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文| 天选小吉

编辑| 天选小吉

【资料图】

前言

煤层气作为绿色清洁非常规天然气资源，是我国重要的战略能源之一。由于我国煤盆地构造热演化的复杂性和煤储层的特殊性，煤粉与煤炭运输问题已成为严重制约我国煤层气井产能的关键问题之一。

样品制备与实验方法

一、样品制备

煤岩样品：实验选择380~830um的石英砂，根据等径和不等径球体最紧密堆积形成的通道空间特征，计算得到通道的直径大小为65.7~352.1 um，基于现场煤粉产出粒度分布特征，部分煤层气井产出的煤粉粒度<63um，为确保煤粉可以通过支撑裂缝通道排出，选用<63um粒径煤粉进行实验样品制备。

物理模拟实验煤岩样品的制备包括煤粉支撑剂的称重混合和模拟实验样品的压制2个步骤。

首先，利用破碎机破碎煤岩样品，筛选粒径<63um粒径煤粉，称取煤粉6g倒入烧杯中，称取380~830um石英砂支撑剂30g倒入烧杯中，将煤粉和石英砂支撑剂用药匙充分搅拌，选择配制的相应水溶液作为黏结剂。

水溶液一方面可以润湿煤粉及石英砂颗粒，同时还可以增加颗粒与石英砂之间的附着力，使煤粉颗粒与石英砂颗粒在搅拌过程中混合均匀。

使用注射器吸取6g溶液注入到烧杯中，再次搅拌均匀，最终煤粉、石英砂以及黏结剂最终以1：5:1的比例混合均匀，制成煤粉与支撑剂均匀混合原料。

将配置好的混合原料放入人工煤心标准试件模具中，采用全自动压力试验机恒定正向压力6kN（12MPa）下，压10min，制成一定长度，直径为25mm的支撑剂系统模拟试件。

打开模具，将压制好的试件在两端上加入导流垫块进行封装，每组实验开始前进行样品制备，制备完成后将实验样品放入LYD32型岩心流动装置的岩心夹持器内。

驱替液配置：韩城区块的地下水含有高矿化度的NaHCO3、Na2SO4和MgCl2,地下水中不同无机物矿化度从2000mg/L到20000mg/L不等。

而地下水含有多种矿物质成分，使用地下水溶液进行实验并不能查明某个因素对煤粉运移的影响，只有查明单一水化学因素对煤粉运移的影响，才能为后期进行不同水化学性质混合溶液对煤粉运移的影响研究提供理论基础。

因此，根据韩城区块地下水矿化度及水化学类型实际情况，本文选择合理的矿化度增长幅度，采用控制变量法选择矿化度为3000、6000、10000mg/L的NaHCO3和 Na2SO4溶液及矿化度为10 000、15000、20000mg/L的MgCl2溶液。为了排除水中其他阴阳离子对煤粉聚集的影响，选用去离子水来配制不同水化学性质的溶液及利用去离子水进行空白对照实验。

二、实验方法

试验方法采用控制变量法，共进行了10组水化学性质对支撑裂缝中煤粉运移影响的物理模拟实验。通过实验交叉组合分别探究不同水化学类型和不同矿化度条件对支撑剂中煤粉运移的影响。

通过改变驱替液的类别，进行物理模拟实验，模拟支撑裂缝中煤粉在不同水化学性质下的煤层气生产中的运移过程，利用计算机实时监控驱替过程中的驱替压力。

分析与讨论

不同水化学性质对煤粉产出质量浓度影响实验样支撑裂缝中煤粉堵塞有3种类型：

煤粉吸附于支撑剂表面；

煤粉架桥堵塞通道；

滤饼堵塞流动通道。

实验开始前样品内煤粉均匀分布，样品入口端煤粉随驱替的不断进行，逐渐向实验样末端运移，由于实验前期有2h饱和作用，因此煤粉在进行实验驱替过程中实验样品已经发生煤粉与溶液之间的相互作用。

实验选用三种水化学类型条件下溶液中的盐会产生电离和水解作用。NaHCO3在水中由于具有弱酸根，因此既发生电离，又发生水解反应，反应式如下所示：

Na2SO4和MgCl2溶液在水中只发生电离，化学反应式如下所示：

煤粉的疏水性和吸附性决定了支撑剂充填层中排出煤粉具有一定的困难，导致煤粉在支撑剂充填体中聚集。

煤层气储层释放煤粉颗粒必须满足的临界条件机制之一是地下水矿化度降低至临界盐浓度(CSC)以下，使颗粒与基质表面之间的斥力超过结合力。

根据DLVO理论，电离的金属阳离子Na+，H+，Mg²+等会压缩煤粉颗粒双电层结构导致煤粉团聚。

物理模拟实验完成后，将岩心夹持器内的实验样品取出，沿轴线方向将实验样品剖开，利用显微镜观察实验样内部发现：

1.利用去离子水驱替后的实验样品内部支撑剂表面会吸附部分小粒径煤粉颗粒，主要由小粒径的煤粉团堵塞实验样内部孔隙。

2.利用含矿化度水驱替后的实验样内部存在煤粉团聚堵塞支撑剂孔隙通道、支撑剂通道堵塞后会增加流体流动轨迹弯曲度、支撑剂孔隙内煤粉颗粒排出会扩大裂缝内通道以及煤粉颗粒之间发生团聚重叠。

煤粉颗粒在去离子水驱替条件下实验样煤粉产出质量浓度最大，说明地下水矿化度导致的煤粉团聚会影响煤粉颗粒的产出，煤粉颗粒在三种不同水化学溶液驱替条件下、不同矿化度条件下具有不同的煤粉产出质量浓度规律。

Na2SO4溶液驱替条件下，随矿化度的增加，煤粉产出质量浓度呈现出降低的趋势，这是由于低矿化度条件下煤粉颗粒之间附着力较弱，颗粒团聚程度低，小粒径煤粉运移加剧，部分煤粉从通道排出，煤粉产出量大，矿化度的增大，煤粉间附着力增强，导致煤粉团聚堵塞通道，煤粉产出量小。

NaHCO3溶液驱替条件下，表现出随矿化度的增加，煤粉产出质量浓度增大的趋势。

煤粉运移至实验样末端堵塞实验样后，伴随矿化度的增加，水解产生的阴离子OH使煤粉颗粒表面负电荷增加，增强煤粉间排斥力，缓解煤粉聚集效果，改善实验样末端煤粉堵塞情况，产出部分煤粉颗粒，随矿化度的增加，煤粉产出量增大。

MgCl2溶液驱替条件下，实验样内部煤粉受MgCl2溶液影响，高矿化度有利于煤粉的聚集，实验样内部煤粉在驱替液影响下，煤粉团聚，矿化度的增加影响实验样内部平衡状态，导致实验样内部原有相对平衡被打破，煤粉产出量增大。

在相同矿化度条件（10000mg/L）下，煤粉产出质量浓度在一定程度上取决于煤粉聚集的程度，煤粉聚集的程度较低，尚未达到影响实验样内部平衡程度，可以在支撑裂缝通道运移。

且煤粉团聚在一定程度上影响煤粉运移，因此在相同矿化度条件下，不同水化学类型溶液驱替条件下煤粉产出质量浓度：NaHCO3>Na2SO4>MgCl2。

不同水化学性质对渗透率影响

煤层气开发过程中导致煤储层渗透率变化有4种原因：

煤粉在裂隙中沉积和堵塞，破坏渗透性(即被截留的煤粉)。

增大通道压力(或减小有效应力)，使煤裂隙膨胀，从而提高煤层渗透率。

煤粉的产出使裂隙变宽，渗透性逐渐增大。

由于局部压力增大，煤粉被重新分配和/或重新捕获，导致渗透率波动。

煤粉团聚是影响煤储层渗透率的一个重要因素，随驱替作用进行，煤粉会重新排列并迁移到支撑剂充填层中，导致通道堵塞和降低渗透率。

去离子水驱替条件下实验样渗透率小于6000mg/L矿化度条件下Na2SO4和NaHCO3溶液驱替条件下实验样渗透率，大于其他矿化度条件下实验样渗透率，说明煤粉团聚现象会影响实验样渗透率变化，不同的水化学性质水溶液驱替条件下实验样渗透率不同。

盐水会增强煤粉颗粒的聚集，低矿化度水释放的颗粒浓度明显低于注入淡水的释放的颗粒浓度，低矿化度水接触煤粉颗粒改变其润湿性和减弱静电力导致煤粉颗粒运移25.29，煤粉运移堵塞通道，改变了流体运动轨迹，增加流体流动轨迹弯曲度，导致渗透率显著降低。

3000mg/L矿化度条件下Na2SO4和NaHCO3溶液容易导致小粒径煤粉运移，堵塞实验样内部通道，渗透率降低。

伴随矿化度的升高，煤粉团聚效果增强，煤粉运移程度降低，6000mg/L矿化度条件下部分煤粉发生聚集沉降，部分煤粉聚集，从而扩展团聚煤粉外通道，使流体具有更多的展布空间从而提高渗透率。

矿化度增高至10000mg/L时，高矿化度有利于煤粉聚集将煤粉固定在其初始位置附近处，堵塞实验样内部运移通道，造成渗透率降低。另一个原因为高矿化度时煤粉相互聚集附着，形成煤粉滤饼，因此6000mg/L矿化度条件下MgCl2实验样渗透率最高。

Mg2+通过矿物表面的离子吸附和离子交换显著压缩双电层，对煤粉聚集效果较为强烈，MgCl2溶液三种矿化度条件下煤粉受溶液影响后聚集程度均表现较高的堵塞通道效果，三种不同矿化度条件实验样内部煤粉堵塞程度大致相同，对渗透率数值影响不大。

单价阳离子（Na+）注入时，与Mg2+相比，Na+对煤粉表面亲和力较弱，Mg2+的离子水合半径小于Na+，强力压缩双电层，所以Na+矿化度水平对渗透率的影响更重要。

在10000mg/L矿化度条件下，MgCl2溶液聚集沉降能力较强，饱和阶段，由于煤粉团聚效果较强，将更多团聚煤粉固定在实验样内初始位置，Na2SOa和NaHCO3团聚作用效果较低，部分煤粉发生运移，堵塞实验样末端通道，末端堵塞程度高于MgCl2溶液，且NaHCO3水解产生OH。

煤粉处于碱性环境中，改善实验样堵塞情况，提高渗透率数值，因此溶液驱替条件下实验样平均渗透率结果表现为MgCl2>NaHCO3>Na2SO4。

结论

相同水化学类型条件下，NaHCO3和MgCl2溶液随矿化度的增大煤粉产出质量浓度增大；Na2SO4溶液随矿化度的增大而煤粉产出质量浓度降低。

相同矿化度（10000mg/L）条件下，不同水化学类型溶液驱替条件下煤粉产出质量浓度：NaHCO3>Na2SO4>MgCl2。

相同水化学类型条件下，6000mg/L矿化度的Na2SO4、NaHCO3溶液驱替条件下实验样渗透率最高，而MgCl2溶液驱替条件下实验样渗透率受矿化度的影响不明显。

相同矿化度（10000mg/L）条件下，不同水化学类型溶液驱替条件下实验样的渗透率：MgCl2>NaHCO3>Na2SO4。

根据物理模拟实验中渗透率波动的上升状态、下降状态和轻微波动状态三个趋势，结合实测渗透率数值，统计渗透率变化趋势时间段，进行回归分析煤粉产出质量浓度与煤样渗透率之间的关系，回归模型的R2=0.834，回归显著性为0.009，小于0.05，说明实验中煤粉产出影响渗透率的波动。

地下水含有多种矿物质成分，使用地下水溶液进行实验并不能查明某个因素对煤粉运移的影响，只有查明单一水化学因素对煤粉运移的影响，才能为后期进行不同水化学性质混合溶液对煤粉运移的影响研究提供理论基础。

关键词：