CN106014398A - 煤层气开发中煤粉生成与运移模拟实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤层气开发中煤粉生成与运移模拟实验方法，包括选择实验仪器；采集煤岩样品，制备模拟实验所用人造煤砖；制备驱替溶液，用于模拟煤层气储层中运移的流体；制备支撑剂充填层，用于模拟煤储层的裂隙通道与压裂效果；设计实验方案，用于模拟煤层气开发中煤粉的生成与运移；收集模拟实验排出液中的煤粉，进行煤粉产出特征分析；定量分析不同实验条件下煤砖内渗透率变化。该模拟实验方法从煤储层地质因素和煤层气工程因素出发，对煤粉生成的层位来源、影响因素与产出特征等进行分析，实现煤储层地质特征与煤层气排采过程的物理模拟，得到煤粉生成与运移规律，为煤层气开发中煤粉产出的有效防治提供实验数据支撑。

Description

煤层气开发中煤粉生成与运移模拟实验方法

技术领域

本发明涉及煤层气开发中煤粉生成与运移模拟实验方法，属于煤层气地质与开发领域。

背景技术

储层开发中均存在不同程度的固相微粒产出问题。在煤层气开发中，由于煤岩具有较低的弹性模量与较高的泊松比，故其更易受到储层应力变化与钻井、射孔、压裂及排采等工程扰动的影响而导致煤岩骨架平衡与组分结构的破坏，最终引起煤粉等固相微粒的生成与运移。煤粉是有机煤岩组分与无机矿物组分的混合物，且具有复杂的形态与粒度特征。煤粉在储层裂隙中的运移会造成有效裂隙通道的堵塞与储层渗透能力的降低，即储层伤害；若煤粉随地层流体进入煤层气井生产系统，当其大量沉积、附着与聚集在抽油泵等设备后，会造成泵漏、卡泵、埋泵等排采故障。煤粉产出相关的储层伤害与排采故障严重制约着煤层气井产气能力的提高与排采生产的连续稳定。

煤层气井地面产出液中的煤粉是煤储层生成的煤粉随地层流体经由绕丝筛管、抽油泵与油管等排采设备自下而上运移至地面的结果。因此，煤层气井产出液所含煤粉是储层产出的煤粉长距离运移与分选的产物，其未能准确反映井下煤粉生成与聚集程度，具有一定的滞后性。这为研究煤粉的产出规律与提出有效防治措施增加了困难。

现有技术中，采用不同实验方案与测试装置分析了煤粉运移对煤岩渗透率、支撑剂充填层导流能力的伤害影响，存在的技术问题如下所述：

(1)未能系统分析煤岩物性对煤粉产出的影响作用；

(2)未能物理模拟煤粉在储层中的生成与运移过程；

(3)未能对比研究煤粉的产出特征等。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种研究煤层气开发中煤粉生成与运移的室内物理模拟实验方法，以正演方式还原再现煤储层中煤粉的产出过程，可以研究具有不同物性特征的煤岩在不同排采条件下的煤粉生成运移规律及其造成的储层伤害，可以分析煤粉产出强度、粒度、组分、形态等特征。

煤层气开发中煤粉生成与运移模拟实验方法，包括以下主要步骤：

(1)选择实验仪器；

(2)采集煤岩样品，制备模拟实验所用人造煤砖；

(3)制备驱替溶液，用于模拟煤层气储层中运移的流体；

(4)制备支撑剂充填层，用于模拟煤储层的裂隙通道与压裂效果；

(5)设计实验方案，用于模拟煤层气开发中煤粉的生成与运移；

(6)收集模拟实验排出液中的煤粉，进行煤粉产出特征分析；

(7)定量分析不同实验条件下煤砖内渗透率变化。

根据以上实验结果，提出防治煤粉产出的有效措施。

具体的方法为：

(1)选择模拟实验所用的仪器设备

根据模拟实验目的，所选用的仪器需能够实现煤粉的生成与运移过程，需包括数据处理系统、样品制备系统、泵送驱替系统、物理模拟系统、煤粉收集系统、煤粉分析系统与电力动力系统。适用于本发明的仪器设备包括酸蚀裂缝导流仪、岩心驱替测试仪等。根据所选实验仪器，制备相应的人造煤砖。

(2)制备模拟实验所用的人造煤砖

原煤岩样的选择是分析不同煤储层地质因素对煤粉生成与运移影响的基础。为了分析煤岩特征与煤粉产出的关系，选用物性特征存在差异的原煤岩样，如具有不同的煤岩组分、煤体结构或变质程度的原煤岩样，将其破碎、筛分与压制，制作为人造煤砖。为了分析煤岩-煤中夹矸-煤层围岩的复合层状结构与煤粉产出的关系，同时选用煤岩与泥岩(或碎屑岩)，分别进行破碎、筛分与压制，制作为煤岩与夹矸(或围岩)分层叠置的人造煤砖。

(3)制备模拟煤层气储层中运移的流体所用的驱替溶液

为了分析地层流体的成分差异对煤粉产出的影响，制备相同浓度下的不同成分的驱替溶液。为了分析地层流体的浓度特征对煤粉产出的影响，制备相同成分下的不同浓度的驱替溶液。

(4)制备支撑剂充填层，用于模拟煤储层的裂隙网络与压裂效果；

在两块人造煤砖间铺置水力压裂所用的石英砂颗粒，制备支撑剂充填层，以此形成有效裂隙系统与流体渗流通道。

(5)设计模拟实验方案，用于模拟煤层气开发中煤粉的生成与运移

针对不同的煤粉产出影响因素分析，应用控制变量法，确定模拟实验的恒量与变量，设计相应的实验方案。

(6)收集模拟实验排出液中的煤粉，进行煤粉产出特征分析

收集不同模拟实验中排出液所含煤粉，应用电子天平、激光粒度仪、偏光显微镜、扫描电镜、XRD等分析煤粉的产出质量、粒度、组分与形态等特征。

(7)分析煤粉产出导致的储层伤害

应用实验仪器的数据处理系统，得到煤砖及支撑剂充填层的渗透率变化规律，定量分析不同实验条件下煤粉产出特征与储层伤害的关系。

运用上述实验方法，开展相应模拟实验，根据得到的实验结果，提出防治煤粉产出的有效措施。具体根据煤岩组分、煤体结构、煤层结构、溶液性质、驱替强度与围压波动等影响因素下的煤粉产出特征，提出缓解煤粉生成与加速煤粉运移的地质-工程-排采综合防治措施。

本发明提供的煤层气开发中煤粉生成与运移模拟实验方法，从煤储层地质因素和煤层气工程因素出发，对煤粉生成的层位来源、影响因素与产出特征等进行分析，实现煤储层地质特征与煤层气排采过程的物理模拟，得到煤粉生成与运移规律，从而为煤层气开发中煤粉产出的有效防治提供实验数据支撑。

具体实施方式

结合实施例说明本发明的具体实施方式。

根据鄂尔多斯盆地东南缘韩城区块煤层气开发现状，采集该区煤层气主采煤层的煤岩样品，利用本发明提供的方法开展了煤粉生成与运移模拟实验，查明了煤层气开发中排水强度、应力波动、煤岩组分与煤体结构等因素对煤粉产出强度、粒度、组分及形态特征的影响作用。

利用本发明提供的方法，进行了驱替流速与围压强度的变化对煤粉产出特征的影响分析：

(1)采用国产HXDL-Ⅱ型酸蚀裂缝导流仪作为实验仪器。

(2)采集的原煤岩样为鄂尔多斯盆地东南缘韩城区块太原组11#煤。

(3)通过将原煤岩样破碎、筛分与压制，制作为人造煤砖。

首先，采用密封式粉碎机将原煤岩样进行破碎，使岩样由块状破碎至颗粒状。

然后，收集破碎后的颗粒状原煤岩样，使用100目标准样品筛对颗粒状原煤岩样进行筛分。选用过筛后的颗粒状原煤岩样作为制备人造煤砖的原料，其粒径范围小于150μm。

最后，使用过筛后的原煤岩样进行人造煤砖的压制。煤砖的尺寸与形状以模拟实验所用酸蚀裂缝导流仪的导流室为准。压制成型后的煤砖面积为64.5cm²，直线长度为139.7mm，两端半圆的直径为38.1mm。具体操作如下：使用电子天平，称取35g过筛后的原煤岩样置于烧杯中；向烧杯中加入少量标准盐水后搅拌均匀；将混有标准盐水的原煤岩样倒入导流室内；原煤岩样的上下两侧分别铺设金属垫片，以此作为夹持器；使用酸蚀裂缝导流仪的油缸压力机向导流室的原煤岩样施加20MPa的围压作用，持续时间为20分钟；围压作用结束后，取出成型后的原煤岩样，即为人造煤砖。

(4)制备的驱替溶液为矿化度8％的标准盐水。所用驱替溶液的配方质量比为NaCl:CaCl₂:MgCl₂.6H₂O＝7:0.6:0.4。

(5)制备煤砖间的支撑剂充填层。将20-40目的石英砂颗粒平铺于两块煤砖之间，在围压作用下，石英砂颗粒将会嵌入煤砖中，并形成具有一定延展性的有效裂隙通道，以此模拟煤层气开发中的压裂造缝效果。支撑剂充填层所用石英砂颗粒的质量为35g。

(6)设计模拟实验方案。根据实验研究目的，设置恒量与变量。本实验需要对比分析驱替流速与围压强度对煤粉产出特征的影响，由于使用了相同的原煤岩样，故实验条件分为两组，其一为围压强度稳定(5MPa)，改变驱替流速(3ml/min-5ml/min-7ml/min)；其二为驱替流速稳定(5ml/min)，改变围压强度(5MPa-10MPa-15MPa)。这两组实验分别采用相同的煤砖，每一实验条件下均连续测试120分钟。

(7)收集(6)中每一实验条件下的排出液，对其中所含煤粉进行过滤与烘干，进行驱替流速与围压强度的变化对煤粉产出特征的影响分析。

第一，应用电子天平，称重烘干后的煤粉，得到煤粉产出强度的变化规律。

第二，应用激光粒度仪，对生成的煤粉进行粒度测试，得到煤粉产出粒度的变化规律。

第三，应用偏光显微镜，对由煤粉制成的粉煤光片进行镜下显微组分定量分析，得到煤粉组分含量的变化规律。

第四，应用扫描电镜，观察不同实验条件下生成的煤粉显微形态，得到煤粉形态特征的变化规律。

(8)分析模拟实验过程中煤砖间裂隙渗透率的变化趋势，结合(7)中煤粉产出特征分析结果，定量分析煤粉的生成与运移过程造成的储层伤害。

(9)根据步骤(7)、步骤(8)中的实验结果，得到煤粉产出的临界速率与组分特征。针对煤层气生产实践，提出排采制度优化与高效洗井洗泵等煤粉防治措施。

此外，根据研究目的，同样可以分析煤岩组分、煤体结构与煤层结构等因素对煤粉产出的影响。具体实施方式与前述一致，仅需改变原煤岩样的选用标准即可。

基于模拟实验结果，提出了有效的煤粉防治措施，降低了煤粉产出相关设备故障的发生率。根据煤粉产出特征与驱替流速及围压强度的关系，采用排采制度精细化措施后，煤层气井出现卡泵故障的次数明显下降，平均修井周期由230天延长至365天，减少因煤粉产出造成的修井作业费达35.8％。根据煤粉产出组分特征，采用酸化洗井后，6口煤层气井的平均修井周期由9个月延长为11个月，减少因煤粉产出造成的修井作业费达18.2％。

Claims (2)

1.煤层气开发中煤粉生成与运移模拟实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)选择实验仪器；

(2)采集煤岩样品，制备模拟实验所用人造煤砖；

(3)制备驱替溶液，用于模拟煤层气储层中运移的流体；

(4)制备支撑剂充填层，用于模拟煤储层的裂隙通道与压裂效果；

(5)设计实验方案，用于模拟煤层气开发中煤粉的生成与运移；

(6)收集模拟实验排出液中的煤粉，进行煤粉产出特征分析；

(7)定量分析不同实验条件下煤砖内渗透率变化。

2.根据权利要求1所述的煤层气开发中煤粉生成与运移模拟实验方法，其特征在于，包括以下过程：

(1)选择模拟实验所用的仪器设备

根据模拟实验目的，所选用的仪器需能够实现煤粉的生成与运移过程，包括数据处理系统、样品制备系统、泵送驱替系统、物理模拟系统、煤粉收集系统、煤粉分析系统与电力动力系统；

(2)制备模拟实验所用的人造煤砖

为了分析煤岩特征对煤粉产出的影响，选用具有物性差异的原煤岩样，将原煤岩样破碎、筛分与压制，制作为人造煤砖；为了分析煤层结构对煤粉产出的影响，同时选用煤岩与泥岩或碎屑岩，分别进行破碎、筛分与压制，制作为煤岩与夹矸或围岩分层叠置的人造煤砖；

(3)制备模拟煤层气储层中运移的流体所用的驱替溶液

为了分析地层流体的成分差异对煤粉产出的影响，制备相同浓度下的不同成分的驱替溶液；为了分析地层流体的浓度特征对煤粉产出的影响，制备相同成分下的不同浓度的驱替溶液；

(4)制备支撑剂充填层，用于模拟煤储层的裂隙网络与压裂效果

在所述的两块人造煤砖间铺置水力压裂所用的石英砂颗粒，制备支撑剂充填层，以此形成有效裂隙系统与流体渗流通道；

(5)设计模拟实验方案，用于模拟煤层气开发中煤粉的生成与运移

针对不同的煤粉产出影响因素分析，应用控制变量法，确定模拟实验的恒量与变量，设计相应的实验方案；

(6)收集模拟实验排出液中的煤粉，进行煤粉产出特征分析

收集不同模拟实验中排出液所含煤粉，应用实验仪器分析煤粉的产出质量、粒度、组分与形态等特征；

(7)分析煤粉产出导致的储层伤害

应用实验仪器的数据处理系统，得到煤砖及支撑剂充填层的渗透率变化规律，定量分析不同实验条件下煤粉产出特征与储层伤害的关系。