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我国煤层气开发地质条件复杂,开发过程中在储层改造和流体压差作用下,易产生煤粉,煤粉产出会造成储层裂隙堵塞,影响渗流和降压效果,最终导致煤层气井产量较低。目前,对不同排采阶段煤粉对不同尺寸裂隙渗透能力伤害特征的认识不足,以及储层裂隙中液/气/固三者之间的作用关系的研究极少。针对上述问题,本论文以沁水盆地柿庄地区为研究对象,采用物理模拟、实验测试、统计分析和数学模型计算等方法,查明了研究区原生煤粉源赋存特征和煤粉在裂缝中的产出规律,揭示了煤粉沉淀对裂缝渗透性能的影响特征和气泡携煤粉运移机理,并探讨了煤粉产出的影响因素,以期为煤粉的合理控制提供理论依据和技术指导。查明了研究区煤粉赋存特征及煤粉产出规律。煤粉的生成贯穿煤层气勘探开发的全过程,褶皱发育区煤粉的赋存长度多数在2-4 m,最长可以达10 m,厚度通常为2-5 cm。断层附近的煤粉粒径大小分布特别广泛,粒径较小的煤粉主要成片状或层状分布,断层上盘的煤粉带呈水平发育,其厚度约为0.5m,长度2 m。在断层的下盘,断层面及其共轭节理形成的近三角形区域内往往聚集大量的煤粉,厚度约为5 cm。钻井压裂工程和排采工作产生的为次生煤粉,在煤层气排采早期可随地下水产出。研究区可划分为5个煤粉发育特征分区,分别为煤粉发育复杂区、煤层底部发育煤粉区、煤粉不发育区、煤粉较少发育区和煤层顶底发育煤粉区。柿庄南区块的煤层气井初次产粉多在见气之前,而柿庄北区块多在见气之后。产出煤粉的有机组分含量高,以镜质组和惰质组为主;无机矿物以黏土矿物,黄铁矿和石英为主,比原始煤粉矿物含量高。产出煤粉粒径大小分布在0.4-3300μm,煤粉粒径分布呈现出单峰型和双峰型两种类型,且不同排采时间的煤层气井产出煤粉粒径具有明显的差异。产出的煤粉颗粒形态主要有片状、扁平状、块状、柱状和球状等。产煤粉井排采阶段可划分为液-固两相流、液-气-固相流、气-液-固相流和气相流四个阶段,其中液-固两相流和液-气-固相流两个阶段为主要产煤粉期。基于自主设计的实验装置,模拟了不同粒径的煤粉在不同裂缝宽度、煤粉悬液度和注入流速条件下的产出特征,揭示了液-固相流阶段和液-气-固相流阶段煤粉产出规律。在液-固相流阶段,裂缝宽度越宽,煤粉越容易产出;较低和较高的煤粉悬液浓度均不利于煤粉的产出,当浓度达到1.5‰时,产出量达到最大值,煤粉的沉淀量随着浓度的增大呈现出逐渐增大的趋势;较低或较高的流速都可能导致煤粉颗粒大量沉积,当注入流速为5.0 mL/min时,煤粉的沉积量最大,在流速为2.5和7.5 mL/min时煤粉产出相对较高。在煤层气生产过程中适度的产出煤粉应将产水量控制在一定的范围内,实验结果表明合理的流速为7.5 mL/min。在液-气-固相流阶段,随着裂缝宽度的增加,煤粉的产出量同样呈现出增大的趋势,沉淀量在裂缝宽度为0.1 mm时达到最大值。产出量和沉淀量特征随着煤粉浓度的变化趋势与液-固相流阶段相同,浓度达到1.5‰时,产出量达到最大值。当注入流速为5.0 mL/min时,煤粉的沉积量最大,在流速7.5 mL/min则煤粉产出相对较高。在物理模拟实验的基础上,查明了煤粉产出对储层裂缝渗透率的影响特征,在液-固相流阶段,小于120μm的煤粉对渗透性损伤程度较大,损伤率在70%至95%之间;渗透率损失速率集中在15和60 m D/h之间,表明在液-固相流阶段,煤粉对裂缝损速度较快。在液-气-固相流阶段,液相渗透率演化特征呈现出逐渐降低和先稳定后逐渐降低两种变化趋势;气相渗透率演化特征较为复杂,说明该阶段的煤粉产出特征更加复杂。基于火柴棍模型和平板理论建立了裂缝渗透率演化数学模型,计算结果表明,裂缝液相渗透率随时间的演化特征较为单一,均随着煤粉注入时间的延长呈现出逐渐降低的趋势;同时煤粉刚侵入到裂缝时,裂缝的渗透性能呈现出快速降低的变化特征,表明煤粉侵入能够造成储层渗透率的快速降低。因此,在煤层气排采过程,应尽量避免煤粉的沉降所导致储层渗透性的快速降低。基于煤粉悬浮、AFM原子力、表面润湿性和气泡对煤粉黏附实验以及研究区地质特征,探讨了液-固相流阶段和液-气-固相流阶段煤粉产出的影响因素。煤粉颗粒的悬浮率随着粒径的减小呈现出增大的趋势。AFM原子力实验结果表明,随着煤岩的光亮程度的增加,煤的粗糙度减小,煤粉表面越粗糙,越容易与其它煤粉颗粒发生碰撞和沉降;在液-固相流阶段,煤粉颗粒表面的黏附力越大,煤粉颗粒在裂缝中受到的引力作用较强,启动难度也就越大;在液-气-固相流阶段,煤粉颗粒表面的黏附力越大,煤粉颗粒与气泡间的作用就越复杂。在液-固相流阶段,由于暗淡煤和半暗煤的润湿性较高,容易随水产出;在液-气-固相流阶段,煤层裂缝中煤粉颗粒能否产出受气泡的影响较大,光亮煤和半亮煤组成的亲水性较差的煤粉粒容易随气体或气泡一起产出。煤粉产出浓度随着构造曲率和储层压力的增大逐渐增大,随着碎粒+糜棱结构煤厚度的增大呈现出先增大后减小的趋势。通过气泡对煤粉的黏附实验,查明了气泡对煤粉运移的控制机理,气泡的产出能够影响煤粉的运移轨迹,甚至能够黏附煤粉一起运移;气泡对煤粉的黏附效率随着煤粉与气泡的碰撞角度的增大呈现出逐渐减小的趋势,随着煤粉密度的增大而减小,随着煤粉颗粒粒径的增大逐渐减小的趋势,表明煤粉颗粒粒径越大,气泡对煤粉的黏附能力越弱;随着气泡的增大,黏附效率呈现出逐渐增大的趋势,表明气泡越大对煤粉的黏附能力越强,即煤层气井近井地带的气泡的携粉能力大于远井处。