沁水盆地典型煤礦區(qū)煤的流速敏感性實(shí)驗(yàn)及控制機(jī)理.docx

1、第42卷第10期煤炭學(xué)報(bào)Vol.42No.102017年10月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYOct.2017孟召平，侯安琪，張鵬，等.沁水盆地典型煤礦區(qū)煤的流速敏感性實(shí)驗(yàn)及控制機(jī)理J.煤炭學(xué)報(bào),2017,42(10):2649-2656.doi：10.13225/ki.jccs.2017.0893MENGZhaoping.HOUAnqi,ZHANGPeng.etal.ExperimentalstudyonflowratesensitivityofcoalintypicalcoalminingareaofQinshuiBasinanditscontrolmechanismJ|

2、.JournalofChinaCoalSociety,2017,42(10)：2649-2656.doi:10.13225/ki.jccs.2017.0893沁水盆地典型煤礦區(qū)煤的流速敏感性實(shí)驗(yàn)及控制機(jī)理孟召平'七侯安虬張甥,郝海金2,武杰(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京100083；2.山西晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限貴任公司煤與煤層氣共采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)臉室，山西晉城048000)摘要：采用沁水盆地3個(gè)典型煤礦中、高煤階煤樣，開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)室煤樣流速敏感性實(shí)驗(yàn)，分析了不同流速條件下煤樣滲透率的變化規(guī)律，建立了煤儲(chǔ)層滲透性與流速之間的關(guān)系和模型，揭示了中、高煤階煤儲(chǔ)層流速敏感性

3、的控制機(jī)理。研究結(jié)果表明，煤樣滲透率隨流速發(fā)生變化,且存在一個(gè)臨界流速。在臨界流速之前隨著注入流量(或流速)的增加煤樣滲透率增加，當(dāng)流速超過(guò)臨界流速后，煤樣的滲透率隨著流體流速的增加反而減少。煤儲(chǔ)層流速敏感性主要受控于煤儲(chǔ)層物性和煤中速敏礦物。隨著煤儲(chǔ)層孔隙度、滲透率和流體流量的增高，煤儲(chǔ)層速敏損害率按對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系增高C實(shí)驗(yàn)煤樣黏土礦物占礦物質(zhì)含量為66.63%-99.89%,主要以高嶺石、伊利石為主，存在潛在的速敏傷害，速敏實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本區(qū)實(shí)臉煤樣存在不同程度的速敏損害，煤樣速敏損害程度由弱至中等偏強(qiáng)，臨界流速低。隨著煤中黏土礦物含量的增加，煤儲(chǔ)層速敏損害率也增高。在煤層氣井排采過(guò)程中，寺

4、河煤礦和西山煤礦煤層氣井排采降速應(yīng)為趙莊煤礦的6倍左右。關(guān)鍵詞：沁水盆地；煤儲(chǔ)層；流速敏感性;控制機(jī)理中圖分類(lèi)號(hào):P618.11文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：0253-9993(2017)10-2649-08ExperimentalstudyonflowratesensitivityofcoalintypicalcoalminingareaofQinshuiBasinanditscontrolmechanismMENGZhaoping,2,HOUAnqi',ZHANGPeng',HAOHaijin2,WUJie2(I.CollegeofGeosciencesandSurveyingE

5、ngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing)tBeijing1000839China；2.StateKeyjaboniloryofCoalandCBMCo-mining.ShanxiJinchengAnthraciteMiningGroupCompany.Ltd.Jinchcng0480001China)Abstract:ByusingmediumandhighrankcoalsamplesfromthreetypicalcoalminesinQinshuiBasin,anexperimentalstudyonflowrate

6、sensitivityhasbeencarriedout.Thepermeabilityvariationunderdifferentflowconditionsisanalyzedandtherelationshipmodelsbetweencoalreservoirpermeabilityandflowrateareestablished.Furthermore,thecontrolmechanismsofflowratesensitivityaboutmediumandhigh-rankcoalsarerevealed.Itisshownthatthecoalsamplepermeabi

7、lityvarieswiththeflowrate,andthereisacriticalflowvelocity.Beforethecriticalflowrate,withtheincreaseofinjectionflowrale(orvelocity),lhepermeabilityofcoalsampleincreases.Whenthevelocityexceedsthecriticalvalue,coalpermeabilitywilldecreasewiththeriseofinjectionflowrate.Theflowratesensitivityismainlycont

8、rolledbycoalphysicalpropertiesandflowratesensitiveminerals.Withtheincreaseofporosity,permeabilityandfluid收稿日期：2017-06-30修回日期：2017-09-03責(zé)任編輯：韓晉平基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41372163)；國(guó)家科技重大。項(xiàng)資助項(xiàng)H(2016ZX05067001-006)；山西省煤層氣聯(lián)合研究基金資助項(xiàng)目(2014012001)作者簡(jiǎn)介：孟召平(1963).男.湖南汨羅人.教授.博士生導(dǎo)師.博士°E-mail：mzpflowrateofcoalrese

9、noir,theflowsensitivedamagerateofcoalreservoirincreasesaslogarithmicfunction.Theclaymineralsintheexperimentalcoalsamplesaccountsfor66.63%-99.89%,andaremainlykaoliniteandillite.Soitindicatesthesecoalsexistpotentialflowratesensitivedamage.Theresultsofflowratesensitiveexperimentshowthatthecoalsamplesin

10、thisareahavedifferentdegreesofflowratesensitivedamage,andtheflowratesensitivedamagedegreeofcoalsampleisfromweaktomoderatestrong,thecriticalvelocityislower.Withtheincreaseofclaymineralcontentincoal,theflowsensitivedamagerateofcoalreservoirisalsoincreased.IntheprocessofCBMwelldrainage,pressuredroprate

11、ofSiheandXishanCoalMineshouldbeaboutsixtimesofthatofZhaozhuangCoalMine.Keywords:QinshuiBasin；coalreservoir；flowratesensitivity；controlmechanism煤儲(chǔ)層流速敏感性是影響煤層氣井產(chǎn)能的重要因素之一，在煤層氣井排采過(guò)程中排采強(qiáng)度過(guò)大不僅會(huì)造成壓裂砂的返吐，而旦會(huì)引起煤層激動(dòng)，使裂隙產(chǎn)生堵塞效應(yīng)，降低滲透率，妨礙煤層整體降壓，影響煤層氣開(kāi)采效果。因此，通過(guò)流速敏感性實(shí)驗(yàn)可以判斷開(kāi)始發(fā)生速敏現(xiàn)象的臨界流速，其大小對(duì)確定煤層氣井合理的排采工作制度具有理論和實(shí)際意義&

12、quot;刁。目前，巖芯速敏實(shí)驗(yàn)主要參考石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法（SY/T53582010），進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。關(guān)于儲(chǔ)層流速敏感性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算等方法對(duì)常規(guī)油氣儲(chǔ)層進(jìn)行了大量研究A',分析了儲(chǔ)層巖石礦物成分、喉道半徑及其分布形態(tài)對(duì)流速敏感性的控制；而對(duì)煤儲(chǔ)層流速敏感性實(shí)驗(yàn)研究相對(duì)較少。目前主要針對(duì)煤層氣井排采中流速敏感性問(wèn)題及影響因素開(kāi)展了一些研究，已取得了一定成果和認(rèn)識(shí)9-”，主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：通過(guò)煤儲(chǔ)層速流速敏感性實(shí)驗(yàn)，分析了外來(lái)流體對(duì)煤儲(chǔ)層可能造成的傷害程度，揭示了不同煤化程度煤均具有不同程度的流速敏感性特征;分析r影響煤儲(chǔ)層流速敏感性的主要因素

13、有：煤巖煤質(zhì)、煤的孔隙結(jié)構(gòu)和煤層氣井排采速度等，揭示了煤中礦物質(zhì)普遍存在高嶺石和伊利石等速敏性礦物，使煤儲(chǔ)層存在潛在的流速敏感性，當(dāng)煤儲(chǔ)層內(nèi)流體流速過(guò)高時(shí)，存在速敏傷害卬F；在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，并結(jié)合煤層氣井生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析，確定煤儲(chǔ)層臨界流速和煤層氣井排采初期的壓降幅度如HUANG,4J分析了影響鄭莊區(qū)塊3號(hào)煤儲(chǔ)層傷害因素，揭示了研究區(qū)煤儲(chǔ)層敏感性特征和控制機(jī)理，提出了相應(yīng)的保護(hù)措施。tao,5J對(duì)鄂爾多斯盆地東北部保德區(qū)塊煤樣進(jìn)行了流速敏感性實(shí)臆研究，揭示了低煤階煤流速敏感性及煤層氣井排采不同階段速敏傷害機(jī)理。這些研究為煤儲(chǔ)層流速敏感性研究奠定了基礎(chǔ)和條件。由于煤巖強(qiáng)度低、變形大，普遍存在流速

14、敏感性問(wèn)題，加之有關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，這方面研究還相對(duì)薄弱。筆者針對(duì)沁水盆地煤礦區(qū)煤層氣排采中存在的間題，開(kāi)展煤儲(chǔ)層流速敏感性實(shí)驗(yàn)研究，分析煤儲(chǔ)層滲透率隨流速變化的規(guī)律，揭示其控制機(jī)理，建立煤儲(chǔ)層流速敏感性評(píng)價(jià)方法，確定典型煤礦區(qū)煤儲(chǔ)層速敏損害程度和煤層氣井排采的臨界流速，為合理確定煤層氣井排采工作制度提供理論依據(jù)。1實(shí)驗(yàn)樣品及方法1.1實(shí)驗(yàn)樣品實(shí)驗(yàn)樣品來(lái)源于沁水盆地南部晉城礦區(qū)寺河煤礦（SH）、趙莊煤礦（ZZ）和沁水盆地西北部的西山煤礦（XS）的二登系山西組3號(hào)煤層。煤巖鏡質(zhì)組最大反射率（性）趙莊煤礦（ZZ）為2.33%2.36%,煤種為貧煤;寺河煤礦（SH）R"為2.74%,煤種為無(wú)

15、煙煤;西山煤礦（XS）RL為1.10%1.47%,煤種為肥煤和焦煤。宏觀煤巖類(lèi)型主要為光亮型和半亮型煤，具條帶狀與均一狀結(jié)構(gòu)。試樣煤體結(jié)構(gòu)主要為原生結(jié)構(gòu)。6塊樣品孔隙度為3.40%6.39%，平均5.09%，煤巖原始滲透率0.07xIO'15-6.91x10-3n?,平均為2.28x10"實(shí)驗(yàn)煤樣的工業(yè)分析結(jié)果和物性參數(shù)見(jiàn)表1。1.2實(shí)驗(yàn)方法為了分析煤層氣井排采降速對(duì)煤儲(chǔ)層滲透性的影響，進(jìn)行流速敏感性實(shí)驗(yàn)。本次實(shí)驗(yàn)中通過(guò)改變液體流量的變化，分析不同流速條件卜-煤樣滲透率的變化規(guī)律，建立煤儲(chǔ)層滲透性與水流速度之間的關(guān)系。由于外來(lái)液體流速的原因?qū)е旅簝?chǔ)層的微粒產(chǎn)生運(yùn)移，堵塞儲(chǔ)層內(nèi)

16、部孔隙-裂隙通道，造成煤儲(chǔ)層的滲透率降低的現(xiàn)象稱(chēng)為煤儲(chǔ)層的速敏效應(yīng)。煤儲(chǔ)層中普遍含有高嶺石和伊利石等流速敏感性礦物，具有潛在的流速敏感性問(wèn)題。采用的實(shí)驗(yàn)儀器為4LSY-1A型壓裂液傷害濾失儀（圖1）,主要裝置及實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示。表1實(shí)驗(yàn)煤樣的工業(yè)分析和物性參數(shù)Table1Proximateanalysisandphysicalparametersofexperimentalcoalsamples測(cè)試樣品編號(hào)試樣長(zhǎng)度/cm試樣直_i/cm煤樣物性煤的工業(yè)分析/%鏡質(zhì)組反射率也,/%備注孔隙度/%滲透率/I0-'5m2七"adSH-i5.262.543.400.073.3210

17、.987.5778.132.74無(wú)煙煤(致密)SH-27.192.544.010.243.3310.907.5478.232.74無(wú)煙煤(含裂隙)XS-14.432.545.260.631.079.7623.8065.361.10肥煤XS-24.502.545.140.790.8910.2724.0764.771.47焦煤ZZ-16.382.546.396.910.6613.7013.0272.622.33貧煤(含裂隙)ZZ-25.462.546.354.430.6413.4312.7073.232.36貧煤(含裂隙)圖14LSY-1A型壓裂液傷害濾失儀Fig.1Fracturingfluid

18、filtrationapparatusof4LSY-1A1一液壓泵;2中間容器;3豎井;4-壓力傳感器;J手動(dòng)加壓泵;6一巖芯夾持器;7械筒;8天平圖2主要裝置及實(shí)驗(yàn)流程Fig.2Maindeviceandexperimentalflowchart實(shí)驗(yàn)參照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法(SY/T53582010)進(jìn)行，由于煤儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性強(qiáng)，為消除應(yīng)力敏感性對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中恒定保持凈圍壓不變。實(shí)驗(yàn)步驟如下：(1) 為模擬煤儲(chǔ)層流體流動(dòng)方向與實(shí)際情況保持一樣，沿煤層層面方向鉆取圓柱型煤巖樣品。煤巖樣品的上下面與圓柱面都需要保持平整，同時(shí)上下面與圓柱面保持垂直。煤巖樣品的

19、直徑一般為2.54cm,理論上長(zhǎng)度應(yīng)大于直徑的1.5倍。(2) 在進(jìn)行儲(chǔ)層流速敏感性實(shí)驗(yàn)前,對(duì)煤巖樣品進(jìn)行處理，使得煤巖樣品達(dá)到飽和。(3) 煤樣取自煤礦地下深度300500m,因此在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持凈圍壓(凈圍壓=圍壓-驅(qū)替壓力/2)為4MPa。將飽和狀態(tài)的煤樣放入巖芯夾持器中，接著將夾持器的圍壓進(jìn)行調(diào)試，使數(shù)值達(dá)到5.0MPa,使煤樣入口處的壓力為2.0MPa。(4) 采用地層水作為流體進(jìn)行速敏試驗(yàn);并根據(jù)煤層氣井排采實(shí)際情況，依次按照0.1,0.25,0.50,0.75,1.0,2.0,3.0,4.0,5.0,6.0cmVmin的流量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。測(cè)定時(shí)等注入的液體流動(dòng)狀態(tài)達(dá)到平衡后，記錄儀器

20、上面的數(shù)據(jù)。(5) 當(dāng)滲透率比較小的非常致密的煤巖樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),如果液體注入量:沒(méi)有達(dá)到6.0cmVmin，而壓力梯度卻大于2MPa/cm時(shí),可停止實(shí)驗(yàn)。2流速敏感性評(píng)價(jià)參數(shù)根據(jù)達(dá)西定律，在實(shí)驗(yàn)設(shè)定的條件下注入各種與地層損害有關(guān)的液體或改變滲流條件(流速、凈圍壓等)，測(cè)定巖樣的滲透率及其變化，以判斷臨界參數(shù)及評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)液體及滲流條件改變對(duì)巖樣滲透率的損害程度。煤樣滲透率測(cè)定條件必須滿(mǎn)足達(dá)西定律的要求,考慮氣體滑脫效應(yīng)和慣性阻力對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響，選擇使用合理的壓力梯度或流速，計(jì)算服從達(dá)西定律的最大流速，其公式為V=3.5呻(1)pjK式中，K為流體的最大滲流速度,cm/s；K為巖樣滲透率,|im

21、2為測(cè)試條件下的流體黏度，MPas伸為巖樣孔隙度,；P為流體在測(cè)定溫度下的密度,g/cm3o流體在煤中滲流時(shí),其滲透率計(jì)算公式為x102(2)式中，K為煤中液體滲透率，10小r；乙為煤樣長(zhǎng)度,cm;4為煤樣橫截面積,cm2；P,為煤樣進(jìn)口壓力,MPa；/%為煤樣出口壓力，MPa；。為流量，即流體在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)煤樣的體積,cm3/mino(1) 實(shí)驗(yàn)流量與流速的換算實(shí)驗(yàn)過(guò)程中液體注入量與滲流速度，按以下公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換：14.4Q14.4Q/、«irr(p式中，。為流體滲流速度,m/d；r為煤樣半徑,cm。對(duì)于徑向流,流速與流量:Q的關(guān)系有2irrh(p(4)式中,人為煤樣長(zhǎng)度,cm。對(duì)

22、于實(shí)際煤層氣井:根據(jù)式(4),當(dāng)r取最小值，即在井壁處r=rw(rw為井半徑,cm)時(shí)，滲流速度t；達(dá)到最大值即14.4。*=2嘰h(p為了限制煤儲(chǔ)層中的流速不超過(guò)煤心臨界流速,在煤層氣井排水降壓過(guò)程中應(yīng)使gWc,由式(5)得排水房為Q=2e/伊c/14.4(6)式中M為煤芯臨界流速,2d。(2) 煤樣滲透率的變化率煤樣滲透率的變化率反映由流速敏感性引起的滲透率變化情況，計(jì)算式為Dn=x100%(7)式中,為不同流速下所對(duì)應(yīng)的煤樣滲透率變化率,；匕為煤樣滲透率(實(shí)驗(yàn)中不同流速下所對(duì)應(yīng)的滲透率)，10小m2；X；為初始滲透率(實(shí)驗(yàn)中最小流速下所對(duì)應(yīng)的煤樣滲透率)10小m20(3) 速敏損害率和臨

23、界流速速敏損害率是指不同流速下所對(duì)應(yīng)的煤樣滲透率變化率最大值,其計(jì)算公式為Dv=max(Dl2,Pr3,-,Dt.J(8)式中，m為速敏損害率,；仇2,如，七為不同流速下對(duì)應(yīng)的滲透率損害率,。煤儲(chǔ)層不同于砂巖儲(chǔ)層，具有較低的抗壓強(qiáng)度和彈性模量和較高的泊松比，因此，針對(duì)煤儲(chǔ)層的特點(diǎn),煤儲(chǔ)層臨界流速是指隨流體流速增加,煤樣滲透率出現(xiàn)連續(xù)下降，且下降幅度超過(guò)10%所對(duì)應(yīng)的前一個(gè)點(diǎn)的流速。速敏損害程度通過(guò)速敏損害率來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)分類(lèi)見(jiàn)表2。表2速敏損害程度評(píng)價(jià)指標(biāo)Table2Evaluationindexofflowratesensitivitydamage速敏損害率/%損客程度D.G無(wú)5<

24、nW30弱Q<D,W50中等偏弱50<Dr<70中等偏強(qiáng)。,>70強(qiáng)3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析通過(guò)煤樣流速敏感性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).將其繪制滲透率與流量之間的關(guān)系曲線，如圖3所示。由圖3可以看出：(1) 6個(gè)實(shí)驗(yàn)煤樣均隨著注入流量(或流速)的增大煤樣滲透率先增大,然后呈現(xiàn)減小的規(guī)律，且存在一個(gè)臨界流速。在臨界流速之前隨著注入流量(或流速)的增大煤樣滲透率先增大，在臨界流速后，煤樣的滲透率隨著流體的流速的增大反而在減小。(2) 不同煤礦區(qū)煤樣臨界流速不同，其中寺河煤礦2個(gè)樣品臨界流量0.751.00mT/min,臨界徑向流速6.26-7.57m/d,平均6.92m/d；西山媒礦2個(gè)樣品臨界流

25、量臨界流量1.0mL/min,臨界徑向流速7.74-7.80m/d,平均7.77m/d；趙莊煤礦2個(gè)樣品臨界流量0.25mL/min,臨界徑向流速1.11-1.30m/d,平均1.21m/d。(3) 3個(gè)煤礦煤儲(chǔ)層均存在不同程度的速敏傷害,其中寺河煤礦2個(gè)樣品速敏損害率13.25%40.38%,其速敏損害程度為弱一中等偏弱；西山煤礦2個(gè)樣品速敏損害率41.27%47.10%,其速敏損害程度為中等偏弱；趙莊煤礦2個(gè)樣品速敏損害率52.73%56.43%,其速敏損害程度為中等偏強(qiáng)，反映出趙莊煤礦煤樣速敏損害率高于西山煤礦煤樣，西山煤礦煤樣高于寺河煤礦煤樣,且速敏損害率高的煤儲(chǔ)層,其臨界流速低(表3

26、)。(4) 對(duì)于沁水盆地南部晉城礦區(qū)寺河煤礦和趙莊煤礦，山西組3號(hào)煤層厚度取6m；西山煤礦2號(hào)煤層厚度取3m,煤層氣井井徑為139.7mm。根據(jù)實(shí)驗(yàn)徑向臨界流速，按式(6)對(duì)3個(gè)研究區(qū)實(shí)際煤層氣井排水量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明(表3)：在煤層氣井排水降壓過(guò)程中，寺河煤礦煤層氣井排水地應(yīng)控制在6.616.78mVd、趙莊煤礦煤層氣井排水量應(yīng)控制在1.86-2.18mVd和西山煤礦煤層氣井排水量應(yīng)控制在5.28-5.36m3/do5050522110ooo00(。o.o.o.o.ZE.2昭愚燃5.O5.O5.O53.3.zz1La聲-0_蓼第歡SH-I媒樣1,AA11_0.81.01

27、.2流景/(mL,min-1)XS-1煤樣L0L5Z0501234567流量/(mLmin。32109nnnnooooozeb一咨索»o.SH-2煤樣654321o.o.o.o.o.o.1.52.02.5流Jft/(mLmin1)XS-2煤樣234567流量/(mL,min'1)ZZ-2煤樣012345流量7(mLmin-1)編號(hào)速敏損害率/%臨界流速煤層氣井排水量/3<-'）損害程度評(píng)價(jià)線性/(mLmin-1)徑向流/（m（T'）SH-140.380.757.576.78中等偏弱SH-213.251.006.266.

28、61弱XS-141.271.007.745.36中等偏弱XS-247.101.007.805.28中等偏弱ZZ-l56.46中等偏強(qiáng)ZZ-252.730.251.302.18中等偏強(qiáng)圖3煤樣滲透率與流之間的關(guān)系曲線Fig.3Relationshipcurvesbetweenpenneabilityandflowofcoalsamples表3煤樣速敏損害Table3Flowratesensitivitydamageofcoalsamples速敏實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由于這3個(gè)煤礦煤儲(chǔ)層特征不同，其速敏損害程度為:趙莊煤礦西山煤礦寺河煤礦。在煤層氣井排采過(guò)程中,寺河煤礦和西山煤礦煤

29、層氣井排采降壓速度應(yīng)為趙莊煤礦的6倍左右（表3）。4控制機(jī)理分析造成速敏傷害的原因是煤中微粒在喉道中的運(yùn)移聚集、堵塞喉道從而使?jié)B透率大幅度下降所致。一方面，煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中微粒運(yùn)移在各作業(yè)環(huán)節(jié)中都可能發(fā)生，它主要取決于流體動(dòng)力的大小，流速過(guò)大或壓力波動(dòng)過(guò)大都會(huì)促使煤中微粒運(yùn)移。煤儲(chǔ)層中微粒產(chǎn)生包括煤層中原有的自由顆粒（構(gòu)造煤或壓裂改造形成的煤粉）和可自由運(yùn)移的黏土顆粒、受水動(dòng)力沖擊脫落的顆粒和由于黏土礦物水化膨脹、分散、脫落并參與運(yùn)移的顆粒等;另一方面，從煤儲(chǔ)層孔喉分布特點(diǎn)來(lái)看，喉道以容易造成堵塞的片狀較細(xì)喉-細(xì)喉為主，當(dāng)儲(chǔ)層內(nèi)流體流速過(guò)高時(shí)，可能存在速敏傷害。因此，煤儲(chǔ)層物性（孔隙度和滲透率

30、）、流體流速和黏土礦物含量及其賦存狀態(tài)等因素對(duì)煤儲(chǔ)層流速敏感性產(chǎn)生重要影響。（1）煤儲(chǔ)層孔隙度、滲透率和流體流鼠對(duì)煤儲(chǔ)層流速敏感性的影響煤儲(chǔ)層為孔隙-裂隙型儲(chǔ)層，與常規(guī)儲(chǔ)層相比，其滲透率較低。煤中微粒隨流體運(yùn)動(dòng)而運(yùn)移至孔喉處,導(dǎo)致單個(gè)顆粒堵塞孔隙或幾個(gè)顆粒架橋在孔喉處形成橋堵,并攔截后來(lái)的顆粒造成堵塞，使儲(chǔ)層受到傷害。統(tǒng)計(jì)表明，隨著煤儲(chǔ)層孔隙度、滲透率和流體流最的增高，煤儲(chǔ)層速敏損害率按對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系增高（圖4）,其關(guān)系式為流量/(cn?min'1)/九=fllnx+660.50.y=41.451Inx-24.551/火2=0.4631/40Z30/Z20/10.0246孔隙度/%(a)

31、860._50.40/:y=5.86871nx+43.l9330Z?M).438820-10.0246涔透率/I0W(b)860.5040Z30.Z/y=ll.348lnx+33.89320、；度=0.45151/10-01234567(c)圖4速敏損害率與孔隙度、滲透率和流體流量;的關(guān)系F'ig.4Relationshipbetweenflowsensitivedamagerateanddieporosity,permeabilityandflow%/胳施罪游敖%/曉袍釁游艱式中/為煤儲(chǔ)層孔隙度（%）、滲透率（10小m2）或流體流量（cmVmin）；a和b為與煤儲(chǔ)層孔隙度、滲透率或流

32、體流量相關(guān)的系數(shù),其取值見(jiàn)表4。表4煤樣速敏損害率與物性參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析Table4Statisticalanalysisofflowratesensitivedamagerateandphysicalparametersofcoalsamples物性參數(shù)系數(shù)a系數(shù)b相關(guān)系數(shù)肥孔隙度41.45-24.550.46滲透率5.8743.190.44流體流量11.3533.890.45其原因：煤儲(chǔ)層孔隙度和滲透率相對(duì)較高的煤樣，煤樣中流體流速相對(duì)較大，或者在流體流量（流速）較高的條件R隨著驅(qū)替壓力的增大，流體流量相應(yīng)增加，當(dāng)流速上升到一定程度時(shí)，即達(dá)到臨界流速時(shí),流體將攜帶煤儲(chǔ)層裂縫中顆粒運(yùn)移，由于煤

33、儲(chǔ)層裂隙非均質(zhì)性較強(qiáng)，當(dāng)滲流方向與煤儲(chǔ)層裂隙垂宜或大角度斜交時(shí),易造成微粒堵塞喉道，使煤儲(chǔ)層滲透率降低,出現(xiàn)速敏現(xiàn)象，因此，隨著煤儲(chǔ)層孔隙度、滲透率和流體流后的增高，煤儲(chǔ)層速敏損害率按對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系增高。當(dāng)然，對(duì)于孔隙-裂隙發(fā)育好的儲(chǔ)層，當(dāng)滲流方向與煤儲(chǔ)層裂隙平行或小角度斜交時(shí),其連通性好,能夠提供顆粒運(yùn)移的空間也會(huì)較大，顆粒要形成一定規(guī)模沉降聚集的難度也會(huì)相對(duì)提高，不易引起煤儲(chǔ)層的速敏效應(yīng)。由于地質(zhì)歷史時(shí)期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用,煤儲(chǔ)層被大量的節(jié)理裂隙所切割，流體在煤中的滲流，其本質(zhì)是流體在裂隙及其相互交錯(cuò)形成的裂隙網(wǎng)絡(luò)中滲流。假設(shè)一組平行裂隙的滲透率表達(dá)式為3K（=華cos2a（10）12/jls式中

34、，為裂隙中的滲透率;e為裂隙的平均開(kāi)度;y為流體的容重；s為裂隙的平均間距；a為裂縫面與壓力梯度軸的夾角，（。）“為與裂隙表面粗糙度相關(guān)的一個(gè)常量:;F為描述裂隙連通性的一個(gè)常量。方程（10）表明，煤儲(chǔ)層滲透性主要受煤中裂隙的發(fā)育程度和裂隙升度所控制。煤儲(chǔ)層滲透率的大小與裂縫張開(kāi)度的3次方成正比例關(guān)系，與裂隙的平均間距成反比。由于外加應(yīng)力和流體孔隙壓力變化導(dǎo)致裂隙張開(kāi)度發(fā)生變化，滲透率也隨之變化，使煤儲(chǔ)層流速敏感性受到影響。如隨著煤層埋藏深度的增加，煤儲(chǔ)層地應(yīng)力增高，在地應(yīng)力的作用下，裂縫逐漸趨F閉合，煤儲(chǔ)層滲透率急刷卜降，煤儲(chǔ)層臨界流速降低，煤儲(chǔ)層速敏損害率也相應(yīng)減小。（2）黏土礦物及其賦存

35、狀態(tài)對(duì)煤儲(chǔ)層流速敏感性的影響本區(qū)實(shí)驗(yàn)煤樣黏土礦物占礦物質(zhì)含ht為66.63%-99.89%,平均為83.66%（表5）。結(jié)合前人對(duì)沁水盆地南部煤中黏上礦物成分分析可知.本區(qū)煤儲(chǔ)層中黏土礦物主要以高嶺石、伊利石為主，M中高嶺石為26%-62%，平均45.44%,伊利石為13%-49%，平均28.28%。衰5煤巖成分測(cè)試結(jié)果Table5TestresultsofcoalpetrographycompositionSH-I90.141.927.9482.7917.210SH-290.141.927.9481.6818.32XS-I91.043.8745.0966.6333.370XS-274.392

36、2.682.9399.89Q11ZZ-I86.866.166&9784.3315.67ZZ-280.226.71613.()686.6313.37煤巖樣亂顯微煤巖組成鏡質(zhì)組情成祖殼質(zhì)組礦物質(zhì)«±r物煤巖鑒定碳酸ik黃鐵礦其他本文實(shí)的。文獻(xiàn)實(shí)貌（a）河礦020406080100120»i：r物含敗/%圖5速敏損仇:率與黏礦物含ht關(guān)系Fig.5Krlalionshipflowsrnsilivr<lanuig<aratean<lclayminerulcontrnt因燥儲(chǔ)層中高嶺石、伊利石等速敏性礦物絕對(duì)含量低，煤儲(chǔ)層中礦物質(zhì)含ht2.93%1

37、3.06%,平均為7.32%（表5）,使得JI：構(gòu)成穩(wěn)定橋堵的較大粒徑的微粒較少.因而使?jié)撛诘乃倜粜詡?#39;害誠(chéng)弱。除r黏土礦物含ht及其成分對(duì)煤儲(chǔ)層流速敏感性造成影響外.煤中礦物航存狀態(tài)也會(huì)造成一定影響。從掃描電鏡可以看出，煤巖表面凹四不平，存在大ht的煤基質(zhì)顆粒和顆粒狀的黏上礦物（圖6）。等（b）西山礦(c)趙莊礦圖6煤祥礦物賦存狀態(tài)分布Eig.6Distribution|>allrmofminenil<x<urrvn<eofcoalsamples統(tǒng)計(jì)&明,煤儲(chǔ)儲(chǔ)層的速敏損將率與黏土礦物含量之間呈正相關(guān)關(guān)系（圖5）。這說(shuō)明煤中黏土礦物的存在是引起煤儲(chǔ)層速

38、敏傷害的內(nèi)在因素。煤儲(chǔ)層中普遍存在速敏性礦物，其中高嶺石相對(duì)含ht較高.其形態(tài)呈分散、破碎的書(shū)頁(yè)狀分布于孔隙之中，孔隙中還可見(jiàn)針狀、纖維狀伊利石以及膠結(jié)較弱的方解石等礦物，當(dāng)煤儲(chǔ)層內(nèi)流體流速過(guò)高時(shí)，存在潛在的速敏傷告.因此.隨若黏土礦物含ht的增加，煤儲(chǔ)層速敏損害率也增高。河煤礦和西山煤礦煤儲(chǔ)層中黏1：礦物主要呈微粒狀、團(tuán)塊狀分布在煤巖&面，煤中裂隙未被填充或部分充填,煤儲(chǔ)層的速敏損害率相對(duì)較低；而趙莊煤礦煤儲(chǔ)層中存在大ht的煤基質(zhì)顆粒和顆粒狀的黏土礦物出裂隙多被黏土礦物填充，主要為高嶺石。在煤層氣井排采過(guò)程中.這些顆粒物從骨架上脫落，并在裂隙-孔隙內(nèi)隨流體帶動(dòng)易堵塞喉道，導(dǎo)致煤儲(chǔ)層滲

39、透性大大降低，速敏損害率相對(duì)較大當(dāng)黏土礦物填充煤儲(chǔ)層的裂隙時(shí).煤儲(chǔ)層發(fā)生速敏效應(yīng)會(huì)更為嚴(yán)頁(yè)。5結(jié)論(1) 煤樣滲透率隨流速發(fā)生變化，旦存在一個(gè)臨界流速。煤樣滲透率在臨界流速之前隨著注入流最(或流速)的增加煤樣滲透率增加，當(dāng)流速超過(guò)臨界流速后,煤樣的滲透率隨著流體的流速的增加反而減少。(2) 煤儲(chǔ)層流速敏感性主要受控于儲(chǔ)層物性和煤中速敏礦物，隨著煤儲(chǔ)層孔隙度、滲透率和流體流量的增高,煤儲(chǔ)層速敏損害率按對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系增高；煤儲(chǔ)儲(chǔ)層的速敏損害率與黏土礦物含量之間呈正相關(guān)關(guān)系，隨著黏土礦物含量的增加.儲(chǔ)層速敏損害率也增高。(3)實(shí)驗(yàn)煤樣黏土礦物占礦物質(zhì)含量為66.63%99.89%，平均為83.66%,

40、主要以高嶺石、伊利石為主，存在潛在的速敏傷害。速敏實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，沁水盆地3個(gè)煤礦實(shí)驗(yàn)煤樣都存在不同程度的速敏傷害，速敏損害程度由弱至中等偏強(qiáng),臨界流速低。(4) 3個(gè)煤礦的煤儲(chǔ)層特征不同，其速敏損害程度存在一定的差異性，其速敏損害程度表現(xiàn)為：趙莊煤礦西山煤礦寺河煤礦;臨界流速表現(xiàn)為：趙莊煤礦西山煤礦和寺河煤礦。在煤層氣井排采過(guò)程中，寺河煤礦和西山煤礦煤層氣井排采降壓速度應(yīng)為趙莊煤礦的6倍左右，因此根據(jù)煤儲(chǔ)層特征,對(duì)不同區(qū)制定不同排采工作制度是必要的。參考文獻(xiàn)(References):1 張永平，楊艷藥，唐新毅，等.沁南地區(qū)高煤階煤儲(chǔ)層流速敏感性及影響因素：J.煤田地質(zhì)與勘探,2015.43(4

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