本论文以位于鄂尔多斯盆地东南缘的韩城煤层气田为研究区,以煤层气开发地质学、煤田地质学、煤岩学、岩石力学、渗流力学与相似模拟学等理论为基础,通过采用理论分析、资料统计、样品测试、模拟实验与生产实践等研究方法,进行了煤层气开发中以煤粉为主的固相微粒的产出分析、显微分析、生成模拟与防治措施研究。在查明研究区内煤层气开发目标煤层的厚度埋深、组分含量、煤层结构与围岩类型等基础上,揭示了煤储层固相微粒的生成机理与层位、显微组分与形态、主控因素及其导致的储层与生产伤害;开展了煤储层固相微粒生成的模拟实验,分析了构造煤发育程度、水岩反应作用与层间差异压降对固相微粒产出的控制作用;得出了煤储层固相微粒生成与运移的空间差异性与时间阶段性,建立了煤储层固相微粒产出的综合防治措施体系,提出了监测示功图预警煤粉相关井下故障的定量防治方法。根据煤岩物性测试分析与测井解释数据统计,查明了研究区内煤层气开发目标煤层的组分含量、煤层厚度、埋深情况、煤层结构与围岩类型。目标煤层为山西组3#煤层、太原组5#煤层与11#煤层。通过对研究区内17块煤岩样品进行显微组分分析可知,三套煤层所含有机煤岩组分均以镜质组为主,其次为惰质组;无机矿物组分以粘土矿物为主,含少量黄铁矿。基于研究区内64口煤层气井的测井解释数据统计,3#煤层平均厚度为2.2m,以发育中厚煤层为主,平均埋深为548m,以简单煤层结构为主,顶板以泥岩、砂质泥岩、泥质砂岩、砂岩等为主,底板以泥岩、炭质泥岩、砂质泥岩等为主;5#煤层平均厚度为3.2m,以发育中厚煤层与厚煤层为主,平均埋深为576m,含夹矸程度高,顶板以细砂岩、泥岩、泥质砂岩、砂质泥岩等为主,底板以泥岩为主;11#煤层平均厚度为7.6m,整体发育厚煤层,平均埋深为619m,煤层结构复杂,大多含有两层或三层夹矸,顶板主要为石灰岩、泥岩、炭质泥岩、粉砂岩等,底板以泥岩为主。基于含煤岩系的层状结构特征,进行了煤储层固相微粒生成与运移的理论分析。研究表明,煤储层固相微粒的生成是多组分、多层位、多因素的复杂过程,其生成机理包括力学机理与化学机理。力学机理为钻井、射孔、压裂与排采对煤层-煤中夹矸-煤层围岩造成的应力机械破坏与压力变化诱导。化学机理为煤层-煤中夹矸-煤层围岩中敏感性组分与外来不配伍性流体之间的水岩反应。煤储层固相微粒产出来源为煤层-煤中夹矸-煤层围岩的复合体,故其类型包括煤粉颗粒、泥质颗粒、砂质颗粒等。通过对研究区内11口煤层气井产出煤粉进行显微组分分析可知,以煤粉为主的固相微粒成分主要为粘土矿物、镜质组、惰质组、黄铁矿与石英,其平均含量百分比分别为50.9%、24.5%、18.2%、6.3%与0.1%。煤储层固相微粒产出的影响因素包括煤储层物性静态地质因素与煤层气开发动态工程因素,前者主要从岩层组分、煤层结构、构造煤发育与煤层顶底板岩性等方面决定了固相微粒产出的物质基础与层位来源;后者则表现为不同煤层气开发工程对煤层-煤中夹矸-煤层围岩的物理与化学破坏。煤储层固相微粒的生成与运移会导致储层渗透能力降低与井下井间排采设备故障。应用扫描电镜对原位煤岩、泥岩与碎屑岩的显微组构进行了对比观察,分析了煤储层固相微粒在原位岩层内的赋存形式与产出位置。煤岩中镜质组的应力敏感性与粘土矿物的流体敏感性会加剧固相微粒的产出,且构造应力作用下形成的张性裂隙与剪性裂隙等会造成煤岩结构破坏,连同裂隙充填物的脱落运移,会导致固相微粒的生成。钻井液、压裂液等外来流体注入煤层后,以粘土矿物为主要成分的煤中夹矸与泥岩类围岩会受到水岩反应而生成泥质颗粒或煤泥。钻具打磨、压裂破坏、排采冲蚀与层间差异压降会对碎屑岩的骨架结构造成多重破坏影响,这会加剧煤层气开发中固相微粒的产出。通过开展煤粉流态产出物理模拟实验,查明了构造煤发育程度对煤粉产出规律的影响。该实验所用煤岩样品为3#煤、5#煤及11#煤的原生结构煤与碎粒煤,实验装置为酸蚀裂缝导流仪。基于型煤样品、压裂砂造缝与驱替溶液的制备,进行了两组物理模拟实验,即围压恒定-驱替流速改变与驱替流速恒定-围压改变。结果表明,在相同实验条件下,原生结构煤的煤粉生成强度较低,而碎粒煤则可生成数倍于原生结构煤的煤粉。在围压恒定、驱替流速渐增的条件下,3#碎粒煤的煤粉阶段产出增长倍数分别为4.3倍与7.6倍;而3#原生结构煤则仅为50%与20%。驱替流速的增大会使碎粒煤受到更为严重的结构破坏与生成更多的煤粉,故碎粒煤对驱替流速的升高更加敏感。在驱替流速恒定、围压渐增的条件下,3#碎粒煤的煤粉阶段产出量呈下降趋势,而3#原生结构煤未见这一趋势。围压强度的增大会使碎粒煤内裂隙通道堵塞或闭合,故碎粒煤生成的煤粉会运移受阻而难以产出,故围压波动对碎粒煤的伤害程度更强。应用激光粒度仪对生成的煤粉进行粒度测试表明,原生结构煤产出的煤粉包括细小的原生煤粉与粒度较大的次生煤粉,故其产出煤粉的粒度分布区间相对较广;而碎粒煤内裂隙通道会在流体运移与围压波动影响下出现收缩或闭合,这使其中细小煤粉易于运移,而粒度偏大的煤粉则难以启动,故碎粒煤产出煤粉的粒度分布相对集中。应用扫描电镜对生成的煤粉进行显微形态观察表明,原生结构煤产出的煤粉以块状、柱状为主,圆度呈棱角状;碎粒煤产出的煤粉以次圆状、圆状为主。应用油浸反射偏光显微镜对生成的煤粉进行显微组分分析表明,构造煤发育程度对煤粉成分影响不甚明显。随着驱替流速与围压强度的增大,煤岩中粘土矿物的流体敏感性与镜质组的应力敏感性会使生成的煤粉中含有较多的粘土矿物与镜质组。通过开展固相微粒生成的水岩反应实验,查明了外来流体与岩石的水岩反应对煤储层固相微粒生成运移的影响。该实验选用含有夹层的煤岩作为实验岩心样品,实验装置为单相液流岩心驱替平台系统,使用浓度分别为0.4%、1.2%与2.0%的KCl溶液来模拟外来流体,并在岩心表面铺置玻璃珠层来模拟流体运移通道。结果表明,KCl溶液的浓度决定着水岩反应的强度,影响着岩心中粘土矿物的水敏与速敏效应及固相微粒的生成过程。KCl溶液的浓度越低,岩心中粘土矿物越易于脱落与分散,越能加剧固相微粒的大量生成与远距运移,其导致的储层伤害即为岩心间玻璃珠层渗透率的波动下降。KCl溶液浓度的升高会减弱固相微粒的生成强度及其对孔隙通道的堵塞程度,进而使渗透率伤害有所降低。在KCl溶液浓度由0.4%依次增长至1.2%与2.0%后,渗透率降低幅度则由30%逐渐降低至28%与14%。通过开展固相微粒生成的压差诱导实验,查明了煤层气开发中层间差异压降对煤储层固相微粒生成的影响。该实验选用澳大利亚苏拉特盆地北部的泥岩与粉砂岩作为夹层岩样,实验装置为单相气流岩心驱替平台系统。通过制备特殊的树脂塑型夹层薄片,开展了8组高低压差氮气岩心驱替测试。结果表明,在气相压差作用下,夹层岩样会生成固相微粒。其原因为层间压降在岩样内部造成的驱动作用力会使岩样发生显微破裂与矿物颗粒的平衡失稳,从而导致固相微粒随气体流动而产出。相比于低压差,高压差作用下生成的固相微粒平均粒径相对较小,其原因可能与岩样内矿物颗粒的胶结类型及颗粒间结合力有关。随着固相微粒的产出,夹层岩样渗透率有所升高,但渗透率变化趋势会受到夹层岩性、厚度及压差强度的影响。相比于粉砂岩,泥岩对压差增强的敏感性相对较高,当压差由0.5MPa增长至4.0MPa后,泥岩渗透率增长幅度由50%提升至1.7倍,而粉砂岩渗透率增幅相对较小。随着压差作用增强,夹层岩样的厚度越大,其压降面的岩石破碎程度越高,这使得更多的固相微粒生成与夹层渗透率的显著提升。在煤储层地质物性与煤层气开发工程的综合影响下,煤储层固相微粒的生成与运移具有空间差异性与时间阶段性的双重特征。根据这一双重特征,建立了地质预测预防、储层改造缓解、排采生产控制与工艺设备治理的综合防治措施体系。基于韩城地区煤层气开发实践,探讨了示功图监测在防治煤粉生成运移的可行性,对比分析了煤粉相关井下故障的典型示功图的形态特征,提出了应用示功图预警煤粉相关井下故障的定量参数,即卸载线滞后幅度R与载荷线偏差夹角θ。依据R与θ的大小,可对相应的井下故障进行等级划分,这有助于查明煤层气井内固相微粒的聚集程度与采取行之有效的治理措施。结合研究区内生产实例,对排水不畅与卡泵故障中的示功图监测预警措施进行了应用效果评价。