徑逐漸轉(zhuǎn)化為“塊狀”沉積路徑。

圖11 沉積路徑特征Fig.11 Deposition path feature

由2.1節(jié)分析結(jié)果可知，排量4 mL/min排驅(qū)過程未發(fā)生流動(dòng)通道堵塞現(xiàn)象，排量7 mL/min和10 mL/min 在不同的排驅(qū)時(shí)間節(jié)點(diǎn)上發(fā)生了流動(dòng)通道堵塞現(xiàn)象。排量4 mL/min條件下，支撐裂縫中煤粉沉積堵塞特征圖像如圖12所示。由圖12可知，沿流線上煤粉的沉積量比其余流動(dòng)區(qū)域多，呈現(xiàn)出“指狀”沉積路徑，沉積區(qū)域前端(流出端)呈現(xiàn)“指狀特征”，在沉積區(qū)域后端(注入端)呈現(xiàn)“塊狀特征”。隨排驅(qū)時(shí)間增加，攜煤粉液能沿流動(dòng)通道流動(dòng)，“指狀”特征沿流動(dòng)方向發(fā)展，最終呈現(xiàn)出“指狀”沉積路徑。

圖12 泵注排量4 mL/min沉積路徑Fig.12 Deposition path when pumping displacement is 4 mL/min

排量7 mL/min和10 mL/min條件下，支撐裂縫中煤粉沉積堵塞特征圖像如圖13和圖14所示。由圖可知，當(dāng)發(fā)生堵塞時(shí)會(huì)呈現(xiàn)出“塊狀”沉積路徑。發(fā)生沉積的區(qū)域相對(duì)集中于入口區(qū)域，沉積區(qū)域前端(流出端)和沉積區(qū)域后端(注入端)均呈現(xiàn)“塊狀特征”。隨排驅(qū)時(shí)間的增加，煤粉逐漸堵塞流動(dòng)通道，“指狀特征”向“塊狀特征”蛻化，最終呈現(xiàn)出“塊狀”沉積路徑。

圖13 泵注排量7 mL/min沉積路徑Fig.13 Deposition path when pumping displacement is 7 mL/min

圖14 泵注排量10 mL/min沉積路徑Fig.14 Deposition path when pumping displacement is 10 mL/min

當(dāng)排量為10 mL/min時(shí)，在試驗(yàn)開始時(shí)刻在入口附近就呈現(xiàn)出近似“塊狀”沉積路徑，表明在試驗(yàn)開始時(shí)刻就未建立起足夠的有效流動(dòng)通道，排量越大這種“指狀”沉積路徑蛻化為“塊狀”沉積路徑的發(fā)生時(shí)間越提前，現(xiàn)象越明顯。

2.3 煤粉運(yùn)移沉積機(jī)理

煤粉運(yùn)移進(jìn)入支撐裂縫后，將經(jīng)歷孔隙表面吸附、架橋堵塞孔隙吼道、濾餅堵塞流動(dòng)通道三個(gè)階段。在孔隙表面吸附階段，煤粉受支撐劑孔隙的強(qiáng)吸附作用附著于支撐劑顆粒表面減小孔隙可流通體積；在架橋堵塞孔隙吼道階段煤粉流入孔吼，與被吸附煤粉顆粒形成橋塞堵塞支撐裂縫中的孔隙，使局部位置處的流動(dòng)通道發(fā)生改變；在濾餅堵塞階段，被煤粉堵塞的孔隙數(shù)量進(jìn)一步增加，孔隙不再連通，煤粉顆粒沉積形成濾餅。

“指狀”沉積路徑主要反映煤粉沉積的孔隙吸附階段，有顆粒受孔隙表面吸附沉積但是不堵塞孔隙；“塊狀”沉積路徑主要反映煤粉沉積的濾餅堵塞流動(dòng)通道階段，煤粉顆粒沉積形成濾餅，使孔隙不再連通。煤粉運(yùn)移沉積路徑的不同就是由于煤粉沉積產(chǎn)生堵塞對(duì)流動(dòng)通道的改變所造成的。當(dāng)排量增加時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)受液體攜帶進(jìn)入模擬裂縫的煤粉增多，煤粉充填支撐裂縫孔隙導(dǎo)致流動(dòng)通道改變，“指狀特征”向“塊狀特征”蛻化，最終堵塞流動(dòng)通道?！爸笭睢背练e路徑表明煤粉在運(yùn)移時(shí)，產(chǎn)生沉積但不堵塞流動(dòng)通道，更有利于排水采氣。

3 結(jié) 論

1)煤粉運(yùn)移進(jìn)入支撐裂縫后，將經(jīng)歷孔隙表面吸附、架橋堵塞孔隙吼道、濾餅堵塞流動(dòng)通道3個(gè)階段。

2)煤粉運(yùn)移沉積主要沿支撐劑堆積孔隙之間形成的彼此連通的流動(dòng)通道進(jìn)行，由于受重力影響較多的煤粉沉積在支撐裂縫下緣。煤粉從聚集區(qū)往井底方向運(yùn)移并沿運(yùn)移路徑不斷沉積，若不堵塞流動(dòng)通道則會(huì)達(dá)到運(yùn)移沉積平衡狀態(tài)。

3)煤粉沉積未造成流動(dòng)通道堵塞時(shí)，主要呈現(xiàn)出“指狀沉積特征”；造成流動(dòng)通道堵塞時(shí)，主要呈現(xiàn)出“塊狀沉積特征”。隨排量的增加“指狀沉積特征”向“塊狀沉積特征”蛻化。

4)當(dāng)煤粉濃度一定且有外來煤粉持續(xù)補(bǔ)充時(shí)，隨著排量的增加單位時(shí)間液體攜帶的煤粉量增加，排量越大煤粉造成流動(dòng)通道堵塞的幾率越大，發(fā)生堵塞的時(shí)間提前。在排液量較大的排采初期，需要適當(dāng)?shù)目刂婆帕繙p小煤粉沉積堵塞對(duì)流動(dòng)通道的傷害。