煤层气论文.docx

煤粉的产生及防治一、煤粉的产生机理煤粉颗粒粒径变化范围较大,从1~ 2mm 到约 20 目不等, 大部分甚至更细, 在水中呈悬浮态,煤层产出的呈灰色或深灰色, 煤粉颗粒几乎不可见, 长时间静置后可见深灰色糊状沉淀。煤层中产出的煤粉主要包括煤层缝隙中本来的煤粉颗粒和煤体骨架破坏产生的煤粉两种。其中煤层缝隙中本来存在的煤粉胶结性弱, 当储层缝隙中有一定的流体流动时,在流体的拖曳力作用下较容易从煤储层中随流体流入井筒; 煤体骨架破坏产生的煤粉主要是由于煤储层煤体骨架发生剪切破坏和拉伸破坏而产生。煤层基质内部裂缝发育,本来就存在大量的煤粉。煤岩本身较脆、质软,在上覆岩层压力及地质运动条件下极易产生裂缝, 产生裂缝的同时必然伴随着细小颗粒煤粉的产生, 此种煤粉不可避免, 只能通过相应的排采冲洗工艺降低其影响。此外煤粉产生与煤岩成分组成密切相关, 由于成煤环境及构造演化的差异, 煤岩组成、性质千差万别, 例如沁水盆地南部 3 号煤层底部广泛发育一套软煤层, 其物质组成、结构特征与上部的原生结构煤差异明显,其中黏土矿物是其重要组成部分, 同时也是煤粉的重要来源, 对煤储层渗透性影响极大,沁水盆地南部樊庄区块煤岩组分测试结果显示, 煤粉中黏土矿物含量较煤芯中高约 30% ,软煤中黏土矿物含量明显偏高。黏土矿物主要有高岭石、伊利石、绿泥石和伊/ 蒙混层矿物,其中以高岭石和伊利石为主。高岭石和伊利石通过运移堵塞渗流通道, 极大降低煤储层渗透性, 由于高岭石集合体对骨架颗粒附着力很差, 同时各高岭石晶体之间结合力也很弱,在高速流体的剪切应力作用下,不仅使高岭石集合体从骨架颗粒上脱落, 使集合体被打成碎片, 而且使这些碎片在孔隙内随流体移动易堵塞喉道,而伊利石主要以片状、发丝状、卷曲片状分布于粒间孔隙内或颗粒表面, 使孔隙在原来的基础上变成大量的微孔隙, 并使流体在孔隙中的通道变得曲折, 渗透性大大降低。同时,软煤结构易破碎,形成的煤粉远远多于原生结构煤。这就解释了软煤层原生煤粉远远超过原生结构煤层的原因。应力状态改变导致煤体基质破裂产生煤粉是另一重要原因, 包括煤体骨架的剪切破坏和拉伸破坏。剪切破坏机理: 造成剪切破坏的力学机理是煤体骨架所遭受到的剪应力超过其固有的抗剪切强度,如式( 1 )所示,其中井筒周围最先遭到剪切破坏。形成破坏的主要原因是煤层气排采过程中储层压力的衰减或生产压差过大, 如果煤储层能量得不到及时补充或生产压差超过煤体骨架的抗剪切强度, 都会造成煤体骨架应力平衡失稳, 从而形成剪切破坏。则: P e -P o= σ≥σ s(1) 式中 P e ——煤储层的上覆层压力, MPa ; P o ——煤储层孔隙压力, Mpa; σ——煤体骨架产生的有效应力, Mpa; σ s ——煤体骨架抗剪切强度, Mpa。拉伸破坏机理: 在煤层气开采过程中, 流体由煤储层渗透到井筒中, 在流体渗透过程中与煤层颗粒产生摩擦, 流速越大, 摩擦力越大, 因此施加在煤粉颗粒表面的拖曳力也越大, 即煤粉颗粒前后的压力梯度越大。在井筒附近的压力梯度和流体的摩擦力作用下, 煤粉颗粒承受拉伸应力作用。当此应力超过煤粉颗粒的抗拉强度时, 煤粉颗粒就发生脱落破坏,如图 1 所示: 图1 拉伸破坏微观模型示意图图2 给出了简单的摩擦机理示意图: 图2 拉伸破坏示意图通过对煤体骨架破坏机制的分