團(tuán)聚型壓裂液對煤粉運(yùn)移的影響及作用機(jī)理

宋金星 ，史俊可 ，劉建壯

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層(頁巖)氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003)

煤儲層與常規(guī)油氣儲層相比是十分脆弱的，具有易碎、易坍塌的特點(diǎn)，其抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度都要小于常規(guī)油氣儲層，但是泊松比卻很大，應(yīng)力的略微變化都會造成煤層結(jié)構(gòu)的變化，導(dǎo)致煤粉顆粒產(chǎn)生[1-3]。排采過程中，煤粉隨著運(yùn)載流體在支撐裂縫中運(yùn)移，容易導(dǎo)致裂隙堵塞，造成煤儲層滲透率和支撐裂縫導(dǎo)流能力的降低，干擾煤層氣的正常生產(chǎn)，使煤層氣井出現(xiàn)過早的衰竭；煤粉排出進(jìn)入排采系統(tǒng)中又會導(dǎo)致埋泵和卡泵，破壞排采的連續(xù)性和穩(wěn)定性[4-7]。因此，合理的煤粉防控措施對煤層氣井高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)有至關(guān)重要的作用。國內(nèi)外學(xué)者對煤粉防控措施進(jìn)行了大量室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場研究，煤粉的防控方法也從簡單的篩管、繞絲篩管、繞絲篩管+礫石充填的機(jī)械防煤粉技術(shù)思路到煤粉團(tuán)聚抑制煤粉排出、煤粉分散促進(jìn)煤粉排出的思路轉(zhuǎn)變[8-12]。通過向壓裂液中加入適量添加劑，使得煤粉的性質(zhì)發(fā)生改變，促使煤粉在運(yùn)移過程中分散懸浮或聚集沉降等行為，實(shí)現(xiàn)對煤粉的防治[13-15]。盡管當(dāng)前對煤粉運(yùn)移和壓裂液相關(guān)特性有了一定的認(rèn)識，但是對于煤粉的潤濕性、黏附性對煤粉運(yùn)移過程中產(chǎn)生的影響缺乏探討，尤其是煤粉團(tuán)聚沉降對煤粉在支撐裂縫中運(yùn)移的影響及作用機(jī)理尚不明確，無法進(jìn)一步提升對煤粉的防控作用，限制了煤層氣井產(chǎn)氣量的提高。

筆者以準(zhǔn)南煤田烏魯木齊河?xùn)|礦區(qū)煤樣為研究對象，以蒸餾水、活性水壓裂液(1.5%KCl)、團(tuán)聚型壓裂液(1.5%KCl+0.05%AN) (AN 為陰離子表面活性劑AS和非離子表面活性劑NS 的9∶1 復(fù)配)為運(yùn)載流體，通過單相流驅(qū)替狀態(tài)下煤粉產(chǎn)出物理模擬實(shí)驗(yàn)，獲取驅(qū)替流速為100、200、300 mL/min 時(shí)的煤粉產(chǎn)出量和支撐裂縫導(dǎo)流能力傷害率，并結(jié)合靜置沉降實(shí)驗(yàn)和直剪實(shí)驗(yàn)揭示團(tuán)聚型壓裂液煤粉防控作用機(jī)理，以期對煤層氣開發(fā)過程中煤粉的治理研究提供參考。

1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

1.1 靜置沉降實(shí)驗(yàn)

1) 樣品制備

樣品信息及工業(yè)分析見表1。利用粉碎機(jī)將樣品粉碎后，選取100～150 目(100～150 μm，下同)煤粉，裝袋密封，備用。

表1 樣品信息及工業(yè)分析結(jié)果Table 1 Proximate analysis results of samples

2) 壓裂液配制

取3 個(gè)大燒杯，分別加入500 mL 蒸餾水，編號備用。用天平準(zhǔn)確稱量藥品，加入燒杯中均勻攪拌，配置成活性水壓裂液(1.5%KCl) 和1.5%KCl+0.05%AN。3 種液體的表面張力及其與河?xùn)|礦區(qū)煤樣的接觸角見表2。

表2 3 種液體與煤樣的接觸角Table 2 Contact angles of three solutions with coal samples

3) 實(shí)驗(yàn)方法

靜置沉降實(shí)驗(yàn)以煤粉沉降效果和沉降的速度為參考標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，依次取出20 mL 液體倒入25 mL 的玻璃試管中，然后加入100～150 目煤粉0.5 g，充分振蕩均勻，放置在試管架上，開始計(jì)時(shí)并觀察煤粉在0、0.5、1、3 h 時(shí)刻的沉降情況[16-18]。

4) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

試管從左至右依次為：蒸餾水、活性水壓裂液、1.5%KCl+0.05%AN，漿液靜置沉降實(shí)驗(yàn)效果如圖1所示。

圖1 煤樣靜置沉降實(shí)驗(yàn)Fig.1 Static settlement experiment of coal samples

漿液靜置沉降0.5 h 后，1.5%KCl+0.05%AN 內(nèi)的煤粉已經(jīng)完全沉淀于試管底部，且上部無漂浮煤粉。相較于蒸餾水和活性水壓裂液，漿液在靜置沉降3 h后，試管仍明顯處于渾濁狀態(tài)，且上部漂浮煤粉無法沉降。這是由于1.5%KCl+0.05%AN 具有極低的表面張力，從而改變了固液界面狀態(tài)，進(jìn)而對煤粉產(chǎn)生了潤濕作用。由于1.5%KCl +0.05%AN 作用后的煤粉顆粒有快速團(tuán)聚沉降的行為，因此稱1.5%KCl+0.05%AN 為團(tuán)聚型壓裂液(為簡便起見，下文用團(tuán)聚型壓裂液表述)。

1.2 直剪實(shí)驗(yàn)

1) 煤樣制備

取100～150 目煤粉，烘干后均分為18 份，依次加入蒸餾水、活性水壓裂液、團(tuán)聚型壓裂液，制備含液率為3%、6%、9%、12%、15%、18%、21% 的煤粉樣品，裝入密封袋中保存24 h。

2) 測試過程

采用ZJ 型應(yīng)變控制式直剪儀進(jìn)行直剪實(shí)驗(yàn)，使用常規(guī)鋼制環(huán)刀制備試樣，體積約為60 cm3。實(shí)驗(yàn)時(shí)，在不同的垂直載荷下，對試樣進(jìn)行等速剪應(yīng)變，通過測量系統(tǒng)測定出相應(yīng)的剪應(yīng)力和水平位移，得到不同的垂直載荷作用下破壞時(shí)的剪應(yīng)力，然后根據(jù)庫侖定律確定試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

3) 測試結(jié)果與分析

3 種液體處理后煤粉黏聚力變化如圖2 所示，通過實(shí)驗(yàn)可知：3 種液體處理后煤粉的黏聚力均隨含液率的增加呈現(xiàn)先緩慢上升，在18%左右達(dá)到峰值，隨后開始平穩(wěn)下降的趨勢。其中團(tuán)聚型壓裂液作用的煤粉黏聚力最強(qiáng)，活性水壓裂液次之，蒸餾水最弱，干燥煤粉幾乎沒有黏聚力。

圖2 3 種液體處理后煤粉黏聚力的變化Fig.2 Changes in cohesion of pulverized coal after treatment with three solutions

1.3 煤粉產(chǎn)出物理模擬實(shí)驗(yàn)

1) 實(shí)驗(yàn)儀器及材料

煤粉產(chǎn)出物理模擬裝置具體如圖3 所示。運(yùn)載流體選用蒸餾水、活性水壓裂液和團(tuán)聚型壓裂液，煤粉粒徑為100～150 目，煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)計(jì)為1%。支撐劑選用16/20 目(0.85～1.18 mm)天然石英砂顆粒，石英砂中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99.97 %，硬度為7，性脆無節(jié)理，密度為2.65 g/cm3。每次試驗(yàn)前將石英砂在高純蒸餾水中沖洗至無懸浮雜質(zhì)，鋪砂面積為20 cm×2.63 cm。

圖3 煤粉產(chǎn)出物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Visual simulation devices for pulverized coal transportation

2) 實(shí)驗(yàn)方法

①將支撐劑均勻鋪滿觀察區(qū)，接通實(shí)驗(yàn)管路并檢查氣密性。

② 接通電源，在煤粉溶液罐內(nèi)加入1 L 運(yùn)載流體(煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%)并放置于恒溫磁力攪拌器上，轉(zhuǎn)速為800 r/min，保持恒定。

③調(diào)整質(zhì)量流量計(jì)，設(shè)置相應(yīng)氣體流速。實(shí)驗(yàn)分別設(shè)置氣體驅(qū)替流速為100、200、300 mL/min。

④ 打開氮?dú)馄块y門，調(diào)整減壓閥，待質(zhì)量流量計(jì)示數(shù)穩(wěn)定后，接通觀察區(qū)進(jìn)水口，使氮?dú)怛?qū)替運(yùn)載流體進(jìn)入支撐裂縫。首次驅(qū)替無煤粉運(yùn)載流體，獲得無煤粉運(yùn)載流體通過支撐裂縫的滲透率；隨后驅(qū)替含1%煤粉的運(yùn)載流體，觀察煤粉在支撐裂縫內(nèi)的運(yùn)移情況，并記錄驅(qū)替產(chǎn)出液體的流量(當(dāng)出口處流速穩(wěn)定時(shí)開始計(jì)時(shí)，每250 mL 記錄一次)。

將多層建筑確定為木質(zhì)板材下一個(gè)增長領(lǐng)域，該委員會最近批準(zhǔn)了該實(shí)驗(yàn)室的擴(kuò)建，以便能夠測試3層建筑。去年，加拿大已批準(zhǔn)木材建筑可達(dá)6層，而在美國則為4層。該行業(yè)正在向更高更大的舉措發(fā)展。另一個(gè)預(yù)期的發(fā)展是混合建筑，特別是在商業(yè)建筑方面，工程木協(xié)會(APA)將再次采取協(xié)作立場。Elias先生指出：“我們的成員生產(chǎn)的產(chǎn)品將用于混合木材和其他木質(zhì)材料的木結(jié)構(gòu)建筑，以及混凝土和鋼材與木結(jié)構(gòu)板材覆板混合的建筑。這些方法已有效地用于高度和面積增加的商業(yè)建筑中，我們正在尋找其他有效結(jié)合這些產(chǎn)品的方法。”

⑤ 對驅(qū)替產(chǎn)出的液體進(jìn)行離心、過濾、烘干、稱量，獲得煤粉產(chǎn)出量。

⑥ 關(guān)閉氮?dú)馄块y門，清洗有機(jī)玻璃板及煤粉溶液罐，計(jì)算支撐裂縫導(dǎo)流能力傷害率，具體公式參見文獻(xiàn)[18]。

⑦ 更換驅(qū)替流速、運(yùn)載流體，重復(fù)以上步驟。

3) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

1.3.1煤粉產(chǎn)出量

驅(qū)替流速為100、200、300 mL/min 時(shí)的煤粉相應(yīng)產(chǎn)出量及累計(jì)產(chǎn)出量如圖4 所示。實(shí)驗(yàn)過程中，煤粉沉積于支撐劑顆粒表面(煤粉沉積)、支撐劑顆粒間的通道縮小(輕微堵塞)和煤粉堵塞支撐裂縫(嚴(yán)重堵塞)等3 個(gè)階段如圖5 所示。

圖4 不同驅(qū)替流速的煤粉產(chǎn)出量Fig.4 Output of pulverized coal at differentdisplacement flow rates

圖5 煤粉堵塞支撐裂縫的3 個(gè)階段Fig.5 Three stages of pulverized coal blockingsupporting fractures

氣體驅(qū)替流速為100 mL/min 時(shí)，活性水壓裂液煤粉產(chǎn)出量遠(yuǎn)高于其他兩種運(yùn)載流體，3 種運(yùn)載流體煤粉累計(jì)產(chǎn)出量均呈現(xiàn)線性增長趨勢，此時(shí)運(yùn)載流體攜帶煤粉運(yùn)移較為順暢，煤粉尚未堵塞支撐裂縫。

氣體驅(qū)替流速為200 mL/min 時(shí)，隨著煤粉沉積的累積，運(yùn)移通道逐漸縮小，活性水壓裂液、團(tuán)聚型壓裂液均在此流速下驅(qū)替產(chǎn)出的第3 杯液體的含煤粉達(dá)到最大值，隨后形成堵塞造成第4 杯含煤粉量開始下降。

1.3.2支撐裂縫導(dǎo)流能力傷害率

不同驅(qū)替流速下導(dǎo)流能力傷害率如圖6 所示。

圖6 不同驅(qū)替流速的導(dǎo)流能力傷害率Fig.6 Damage rate of conductivity at different displacement flow rates

氣體驅(qū)替流速為100 mL/min 時(shí)，支撐裂縫的導(dǎo)流能力傷害率變化范圍較小(0.6%～8.1%)，整體為：隨著驅(qū)替的持續(xù)進(jìn)行，支撐裂縫導(dǎo)流能力傷害率緩慢上升，其中活性水壓裂液傷害率大于其他運(yùn)載流體。

氣體驅(qū)替流速為200 mL/min 時(shí)，隨驅(qū)替產(chǎn)出液體量的增多，支撐裂縫導(dǎo)流能力傷害率增大。這是因?yàn)轵?qū)替流速增大，使得運(yùn)載流體攜帶的懸浮煤粉數(shù)量增多、粒徑增大，從而增大煤粉堵塞支撐劑顆粒間孔隙的概率，進(jìn)而降低支撐裂縫的導(dǎo)流能力。此時(shí)團(tuán)聚型壓裂液導(dǎo)流能力傷害率累計(jì)值分別與蒸餾水和活性水壓裂液導(dǎo)流能力傷害率分別相差24.4%和3.1%。

氣體驅(qū)替流速為300 mL/min 時(shí)，此時(shí)3 種運(yùn)載流體的支撐裂縫導(dǎo)流能力傷害率均增大，其中運(yùn)載流體為蒸餾水時(shí)的裂縫導(dǎo)流能力傷害率高于其他兩種運(yùn)載流體。在驅(qū)替產(chǎn)出的4 杯液體中，運(yùn)載流體為蒸餾水的支撐裂縫導(dǎo)流能力傷害率分別為團(tuán)聚型壓裂液的3.2、5.6、3.4、1.1 倍，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。團(tuán)聚型壓裂液和活性水壓裂液均在驅(qū)替產(chǎn)出第4 杯液體時(shí)的導(dǎo)流能力傷害率顯著增加，且團(tuán)聚型壓裂液導(dǎo)流能力傷害率增加斜率最大，活性水壓裂液次之，蒸餾水最小，但團(tuán)聚型壓裂液導(dǎo)流能力總體累計(jì)傷害率依然小于其他2 種運(yùn)載流體。此速度下團(tuán)聚型壓裂液導(dǎo)流能力傷害率累計(jì)值與蒸餾水和活性水壓裂液導(dǎo)流能力傷害率分別相差64.8%和14.9%。

2 團(tuán)聚型壓裂液煤粉防控作用機(jī)理

2.1 煤粉潤濕促使其團(tuán)聚沉降

通過煤粉沉降實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，團(tuán)聚型壓裂液能夠通過改變?nèi)軇┑慕缑鏍顟B(tài)，從而對煤粉產(chǎn)生潤濕作用，使煤粉迅速團(tuán)聚沉降，且團(tuán)聚型壓裂液液面上無懸浮煤粉，即可以將煤粉顆粒從液面“拽”入水中，并在重力作用下就地自行沉降聚集。沉降聚集后的煤粉由于受到顆粒接觸點(diǎn)上的黏聚力作用，使煤粉顆粒間不容易發(fā)生相對移動[19]，從而減少懸浮煤粉顆粒的數(shù)量，有效降低煤粉產(chǎn)出量和支撐裂縫導(dǎo)流能力傷害率。忽略影響較小的雙電層斥力、慣性力等，煤粉團(tuán)聚沉降后受力分析如圖7 所示。

圖7 煤粉顆粒受力[20]Fig.7 Force analysis of pulverized coal particles[20]

2.2 增大黏聚力抑制團(tuán)聚煤粉滾動

煤粉顆粒從靜止?fàn)顟B(tài)到開始變形流動有一個(gè)過程，這是煤粉顆粒具有一定強(qiáng)度造成的。直剪實(shí)驗(yàn)可以得出，隨著煤粉含液率增大，黏聚力呈現(xiàn)了先增大后減少的趨勢，但內(nèi)摩擦角的變化不大，團(tuán)聚型壓裂液的黏聚力高于蒸餾水和活性水壓裂液，這是由于團(tuán)聚型壓裂液是由親水(疏油)的、極性的基團(tuán)和親油(疏水)的、非極性的碳?xì)滏湶糠止餐瑯?gòu)成，且兩者位于表面活性劑分子的兩端，具有不對稱，能夠使煤顆粒之間的液橋力變大(煤中液體存在形式如圖8 所示)，而當(dāng)顆粒之間有液橋的存在時(shí)，范德華力小于顆粒之間的液橋力[8]。黏聚力增大，從而提高顆粒之間的黏聚性，使煤粉顆粒之間的黏聚力變大，抑制煤粉發(fā)生相對移動，減少煤粉產(chǎn)出量，減少卡鉆、修井的發(fā)生概率。

圖8 煤中液體的存在形式Fig.8 Existing form of the liquid in coal

2.3 抑制煤粉排出增透作用

團(tuán)聚型壓裂液能夠有效降低煤粉產(chǎn)出量，但驅(qū)替流速對支撐裂縫導(dǎo)流能力和煤粉產(chǎn)出量的影響要高于運(yùn)載流體的作用。3 種運(yùn)載流體均隨驅(qū)替流速增加，煤粉產(chǎn)出量呈現(xiàn)先逐步升高、后隨著堵塞情況的加劇逐步降低的趨勢。在設(shè)置合適的驅(qū)替流速條件下，團(tuán)聚型壓裂液因具有較低的表面張力，能夠使煤粉顆?？焖賵F(tuán)聚沉降，具有較高的黏聚力，避免了煤粉發(fā)生相對移動，促使團(tuán)聚型壓裂液能夠以高于其他2 種運(yùn)載流體的流速穩(wěn)定產(chǎn)出，有效避免了煤粉排出進(jìn)入排采系統(tǒng)中導(dǎo)致埋泵和卡泵的風(fēng)險(xiǎn)，能夠較好地維持排采的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

團(tuán)聚型壓裂液能夠減緩支撐裂縫導(dǎo)流能力傷害增加速率。當(dāng)驅(qū)替流速較低時(shí)(100 mL/min)，活性水壓裂液和團(tuán)聚型壓裂液具有較低的毛管壓力，支撐裂縫的導(dǎo)流能力整體傷害率變化范圍較小(0.6%～8.1%)；隨著驅(qū)替流速上升，煤粉沉積逐步累積，團(tuán)聚型壓裂液能夠?qū)⒚悍郾M快地團(tuán)聚、沉降，避免了煤粉顆粒對支撐裂縫主要通道的堵塞，有效減緩了支撐裂縫導(dǎo)流能力傷害增加速率，在200 mL/min 團(tuán)聚型壓裂液對支撐裂縫導(dǎo)流能力的傷害率與其他2 種運(yùn)載流體相差分別達(dá)到24.4%和3.1%，在300 mL/min 相差分別達(dá)到64.8%和14.9%，說明團(tuán)聚型壓裂液能夠有效緩解煤粉對支撐裂縫帶來的滲透率傷害，實(shí)現(xiàn)對煤粉的有效防控。

3 結(jié)論

a.團(tuán)聚型壓裂液由于具有極低的表面張力，改變了固液界面狀態(tài)，從而對煤粉產(chǎn)生了潤濕作用，促使煤粉團(tuán)聚沉降。

b.團(tuán)聚型壓裂液能夠提高煤粉顆粒之間的黏聚力，使團(tuán)聚的煤粉顆粒不易產(chǎn)生滾動，從而減少懸浮煤粉顆粒的數(shù)量，有效降低煤粉產(chǎn)出量和支撐裂縫導(dǎo)流能力傷害率，進(jìn)而減少卡鉆、修井的發(fā)生概率。

c.由于驅(qū)替流速對支撐裂縫導(dǎo)流能力和煤粉產(chǎn)出量的影響高于運(yùn)載流體的作用，因此必須在煤層氣井“緩慢”排采的前提下，團(tuán)聚型壓裂液才能夠?qū)崿F(xiàn)對煤粉的有效防控。