Simone
1.粒度大小及分布特征
对11口井29个煤粉样品进行了粒度测试分析,其测试结果统计如表4-8所示。测试结果表明,煤粉颗粒粒径分布范围广,从0.2μm至2000μm大小不等,且单井的煤粉粒度同样存在差异。分析发现,在煤层气井的排水降压阶段,井口排出煤粉的粒度分布范围广,为0.2μm至2000μm,煤粉粒径大,最大粒径达到2000μm。由韩3-052井(采样时间2012-9-6)的煤粉粒度测试曲线(图4-6)可知,其分布曲线呈双峰右极峰形态,粒度值变化范围为0.2μm至2000μm,主峰出现于900～2000μm之间,次峰出现于1～50μm之间。在气水合采阶段,井口排出煤粉的粒径分布范围为0.2μm至1000μm,煤粉最大粒径为1000μm。由韩3-013井(采样时间2011-12-2)的煤粉粒度测试曲线(图4-7)可知,其分布曲线呈双峰形态,粒径变化范围为0.2μm至1000μm,主峰出现于10～100μm之间,次峰出现于300～1000μm之间。稳产阶段,井口排出的煤粉粒度分布范围窄,粒径范围为0.2μm至105μm,煤粉粒径较小,最大粒径仅为105μm。由WL1-001井(采样时间2011-12-2)的煤粉粒度测试曲线(图4-8)可知,其分布曲线呈单峰形态,粒径变化范围为0.2μm至105μm,峰值出现于10～100μm之间。测试结果分析表明,随着排采阶段的递进,产出的煤粉粒度呈现分布范围缩小、粒度值减小的趋势。这主要是由于排水降压阶段,压敏性强、裂缝易压缩、易出煤粉,排水量大,水流动力大,携带煤粉能力强;气水合采阶段,煤岩基质收缩、出现气液泡沫流、排水量减少,水流动力相应减小,携带煤粉能力相应减弱;稳产阶段,产气量、产液量、套压、液面均保持相对稳定,携带煤粉能力弱,产出的煤粉粒径减小。由煤粉的粒度和成分分析可知,煤粉的粒度较小,并且煤念拍粉以黏土矿物为主,所以,煤粉比较容易结块和黏附,煤粉颗粒大小和成分影响着煤粉的聚集和结块程度(魏迎春等,2013;袁远,2013)。
表4-8 煤粉粒度测试结果统计表 单位：μm
表4-8 煤粉粒度测试结果统计表 单位：μm
续表
续表
注:dmax为最大粒径;davgV为体积平均粒径;d(0.1)为粒度累积分布中,颗粒直径小于比值的颗粒占10%;d(0.5)为粒度累积分布中,颗粒直径小于比值的颗粒占50%;d(0.9)为粒度累积分布中,颗粒直径小于比值的颗粒占90%。
根据煤粉粒度分布曲线的形态,将产出煤粉粒度分布类型划分为单峰型和双峰型(图4-6、图4-7、图4-8)。单峰型煤粉粒度分布曲线的粒径范围一般较小,在1000μm以下,而仔模羡双峰型煤粉粒度分布曲线中第一峰值一般出现在数十微米之间,第二峰值出现在数百到一千微米之间。不同的峰值代表不同粒径颗粒分布的集中程度。根据物源颗粒大小差异和颗粒的搬运原理,单峰和双峰型粒度分布曲线反映了煤粉在排采前开发层的煤粉颗粒本身的大小差异,同时,也反映了煤层气井排采过程中流体运移强度对煤粉的携带能力。
图4-6 韩3-052井产出煤粉粒度分布曲线
图4-6 韩3-052井产出煤粉粒度分布曲线
图4-7 韩3-013井产出煤粉粒度分布曲线
图4-7 韩3-013井产出煤粉粒度分布曲线
图4-8 WL1-001井产出煤粉粒度分布曲线
图4-8 WL1-001井产出煤粉粒度分布曲线
2.煤粉粒度的影响因素
1)煤岩特征和力学性质
煤层的物质组成决定了煤层自身的力学性质,使其具有低杨氏模量、低剪切模量、低体积模量和高泊松比的性质,容易遭受破坏。在相同的排采条件下,煤粉粒度主要与煤层性质、成分相关。黏土颗码者粒粒径较小(粒径小于20μm的颗粒含量大于50%),容易形成煤粉。当煤粉中黏土矿物含量较高时,其小粒径的颗粒较多。WL2-013 井和WL2-015井产出煤粉的黏土矿物含量都在50%以上(表4-9),而WL2-005井不到50%。其粒度分布区间有明显的不同,前者小于10μm的颗粒个数百分比达到66.81%和41.18%,而WL2-005仅有12.17%,但在10～20μm区间颗粒个数百分比明显增大,达到47.39%(图4-9,图4-10,图4-11)。
表4-9 产出煤粉的显微组分含量 单位：%
表4-9 产出煤粉的显微组分含量 单位：%
2)煤体结构破坏程度
不同煤体结构类型的煤所受到的破坏程度不同,煤层固有煤粉的颗粒也大小不一。抖动不同煤体结构类型的煤样,获得煤中固有煤粉的颗粒,其激光粒度测试分析结果如表4-10所示。原生结构煤和碎裂煤的煤体结构比较完整,构造破坏较轻,煤中固有煤粉颗粒直径相对较大。而碎粒煤和鳞片煤的煤体结构破坏严重,煤体结构呈现粒状和鳞片状,煤中固有煤粉颗粒相对较小。因此,碎粒煤和鳞片煤易受机械破坏和液流的冲蚀而产生大量煤粉。
图4-9 WL2-005井煤粉粒度分布直方图
图4-9 WL2-005井煤粉粒度分布直方图
图4-10 WL2-015井煤粉粒度分布直方图
图4-10 WL2-015井煤粉粒度分布直方图
图4-11 WL2-013井煤粉粒度分布直方图
图4-11 WL2-013井煤粉粒度分布直方图
表4-10 不同煤体结构煤层中固有煤粉粒径特征
表4-10 不同煤体结构煤层中固有煤粉粒径特征
对韩城区块内5口煤层气井的开采层不同煤体结构煤厚的比例与其产出煤粉的平均粒径进行统计(表4-11),并绘制Ⅲ类煤(碎粒煤和鳞片煤)相对厚度与煤粉粒度对比折线图(图4-12)。通过分析得出,随开发层中Ⅲ类煤相对厚度的增大,产出煤粉的平均粒度减小,由66.990μm递减至25.962μm;Ⅱ类煤(碎裂煤)相对厚度的突增使煤粉粒度有一个高值异常,韩3-041井Ⅱ类煤占总厚度的61.92%,其产出煤粉的体积平均粒度突增达到169.045μm。Ⅲ类煤是影响产出煤粉粒度的主要因素,Ⅲ类煤产出的煤粉粒径较其他两类煤的体积平均粒径小,煤粉的粒径大小由Ⅲ类煤相对厚度决定,随Ⅲ类煤相对厚度的增大,产出煤粉的平均粒度减小;Ⅱ类煤是影响产出煤粉粒度的次要因素,当Ⅲ类煤厚度相当,煤粉的粒径大小由Ⅱ类煤决定,且Ⅱ类煤厚度越大,煤粉的平均粒径越大。
表4-11 不同煤体结构煤与煤粉粒度对比表
表4-11 不同煤体结构煤与煤粉粒度对比表
注:Ⅰ类煤为原生结构煤;Ⅱ类煤为碎裂煤;Ⅲ类煤为碎粒煤和鳞片煤。
3)液流的携粉能力
煤粉颗粒随煤层气井排水过程到达井口,一定流速的地层流体具有相当的携粉能力。当液流的速度达到一定值时,细小的煤粉颗粒开始启动并随着液流迁移(曹代勇等,2013;姜在兴,2003)。由于颗粒较小,一旦启动就很难停止,容易随液流到达地面。当液流速度增加时,相对较大的颗粒开始启动,但是在液流速度减小的时候也容易再次沉淀静止,聚集在井底或滞留在煤层中,而井口排出的煤粉通常为粒度相对较小的颗粒(袁远,2013)。
图4-12 Ⅲ类煤厚度比例与煤粉粒度对比折线图
图4-12 Ⅲ类煤厚度比例与煤粉粒度对比折线图
