孟文輝，張文，王博洋，郝帥，王澤斌，潘武杰

（1.中國(guó)石油煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100020；2.東北石油大學(xué)非常規(guī)油氣研究院，黑龍江 大慶 163318；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

煤粉是指煤層氣開發(fā)過(guò)程中，存在、滯留或運(yùn)移在儲(chǔ)層、通道和排采設(shè)備系統(tǒng)中的固相顆粒物。鑒于我國(guó)煤盆地構(gòu)造?熱演化的復(fù)雜性以及煤儲(chǔ)層的特殊性[1?2]，煤層氣井在鉆井、壓裂和排采過(guò)程中引發(fā)的工程擾動(dòng)，如機(jī)械碰撞、磨蝕、壓力波動(dòng)及氣液沖刷等都將不可避免導(dǎo)致煤粉產(chǎn)生[3?6]，同時(shí)煤粉在儲(chǔ)層中運(yùn)移規(guī)律極其復(fù)雜[7?8]。目前，保德區(qū)塊煤層氣田年排采井檢泵結(jié)果顯示煤粉影響相關(guān)的卡泵、堵塞井下設(shè)備和泵漏失故障占據(jù)了27%，煤粉影響是排采井發(fā)生故障的主要因素之一[9]。煤粉產(chǎn)出問(wèn)題在煤層氣開發(fā)中日益凸顯，成為制約煤層氣高效開發(fā)的難題之一[10]。

近年來(lái)煤粉研究在諸多方面已取得重大突破，如煤粉生成機(jī)理、排采過(guò)程中煤粉產(chǎn)出特征及主控要素、煤粉產(chǎn)出誘導(dǎo)儲(chǔ)層傷害等[11?12]，但研究對(duì)象多集中在中高階煤儲(chǔ)層中[13?14]，中—低階煤儲(chǔ)層煤粉產(chǎn)出特征鮮有學(xué)者關(guān)注，然而工程實(shí)踐表明，中—低階煤層氣井開發(fā)過(guò)程中同樣存在煤粉產(chǎn)出問(wèn)題[15]。滯留在天然裂縫和支撐劑間隙中的煤粉會(huì)堵塞氣體運(yùn)移通道，進(jìn)而降低煤儲(chǔ)層導(dǎo)流能力[16?17]，因此，在煤層氣開發(fā)過(guò)程中要考慮煤粉能否有效排出。相關(guān)研究表明，煤粉產(chǎn)出和運(yùn)移受地層水流速、礦化度、氣水比、有效應(yīng)力、煤體結(jié)構(gòu)等諸多因素影響[18?23]，導(dǎo)致不同地質(zhì)條件下煤粉產(chǎn)出規(guī)律差異顯著[24?26]。當(dāng)前保德地區(qū)煤粉產(chǎn)出已顯著影響氣井產(chǎn)能，但目前針對(duì)其煤粉運(yùn)移產(chǎn)出機(jī)制和特征，缺乏科學(xué)系統(tǒng)以及定量化的研究，亟須構(gòu)建相適應(yīng)的方法體系，明確保德區(qū)塊煤粉產(chǎn)出規(guī)律及其影響因素，為科學(xué)預(yù)測(cè)煤粉影響提供依據(jù)，進(jìn)而為實(shí)現(xiàn)煤層氣井高效穩(wěn)定排采奠定基礎(chǔ)。

基于此，通過(guò)煤粉運(yùn)移產(chǎn)出模擬實(shí)驗(yàn)，探究煤粉產(chǎn)出特征規(guī)律，查明地層水流速、礦化度、氣水比、有效應(yīng)力等因素對(duì)煤粉運(yùn)移產(chǎn)出的影響，掌握影響煤層煤粉產(chǎn)出的多種因素。其中，排水降壓期和采氣初期是排采過(guò)程中出煤粉最嚴(yán)重的階段，研究排采階段煤粉的運(yùn)移條件及儲(chǔ)層物性影響規(guī)律對(duì)于合理制定煤層氣井排液制度，提高煤層氣單井產(chǎn)量以及開展煤粉防治措施具有重要指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)儲(chǔ)層特征

保德區(qū)塊位于山西省保德縣和陜西省府谷縣，面積為476.46 km2，構(gòu)造位置位于鄂爾多斯盆地東部邊緣的北部（圖1），總體構(gòu)造形態(tài)簡(jiǎn)單，表現(xiàn)為向西傾的單斜構(gòu)造，走向近南北，斷層和褶皺不發(fā)育[27]。研究區(qū)地下水主要來(lái)自大氣降水和奧陶系石灰?guī)r的側(cè)向補(bǔ)給，徑流一般由東向西。該區(qū)主要含煤地層為二疊系山西組和石炭—二疊系太原組，主力煤層宏觀煤巖類型為半暗半亮煤，割理裂隙較發(fā)育[28]。保德區(qū)塊煤巖顯微組分中以有機(jī)質(zhì)為主，有機(jī)質(zhì)組分介于67.7 %～91.7 %，平均為82.3 %[29]。其中，顯微組分以鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組為主，含少量殼質(zhì)組[30]。無(wú)機(jī)礦物含量最低為13.1%，最高含量可達(dá)32.3%，平均為18.9 %，主要以黏土礦物為主，含少量碳酸鹽、黃鐵礦等。煤巖鏡質(zhì)體反射率介于0.71 %～0.98%[31]，煤層演化程度低，以氣煤為主，屬于中—低階煤[32]，滲透率為（2～10）×10?3μm2。

圖1 鄂爾多斯盆地東緣保德區(qū)塊位置及煤粉影響占比[33]Fig.1 Geological location and coal fine influence ratio of Baode block in the eastern margin of Ordos Basin

保德區(qū)塊自開發(fā)以來(lái)平均單井產(chǎn)氣量為2 500 m3/d，目前下降至1 700 m3/d，平均產(chǎn)水量從25.6 m3/d 下降至目前的7.5 m3/d，流體流速下降，攜帶煤粉能力變差，煤粉更容易沉積在滲流通道、井筒中。通過(guò)對(duì)井生產(chǎn)資料分析，全區(qū)出現(xiàn)煤粉影響的排采井共計(jì)492口，占全區(qū)51%（圖1），影響日產(chǎn)氣量約5.7×104m3，從歷年檢泵結(jié)果發(fā)現(xiàn)，煤粉影響導(dǎo)致檢泵維持在60井次以上，占檢泵總井?dāng)?shù)的10%以上（圖1）。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品

煤巖樣品采用來(lái)源于保德8號(hào)煤層的氣煤，埋深約800 m，長(zhǎng)度為9.86 cm，直徑為5.051 cm，鏡質(zhì)體最大反射率R0，max為0.79%。通過(guò)線切割的方式將圓柱煤樣沿軸線切成兩半。作為支撐劑的石英砂和煤粉混合后平鋪在其中一半的煤巖柱的切割截面，之后將另一半煤巖柱置于其上，將巖心套入熱縮膜后，使用熱風(fēng)槍將熱縮膜裹緊煤巖樣品的四周，模擬水力壓裂支撐劑充填的裂縫（圖2），其中煤粉為原生結(jié)構(gòu)煤通過(guò)粉碎獲得。實(shí)驗(yàn)所用地層水為根據(jù)保德區(qū)塊地層水質(zhì)資料在實(shí)驗(yàn)室配置而成，主要陽(yáng)離子為Ca2+、Na+、K+、Mg2+，主要陰離子為Cl?、HCO3?。

圖2 支撐劑煤粉充填裂縫的原生結(jié)構(gòu)煤巖樣品Fig.2 Primary structure coal-rock samples with fractures filled by proppant and coal fine

2.2 實(shí)驗(yàn)條件

為了模擬不同地質(zhì)與工程條件下煤粉產(chǎn)出特征，實(shí)驗(yàn)溫度設(shè)置為40 ℃，在不同流體流速、不同礦化度地層水、不同氣水比、不同有效應(yīng)力條件下開展煤粉驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1、表2、表3所示。

表1 不同礦化度及流速下的煤粉產(chǎn)出實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置Table 1 Experimental conditions for coal fine production under different salinity and flow velocity

表2 不同氣水比條件下煤粉產(chǎn)出實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置Table 2 Experimental conditions for coal fine production under different gas water ratio

表3 不同有效應(yīng)力條件下煤粉產(chǎn)出實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置Table 3 Experimental conditions for coal fine production under different effective stress

2.3 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括巖心驅(qū)替系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、氣液收集及計(jì)量、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示。

圖3 煤粉產(chǎn)出模擬實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Coal fine production simulation experimental device

實(shí)驗(yàn)過(guò)程主要包括4個(gè)步驟：

1）煤巖清洗，恒溫烘干，測(cè)量巖心的重量、長(zhǎng)度、直徑，然后制備支撐劑和煤粉充填裂縫煤巖樣品；

2）設(shè)置溫度至40 ℃，將巖心夾持器預(yù)熱后，把巖心放入夾持器中抽真空飽和地層水，保持24 h 使夾持器中煤巖樣品被充分加熱；

3）通過(guò)設(shè)置圍壓調(diào)節(jié)煤巖有效應(yīng)力，以不同的流速、氣水比向煤巖中注甲烷和不同礦化度的地層水，驅(qū)替總體積為1 000 mL，停止實(shí)驗(yàn)；

4）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)排水集氣法收集并記錄出口端產(chǎn)出的氣體和液體，觀察出口端煤粉產(chǎn)出動(dòng)態(tài)，測(cè)試產(chǎn)出液中煤粉質(zhì)量濃度、出口端的憋壓以及驅(qū)替壓差。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同流速下煤粉產(chǎn)出特征

煤層排水階段，不同地層水流速下煤粉產(chǎn)出特征如圖4 所示。產(chǎn)出液體煤粉相對(duì)質(zhì)量濃度用來(lái)定量表征產(chǎn)出液中煤粉質(zhì)量濃度，即將1 g/L 的煤粉懸濁液質(zhì)量濃度定義成煤粉質(zhì)量濃度為100%；0 代表產(chǎn)出煤粉極少，無(wú)法檢測(cè)煤粉溶液質(zhì)量濃度。

圖4 不同地層水流速下煤粉產(chǎn)出特征Fig.4 Characteristics of coal fine production under different formation water velocity

當(dāng)?shù)貙铀V化度為1 000 mg/L，支撐劑目數(shù)為20～40 目時(shí)，支撐劑充填裂縫中地層水注入的流速越大，產(chǎn)出液中煤粉質(zhì)量濃度越大。其中，出口端產(chǎn)出液煤粉質(zhì)量濃度代表了煤粉產(chǎn)出程度，出口處由于煤粉堵塞造成的憋壓壓力的大小則代表了煤巖裂縫中煤粉運(yùn)移的規(guī)模，憋壓壓力越高，表明更多的煤粉運(yùn)移至出口處堆積。

在地層水流速介于5～20 mL/min，出口端產(chǎn)出液基本為透明的清澈的地層水，1 000 mL 的產(chǎn)出液無(wú)法有效檢測(cè)其煤粉質(zhì)量濃度，出口端通過(guò)吸附棉紙收集了較少產(chǎn)出的煤粉顆粒（圖5）。然而對(duì)比不同注入流速下吸附棉紙上的煤粉的量，雖然低流速下煤粉產(chǎn)出極少，但是隨著注入流速的增加，出口端產(chǎn)出的煤粉的量有增加的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象表明隨著流體流速的增加，煤粉產(chǎn)出量處于增加的趨勢(shì)。

圖5 地層水流速為20 mL/min時(shí)出口端產(chǎn)出煤粉及產(chǎn)出液Fig.5 Coal fine and liquid produced at the outlet with the formation water flow rate is 20 mL/min

當(dāng)?shù)貙铀魉俳橛?0～40 mL/min，出口端吸附棉紙上吸附大量煤粉，當(dāng)吸附棉紙吸附煤粉飽和后，大量煤粉透過(guò)吸附棉紙，形成煤粉懸濁液（圖6）。結(jié)果表明，當(dāng)?shù)貙铀魉僭酱?，出口端產(chǎn)出煤粉量越大，產(chǎn)出液中煤粉質(zhì)量濃度越大，流速對(duì)支撐劑充填裂縫中煤粉的運(yùn)移起到關(guān)鍵作用。

圖6 地層水流速為30 mL/min時(shí)出口端產(chǎn)出煤粉及產(chǎn)出液Fig.6 Coal fine and liquid produced at the outlet with the formation water flow rate is 30 mL/min

此外，煤粉大量產(chǎn)出存在一個(gè)臨界流速，低于臨界流速出口端煤粉產(chǎn)出量極少，高于臨界流速煤粉產(chǎn)出量急劇增加，在此次實(shí)驗(yàn)條件下臨界流速處于20 mL/min。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及目標(biāo)區(qū)塊現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，根據(jù)公式（1），結(jié)合煤層厚度等數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化出實(shí)驗(yàn)室流速與氣井產(chǎn)水量對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線（圖7）。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)來(lái)講，排水階段盡可能使流速大于臨界流速，即8.9 m3/d，可將堵塞在支撐劑裂縫中的煤粉攜帶沖出，減緩煤粉在支撐劑裂縫中的堆積，增大支撐劑充填裂縫的導(dǎo)流能力。

圖7 實(shí)驗(yàn)室流速與氣井產(chǎn)水量對(duì)應(yīng)曲線Fig.7 Relationship between flow velocity and water production

式中：q為日產(chǎn)液量，單位m3；QR為實(shí)驗(yàn)室條件下流速，單位m3/s；rw為井眼半徑，單位m；dr為儲(chǔ)層厚度，單位m；D為巖心直徑，單位m。

雖然在較低的流速下出口端煤粉產(chǎn)出量極少，產(chǎn)出液為清澈的地層水，然而這并不代表較低流速下支撐劑充填裂縫中煤粉不發(fā)生運(yùn)移現(xiàn)象。在地層水注入過(guò)程中，出口端的壓力不斷上升，這是由于煤粉運(yùn)移到出口處，由于出口處流體流動(dòng)截面積減小，造成裂縫內(nèi)煤粉溶液中煤粉在此處堆積，形成煤粉“濾餅”效應(yīng)，造成出口處地層水流動(dòng)阻力過(guò)大，產(chǎn)生憋壓的現(xiàn)象。

從圖4 可以看出，地層水流速越大，出口處憋壓越高，原因可能為流速越大在出口處堆積的煤粉量越大，導(dǎo)致更高的憋壓。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)排水階段來(lái)講，在氣井井筒外圍射孔處，由于流體流動(dòng)截面突變減小，產(chǎn)生大量煤粉在射孔處堆積的現(xiàn)象，不利于地層水的排出。因此，排水階段流體最大的流動(dòng)阻力來(lái)源于煤粉在井筒外圍的堆積堵塞，清除此處堆積的煤粉更有利于氣井排水降壓[34]。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程通過(guò)調(diào)節(jié)地層水的注入流速，在煤巖的流體流動(dòng)空間內(nèi)造成較大幅度的壓力波動(dòng)，巖心出口端堆積堵塞的煤粉大量噴出，噴出煤粉懸濁液質(zhì)量濃度為3.2～3.9 g/L。出口處堆積煤粉和噴出的高質(zhì)量濃度煤粉懸濁液如圖8所示。

圖8 出口端堆積的煤粉和噴出高質(zhì)量濃度煤粉溶液Fig.8 Accumulated coal fine at the outlet and ejected high-quality concentrated coal fine solution

此外，壓力波動(dòng)清除出口端堵塞煤粉的現(xiàn)象只在較高的壓力波動(dòng)幅度下發(fā)生，即較大的地層水注入流速。根據(jù)文中實(shí)驗(yàn)，能明確煤粉堵塞的驅(qū)替壓差波動(dòng)幅度下限值為10 MPa。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)，可采用壓力波動(dòng)的方法，清除井筒外圍聚集堵塞的煤粉，降低井筒的表皮系數(shù)，增加射孔井筒的流體流通能力。

3.2 地層水礦化度控制下的煤粉產(chǎn)出特征

地層水礦化度是煤粉運(yùn)移的重要影響因素[35?36]。地層水流速為10 mL/min 且支撐劑顆粒大小相同的條件下，地層水礦化度越大，產(chǎn)出液中煤粉質(zhì)量濃度越高，出口處憋壓壓力較高（圖9）。這一現(xiàn)象表明，礦化度較高的地層水?dāng)y帶煤粉運(yùn)移的能力更強(qiáng)，更多的煤粉被攜帶到出口處堆積。尤其是當(dāng)?shù)V化度為8 000 mg/L 時(shí)，出口端產(chǎn)出液中觀察到煤粉，煤粉相對(duì)質(zhì)量濃度可達(dá)78.4%～96.7%。一方面是由于高礦化度地層水中的離子更容易使煤粉脫離原位并懸??；另一方面高礦化度更大的密度使其懸浮攜帶煤粉運(yùn)移的能力更強(qiáng)，且煤粉沉積速度較低，更容易發(fā)生運(yùn)移。因此，出口端煤粉堵塞越嚴(yán)重，出口端憋壓壓力也越高。

圖9 不同地層水礦化度下煤粉產(chǎn)出特征Fig.9 Characteristics of coal fine production under different formation water salinity

3.3 流體氣水比影響下的煤粉產(chǎn)出特征

當(dāng)流體以10 mL/min 的流速注入地層水和氣體時(shí)，單純氣相或者液相滲流時(shí)，出口處產(chǎn)出煤粉量以及出口處憋壓壓力都較小，表明煤粉運(yùn)移和產(chǎn)出的規(guī)模小。即當(dāng)?shù)土魉傧?，煤巖中只有單相流體流動(dòng)時(shí)，支撐劑充填的裂縫中不發(fā)生煤粉的運(yùn)移，或者發(fā)生運(yùn)移的現(xiàn)象不明顯，導(dǎo)致出口端憋壓壓力較小。

氣水兩相流動(dòng)具有更高的攜帶煤粉運(yùn)移的能力，出口處煤粉產(chǎn)出質(zhì)量濃度和憋壓壓力都更高。值得注意的是當(dāng)氣水比為50∶50時(shí)，產(chǎn)出液中煤粉的質(zhì)量濃度最高，注入流體中氣的比例高或者地層水的比例高時(shí)，產(chǎn)出液中煤粉的質(zhì)量濃度相對(duì)較低，這表明50∶50 的氣水比具有更強(qiáng)的攜帶煤粉的能力。因此，當(dāng)氣井處于上產(chǎn)期時(shí)，氣水比逐漸上升，此時(shí)煤粉運(yùn)移規(guī)模更大，即更多的煤粉流向井筒，井筒內(nèi)產(chǎn)出液中煤粉質(zhì)量濃度更高。當(dāng)氣井開發(fā)后期，純產(chǎn)氣階段煤粉運(yùn)移和產(chǎn)出規(guī)模都較小，產(chǎn)出液中煤粉質(zhì)量濃度相對(duì)較低。

流體注入流速為20 mL/min 時(shí)，總體煤粉產(chǎn)出量要高于注入速度為10 mL/min，出口處憋壓壓力相對(duì)更高。尤其是氣相單相或者液體單相流動(dòng)時(shí)出口端產(chǎn)出液均具有一定的煤粉含量和一定的憋壓壓力，這表明較大的流速下，單相流體滲流過(guò)程中，如果流速高于一定值，也存在大規(guī)模的煤粉運(yùn)移和產(chǎn)出。高流速下氣水兩相流體滲流攜帶煤粉運(yùn)移的能力也更強(qiáng)（圖10、圖11）。

圖10 不同氣水比條件下產(chǎn)出煤粉特征Fig.10 Characteristics of coal fine production under different gas water ratios

3.4 有效應(yīng)力影響下的煤粉產(chǎn)出特征

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著加載在煤巖上的有效應(yīng)力的增加，產(chǎn)出液中煤粉的質(zhì)量濃度不斷下降，且出口端的憋壓壓力具有相同的下降趨勢(shì)，但驅(qū)替壓差在不斷增加（圖12、圖13）。這可能是由于有效應(yīng)力越大，裂縫閉合程度越高，支撐劑可能出現(xiàn)嵌入裂縫壁面的情況，裂縫中煤粉受到的約束性更強(qiáng)，煤粉運(yùn)移的規(guī)模小，且出口端產(chǎn)出煤粉量也小，同時(shí)出口處憋壓壓力也低。驅(qū)替壓差的大小則反映了鋪砂裂縫的導(dǎo)流能力，驅(qū)替壓差越小則表明裂縫導(dǎo)流能力越強(qiáng)。煤層中裂縫的導(dǎo)流能力與裂縫的開度有關(guān)，同時(shí)也與煤粉的運(yùn)移堵塞相關(guān)。

圖12 不同有效應(yīng)力下產(chǎn)出液煤粉質(zhì)量濃度與出口憋壓壓力變化Fig.12 Changes in coal fine concentration and holding pressure under different effective stresses

圖13 不同有效應(yīng)力下驅(qū)替壓差變化Fig.13 Change in displacement pressure difference under different effective stresses

在較低的有效應(yīng)力下，煤巖裂縫在支撐劑的作用下，能保持一定的開度，此時(shí)消耗驅(qū)替壓差較小，雖然此時(shí)煤粉運(yùn)移情況比較嚴(yán)重，但是對(duì)裂縫的導(dǎo)流能力影響較小，大量煤粉運(yùn)移至出口端形成“濾餅”堵塞。此外，在較低的有效應(yīng)力范圍內(nèi)，產(chǎn)出液中煤粉質(zhì)量濃度下降趨勢(shì)較快，對(duì)有效應(yīng)力的變化較為敏感。這是由于在較低的有效應(yīng)力下，有效應(yīng)力的增加能有效降低裂縫的開度，此時(shí)裂縫的開度對(duì)有效應(yīng)力的變化較為敏感。

隨著有效應(yīng)力的增加，裂縫的閉合程度已經(jīng)到達(dá)一個(gè)較高的水平，繼續(xù)閉合的空間較小，因此，有效應(yīng)力較大時(shí)，增加有效應(yīng)力，裂縫的導(dǎo)流能力變化不大，導(dǎo)致煤粉運(yùn)移難度變化較小，產(chǎn)出液體中煤粉的質(zhì)量濃度變化較小。此外，較大的有效應(yīng)力下支撐劑已經(jīng)嵌入裂縫壁面，尤其是煤巖可能出現(xiàn)碎裂的情況，裂縫的導(dǎo)流能力大大下降，導(dǎo)致驅(qū)替壓差不斷增加。此時(shí)雖然煤粉運(yùn)移難度較大，對(duì)裂縫的導(dǎo)流能力影響較小，但是由于此時(shí)裂縫的開度較小，較少的煤粉運(yùn)移也能造成裂縫的堵塞。一旦此種現(xiàn)象發(fā)生后，裂縫的開度受到有效應(yīng)力變化的影響較小。因此，也導(dǎo)致在較高的有效應(yīng)力下，裂縫的導(dǎo)流能力和產(chǎn)出液中煤粉質(zhì)量濃度變化對(duì)有效應(yīng)力的變化不敏感。

3.5 保德區(qū)塊煤粉產(chǎn)出機(jī)制

基于上述分析可知，本研究重點(diǎn)關(guān)注了不同流體作用下研究區(qū)煤粉產(chǎn)出特征。流體作用包含2 個(gè)方面：一為力學(xué)作用，如流速、有效應(yīng)力、氣水比等條件改變誘發(fā)流體壓力的變化，進(jìn)而導(dǎo)致煤粉的分離、啟動(dòng)與運(yùn)移；二為化學(xué)作用，即流體化學(xué)性質(zhì)（如不同礦化度）對(duì)煤粉分散、團(tuán)聚的影響。

1）力學(xué)作用

研究表明單相流動(dòng)階段伴隨流速的增大，產(chǎn)出煤粉質(zhì)量濃度呈增大趨勢(shì)（圖4），其機(jī)理為流速越大對(duì)裂縫內(nèi)壁產(chǎn)生的黏滯力越強(qiáng)，其對(duì)煤巖產(chǎn)生的破壞主要為剪切破壞，當(dāng)黏滯力大于煤層本身抗剪強(qiáng)度時(shí)，煤體結(jié)構(gòu)發(fā)生更加劇烈的顯微破裂與礦物顆粒的平衡失穩(wěn)，進(jìn)而導(dǎo)致大量煤粉產(chǎn)出。對(duì)于實(shí)際工程而言，近井地帶的流速顯著大于遠(yuǎn)井地帶，故前者更容易發(fā)生堵塞，降低滲透率，嚴(yán)重影響降壓效果。對(duì)此現(xiàn)象，本研究發(fā)現(xiàn)壓力波動(dòng)能夠有效解決此問(wèn)題（圖8）。

排水降壓過(guò)程，對(duì)于煤儲(chǔ)層而言其本質(zhì)為有效應(yīng)力增大過(guò)程。本次研究表明產(chǎn)出煤粉相對(duì)質(zhì)量濃度與有效應(yīng)力整體呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖12）。當(dāng)有效應(yīng)力小于3 MPa 時(shí)，煤粉相對(duì)質(zhì)量濃度遞減速率較大；當(dāng)有效應(yīng)力大于3 MPa 時(shí)，煤粉相對(duì)質(zhì)量濃度遞減速率較弱。其機(jī)理為在較小的有效應(yīng)力作用下，裂縫具有較高的導(dǎo)流能力，大量煤粉易于產(chǎn)出。伴隨有效應(yīng)力增大，一方面孔裂隙被壓縮，導(dǎo)流能力下降，另一方面當(dāng)壓力增大超過(guò)煤層抗壓強(qiáng)度時(shí)，煤體破裂會(huì)產(chǎn)生大量的煤粉，但受儲(chǔ)層導(dǎo)流能力下降制約，大量煤粉難以運(yùn)移產(chǎn)出，體現(xiàn)在相同流速下有效應(yīng)力越高，煤樣兩端的驅(qū)替壓差越大（圖13）。

氣水兩相流階段相比于單相流階段具有更高的煤粉產(chǎn)出能力，主要取決于地層水的攜帶力與氣水混合的擾動(dòng)力。與單相氣流動(dòng)（氣水比為100∶0）相比，單相地層水流動(dòng)（氣水比為0∶100）時(shí)出口端具有一定的憋壓壓力，說(shuō)明其具有一定的攜帶煤粉能力。伴隨氣體比例增大時(shí)，產(chǎn)出液煤粉質(zhì)量濃度相對(duì)增大，表明氣水混合的擾動(dòng)力增大了煤粉的相對(duì)運(yùn)移，但當(dāng)氣水比超過(guò)50∶50 后，氣體占比遠(yuǎn)超液體占比時(shí)，產(chǎn)出煤粉質(zhì)量濃度降低，表明氣水混合的擾動(dòng)力應(yīng)以液體的攜帶力為基礎(chǔ)，即只有當(dāng)氣水比近似一致時(shí)才能達(dá)到最大的煤粉產(chǎn)出（圖10、圖11）。

2）化學(xué)作用

本次所用驅(qū)替流體為NaHCO3，伴隨驅(qū)替流體礦化度增大，產(chǎn)出煤粉質(zhì)量濃度呈增大趨勢(shì)，其機(jī)理為NaHCO3在水中由于具有弱酸根，因此，既發(fā)生電離，又發(fā)生水解反應(yīng)。伴隨礦化度增大，水解產(chǎn)生的陰離子OH?使煤粉顆粒表面負(fù)電荷增加，增強(qiáng)煤粉間排斥力，煤粉易于分散而不利于團(tuán)聚，因此，在相同的流速作用下，高礦化度更易形成大范圍的煤粉運(yùn)移與產(chǎn)出[37]（圖9）。

4 結(jié)論

1）較低的流速下出口端產(chǎn)出煤粉量極少，裂縫中煤粉發(fā)生運(yùn)移但是堆積在出口處，形成煤粉“濾餅”。流速超過(guò)一定的閾值后，產(chǎn)出煤粉量大大增加。多輪次較大幅度的壓力波動(dòng)能將出口處堵塞的煤粉沖出。地層水礦化度越大，攜帶煤粉運(yùn)移的能力更強(qiáng)，產(chǎn)出液中煤粉質(zhì)量濃度越高，出口處憋壓壓力較高，其主要受控于NaHCO3水解產(chǎn)生的OH?增大了煤粉間的排斥力，煤粉易于分散運(yùn)移與產(chǎn)出。

2）產(chǎn)出煤粉相對(duì)質(zhì)量濃度與有效應(yīng)力整體呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，產(chǎn)出煤粉相對(duì)質(zhì)量濃度衰減速率隨有效應(yīng)力增大呈兩段式變化，其主要受控于裂縫導(dǎo)流能力與煤層抗壓強(qiáng)度的綜合影響。當(dāng)有效應(yīng)力小于3 MPa 時(shí)，裂縫具有較高的導(dǎo)流能力，大量煤粉易于產(chǎn)出；當(dāng)有效應(yīng)力超過(guò)煤層抗壓強(qiáng)度時(shí)，雖然煤體破裂會(huì)產(chǎn)生大量的煤粉，但導(dǎo)流空間的減小阻礙了煤粉的大量產(chǎn)出。

3）氣水兩相流階段相比于單相流階段具有更高的煤粉產(chǎn)出能力，主要取決于地層水的攜帶力與氣水混合的擾動(dòng)力。伴隨氣體比例增大時(shí)，產(chǎn)出液煤粉質(zhì)量濃度相對(duì)增大，表明氣水混合的擾動(dòng)力增大了煤粉的相對(duì)運(yùn)移；但當(dāng)氣水比超過(guò)50∶50 后，氣體占比遠(yuǎn)超液體占比時(shí)，產(chǎn)出煤粉質(zhì)量濃度降低，表明氣水混合的擾動(dòng)力應(yīng)以液體的攜帶力為基礎(chǔ)，即只有當(dāng)氣水比近似一致時(shí)才能達(dá)到最大的煤粉產(chǎn)出。

4）現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程中煤層氣井排水階段和上產(chǎn)階段煤粉運(yùn)移產(chǎn)出規(guī)模大。排水階段盡可能使流速大于臨界流速或采用壓力波動(dòng)方法，減緩煤粉在支撐劑裂縫和井筒射孔孔眼處的堆積；上產(chǎn)階段則同樣需要提高產(chǎn)液量，攜帶出更多的煤粉，防止裂縫和井筒被煤粉堵塞。