煤層氣開發中固相微粒的形成原因及防治措施的研究

李江彪

(山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，山西 晉城 048000)

引 言

煤炭資源在人類社會發展中提供了巨大的助力，是人類經濟社會發展的重要的能源資源，為人類科技的進步和發展提供了巨大的支持，但煤炭資源在燃燒過程中產生了大量的有害氣體，對大氣產生了極大的污染。隨著全球對環境保護的日益重視，各種污染性大的能源資源的應用受到了極大限制，同時人類不斷開發各種新的綠色能源資源，確保人類社會的能源需求[1]。煤層氣是近年來發現的一種燃燒值高、環境污染小的綠色能源資源，憑借著其突出的優點和極高的性價比，迅速成為一種廣泛應用于各行業的綠色能源資源，各生產企業不斷采用新的技術提高煤層氣的開采效率，確保能源市場的充分供應，但煤層氣在開采過程中普遍存在在固相微粒突出的問題，不僅嚴重影響了煤層氣的開采效率而且固相顆粒隨之煤層氣進入到開采設備中，導致設備堵塞、停機、損壞等，對煤層氣開采企業的生產效率和開采的經濟性產生了巨大的負面影響，因此迫切需要對煤層氣開采過程中固相顆粒的形成原因、機理進行分析，進而得出固相顆粒預防的具體措施，提升煤層氣開采的效率。

1 固相微粒的形成機理

固相微粒的形成可劃分為力學成因機理和化學成因機理。

從力學成因機理上分析，煤層氣的開發實際上是在一定的地質條件的基礎上，通過機械鉆井與水力壓裂、地面抽采的方式得到的，在開采的時候以上各個過程均會對煤層煤巖產生一定的剪力，使鉆孔附近的巖層原有的應力平衡發生破壞，造成巖壁四周的應力集中，進而導致了巖層壁面的失穩破壞和各原有的壁面裂隙的進一步擴大，最后造成鉆孔周圍的巖層骨架的結構破壞及煤粉、雜質等固相微粒的產生。同時在煤層氣開采時會造成不同地質層位內的壓力的波動，在不同煤氣儲層之間產生一定的壓差，當壓差超過煤層圍巖間的各巖石礦物的力學穩定臨界值之后，同樣會導致地質骨架發生一定的結構撕裂，產生各類固相微粒。

從化學成因機理上來說，各煤巖的化學組分不盡相同，各個地層中的煤巖的礦物組分及流體成分具有很大的空間差異性，在煤層氣開采過程中，鉆井導致不同煤巖之間的組分產生了一定的接觸，同時在抽采煤層氣時的外來流體會與不同煤層相互接觸，當某個巖層的化學組分與之不匹配時，就會發生一定的化學反應，導致巖井周圍組分的表面特性發生變化，在開采時的受力下更容易發生破裂，產生大量的固相微粒。

2 固相微粒的成分組成

對固相微粒成分組成的研究主要目的是通過對固相微粒組分的構成分析，推斷出煤層氣開采過程中產生固相微粒的地質層面，為進一步控制固相微粒的產生提供基礎。

本文以某礦區域內的煤層氣井為采樣對象，對開采過程中產出的固相微粒進行收集、沉淀、風干，得到的樣品如第110頁圖1所示。

圖1 固相微粒樣品

采樣完成后對樣品進行煤磚的制備及研磨，在制備的過程中采用的是冷膠制備方案形成煤磚樣品，制備完成后進行精磨和精拋光，最終使煤磚表面形成平齊的有顯著顯微組的分界線。然后用顯微鏡對其進行組分分析和計數[2]，以獲取不同在固相微粒中各組分的含量和百分比，其統計結果如圖2所示。

圖2 樣品中固相微粒各組分含量示意圖

由圖2可知，在固相微粒樣品中，占比最大的為黏土礦物質，含量達到了約59.8%，其次為鏡質組，含量約為24.1%，惰質組，含量為17.9%，黃鐵礦組分占比含量為6.2%，石英組分含量為0.2%。因此在煤層氣開采時不同層段會導致固相微粒產生的幾率發生變化，煤層結構越多、越復雜產生固相微粒的概率越大，特別是在含有加矸層的結構中，在開采時的力學因素和化學因素的作用情況會加強，導致巖井周圍的煤巖結構穩定性降低，進一步加劇固相微粒產生的概率。

3 固相微粒產出運移因素的影響

固相微粒產出時的移運因素主要是指在開采時的壓裂造縫。煤層氣在開發過程中為了提升煤氣儲層的滲透力而專門設置的，其對固相微粒產出的影響主要包括高壓物理破壞及壓裂液體對煤巖成分的化學分解。在向煤層中注入高壓液體時會導致煤巖層壁的受壓變形，導致煤巖內產生大量的撕裂性的裂紋，使通道內的煤巖在高壓液體作用下產生沖蝕性破壞，導致各類固相微粒在裂紋的表面部位的大量剝落，其作用原理如圖3所示。

圖3 高壓物理破壞導致的固相微粒產出原理示意圖

在開采時若壓裂液體成分與煤巖成分不相契合時，會對其接觸到的巖井附近的煤巖組分產生化學作用，導致固相微粒的分散移運進一步加重，特別是在向裂紋中添加填充顆粒后，因各類型填充顆粒的硬度偏大，造成了裂紋附近的層壓加大，對裂紋進一步產生了擠壓破壞[3]，加劇了固相微粒的產生和移運，其原理如圖4所示。

圖4 支撐劑嵌入導致的固相微粒產出示意圖

4 固相微粒的防治措施

根據固相微粒在煤層氣開發過程中的產生機理及移運特性，在對其防治時需要根據不同的地質特性針對性地采取控制措施，主要包括以下幾個方面。

1) 儲層改造緩解措施。當在開采時對煤層的壓裂造縫時，首先對采掘到的煤巖成分進行分析，在此基礎上選擇與煤巖成分反應敏感性低的壓裂液，降低開采時與煤巖的化學反應，同時在支撐劑內加入具有吸附特性的納米顆粒，提升支撐劑對裂縫的密封效果。

2) 排采生產控制措施。在煤層氣的排水采氣階段實際上是處于一種氣、液、固三相相互依存的狀態，此時可以制定煤層氣的連續采集，在采集過程中不斷排出儲氣層內的液體，降低儲層壓力，確保儲層內的壓降穩定，避免對巖層的過度擾動造成了固相顆粒的產生。

3) 工藝設備治理措施。因煤層氣開發過程中的固相微粒實際上是雜質移運的結果，微粒形成后首先會隨著壓力集聚于抽氣泵處，因此在開采時通過對煤層氣井口抽氣泵的監測分析，實現對泵口位置固相微粒集聚程度的實時監測，并根據集聚情況制定抽氣泵的清潔措施，可以顯著降低在開采過程中抽出的固相微粒的數量[4]。

5 結語

本文通過對煤層氣開采時固相微粒產生機理及移運影響因素的分析，結合其形成原因，針對性地提出了煤層氣開采過程中固相微粒的防治措施，對降低煤層氣開采時的固相微粒數量，提升煤層氣開采效率具有一定的指導意義。