趙 政，倪小明,2，劉澤東，吳 翔

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000; 2.中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層(頁(yè)巖)氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000; 3.陜西陜煤榆北煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000; 4.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100011)

查明煤層氣井排采過(guò)程煤粉運(yùn)移引起的煤層裂縫導(dǎo)流能力變化特征可以為煤層氣井合理排采工作制度的制定提供參考[1-2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)單相水驅(qū)替條件下的煤粉運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了大量的研究。有學(xué)者通過(guò)使用煤粉濃度傳感器分析了煤粉的形成機(jī)理[3]，并借助裂縫導(dǎo)流儀進(jìn)行了大量物理模擬實(shí)驗(yàn)[4-7]，通過(guò)變驅(qū)替流速、圍壓大小等條件研究了煤粉產(chǎn)出量對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的影響，發(fā)現(xiàn)煤粉產(chǎn)出量與驅(qū)替流速呈正相關(guān)、與圍壓呈負(fù)相關(guān);在此基礎(chǔ)上，其他學(xué)者基于煤粉顆粒在煤巖通道和井筒中的受力狀態(tài)，建立了不同粒徑煤粉在裂縫中啟動(dòng)臨界流速[8-9]和在井筒中自由沉降的數(shù)學(xué)模型[10-13]，發(fā)現(xiàn)煤粉啟動(dòng)臨界流速和井筒中自由沉降速度隨煤粉粒度減小而減小，當(dāng)煤粉粒徑小于0.2 mm時(shí)，煤粉產(chǎn)出量與流速呈正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)粒徑在0.2～0.3 mm時(shí)，煤粉產(chǎn)出量不隨流速變化[14];另有學(xué)者以滲透率為著手點(diǎn)，研究不同煤粉粒徑、不同流速以及不同縫寬條件下煤粉運(yùn)移狀態(tài)與滲透率的關(guān)系[15-17]，發(fā)現(xiàn)煤粉的脫落增加了煤層的孔隙度和滲透率,而煤粉的沉積堵塞降低了煤層的孔隙度和滲透率，煤粉產(chǎn)出量與煤巖滲透率下降率成正比，且在初期對(duì)滲透率傷害較大，驅(qū)替一定時(shí)間后滲透率下降速度減慢。

這些研究成果為煤層氣單相水流階段的排采管控提供了理論依據(jù)。但煤層氣井排采時(shí)，既有單相水流，也存在著氣/水兩相流，實(shí)驗(yàn)研究氣/水兩相驅(qū)替煤粉時(shí)的裂縫導(dǎo)流能力變化能為該排采相態(tài)下的防煤粉措施制定提供理論基礎(chǔ)。為此，筆者采用自制的氣-液-固三相驅(qū)替煤粉裝置，進(jìn)行氣/水兩相驅(qū)替煤粉過(guò)程氣相、液相滲透率變化實(shí)驗(yàn)，并基于建立的氣/水滲流模型得出了氣/水兩相驅(qū)替煤粉引起的樹(shù)脂-煤芯柱樣內(nèi)裂縫導(dǎo)流能力的衰減特征。

1 實(shí)驗(yàn)材料與研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與主要儀器

1.1.1實(shí)驗(yàn)材料制備

(1)煤粉準(zhǔn)備。實(shí)驗(yàn)所用的煤粉來(lái)自山西省長(zhǎng)平礦。將現(xiàn)場(chǎng)采集的煤塊粉碎后使用不同粒級(jí)的篩子把煤粉顆粒篩選為40～60,60～80,80～100,100～150,150～200,>200目6種不同粒徑的煤粉，每種粒徑煤粉準(zhǔn)備200 g。

(2)樹(shù)脂-煤芯柱樣制作。柱樣制作時(shí)，考慮到我國(guó)煤層原始滲透率普遍較低，煤層氣開(kāi)發(fā)時(shí)多進(jìn)行水力壓裂等措施進(jìn)行儲(chǔ)層改造[18-22]，若直接在原始煤塊上鉆取煤柱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，需要的驅(qū)替壓力較大、驅(qū)替時(shí)間長(zhǎng)、煤粉產(chǎn)出少甚至不會(huì)有煤粉產(chǎn)出，與現(xiàn)場(chǎng)煤粉在壓裂后煤層裂縫中的運(yùn)移情況存在一定偏差。為了更好地模擬現(xiàn)場(chǎng)情況，本次實(shí)驗(yàn)利用透明膠帶將若干長(zhǎng)約20 mm，寬約10 mm，高約5 mm的小煤磚均勻纏繞至近似φ25 mm×55 mm的煤芯，將煤芯放置于內(nèi)壁涂有高級(jí)潤(rùn)滑脂的φ50 mm×100 mm鋼制模具正中間部位，把配好的環(huán)氧樹(shù)脂混合膠倒入模具中至基本與煤芯等高后，將模具置于通風(fēng)良好處晾曬，72 h后用橡膠錘取出樹(shù)脂-煤芯柱樣并用砂紙將柱樣兩端磨平，使樹(shù)脂-煤芯柱樣高度為50 mm(若煤芯與塑料膠帶間存在空隙，用少量軟膠描邊密封)，如圖1所示。

1.1.2氣-液-固三相驅(qū)替模擬實(shí)驗(yàn)原理

氣-液-固三相驅(qū)替模擬裝置主要由高壓氣瓶、氣動(dòng)泵、真空泵、中間容器、三軸夾持器(內(nèi)徑為50 mm)、壓力計(jì)、氣體流量計(jì)、液體流量計(jì)、電腦、煤粉收集器和若干管線等組成。其中高壓氣瓶、氣動(dòng)泵等用來(lái)提供模擬所需的動(dòng)力;中間容器用來(lái)盛放煤粉-礦井水的混合液;三軸夾持器里放置樹(shù)脂-煤芯柱樣;壓力計(jì)、氣體流量計(jì)等采集實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的壓力、氣體流量數(shù)據(jù);煤粉收集器用來(lái)收集驅(qū)替過(guò)程中的煤粉(實(shí)驗(yàn)中也用來(lái)記錄液體流量)。裝置連接示意如圖2所示。

圖1 樹(shù)脂-煤芯柱樣Fig.1 Resin-coal core sample

圖 2 氣-液-固三相驅(qū)替模擬實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Experimental setup of gas-solid-liquid three phase flooding simulation

其驅(qū)替原理為:將需要驅(qū)替的混合液裝入中間容器內(nèi)，與此同時(shí)打開(kāi)六通閥門(mén)上部的輸氣管路。高壓氣體通過(guò)氣體減壓閥、氣體流量計(jì)，并通過(guò)六通閥門(mén)與液-固相流體混合，一起注入樣品容器內(nèi)。

1.2 研究方法及測(cè)試步驟

1.2.1研究方法

首先進(jìn)行無(wú)煤粉條件下氣/水在樹(shù)脂-煤芯柱樣中的滲流實(shí)驗(yàn)，作為空白樣，得出樹(shù)脂-煤芯柱樣在無(wú)煤粉條件下氣、水流動(dòng)規(guī)律。然后在幾乎相同初始驅(qū)替壓力下，分別進(jìn)行6種不同粒徑(40～60,60～80,80～100,100～150,150～200,>200目)煤粉氣/水兩相驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，根據(jù)計(jì)算得到的液相滲透率、氣相滲透率及儀器記錄的驅(qū)替水壓、驅(qū)替氣壓隨驅(qū)替時(shí)間的變化，分析在驅(qū)替不同粒徑煤粉時(shí)氣體和礦井水的滲流規(guī)律差異。

基于氣/水兩相驅(qū)替不同粒徑煤時(shí)氣體和礦井水的滲流模型，將樹(shù)脂-煤芯柱樣內(nèi)復(fù)雜裂縫簡(jiǎn)化為一條水平等高裂縫，根據(jù)柱樣在單相水驅(qū)替時(shí)的平均滲透率及平板理論計(jì)算樹(shù)脂-煤芯柱樣內(nèi)原始裂縫的縫寬，結(jié)合擬合得到的氣相滲透率與裂縫縫寬的公式，定量描述氣/水兩相驅(qū)替不同粒徑煤粉時(shí)氣體流動(dòng)占據(jù)的裂縫縫寬、液體流動(dòng)占據(jù)的裂縫縫寬及煤粉封堵的裂縫縫寬隨驅(qū)替時(shí)間的變化規(guī)律，并通過(guò)氣、液流動(dòng)占據(jù)裂縫總縫寬的變化規(guī)律來(lái)表征裂縫在氣/水兩相驅(qū)替煤粉時(shí)的導(dǎo)流衰減特征。

實(shí)驗(yàn)加載的圍壓為4 MPa，軸壓為2 MPa，實(shí)驗(yàn)溫度為25 ℃。

1.2.2實(shí)驗(yàn)步驟

(1)混合液配置。分別把6種不同粒徑的煤粉與礦井水混合，配置成質(zhì)量濃度為0.05 g/mL左右的煤粉-礦井水混合液300 mL，并準(zhǔn)備無(wú)煤粉的礦井水300 mL，備用。

(2)裝樣。在中間容器內(nèi)注入配置好的煤粉-礦井水混合液(或無(wú)煤粉礦井水)，將制作好的樹(shù)脂-煤芯柱樣用超聲波清洗干燥后裝入三軸夾持器中。

(3)氣密性檢查。連接管路，打開(kāi)各通道閥門(mén)，由氦氣瓶向中間容器注入氣體，中間容器將氣壓轉(zhuǎn)變?yōu)樗畨簜鬏斨裂b置內(nèi)各壓力表，水壓達(dá)到2 MPa穩(wěn)定后關(guān)閉管路各閥門(mén)，憋壓1 h，管路中各壓力表壓力變化小于5%時(shí)即可認(rèn)定裝置氣密性良好，關(guān)閉管路各閥門(mén)準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)。反之，利用滴肥皂水的方法檢查管路連接處并將漏氣點(diǎn)重新連接，直至達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。

(4)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。打開(kāi)氦氣瓶口安全閥、六通閥門(mén)上部的輸氣管路，高壓氣體通過(guò)氣體減壓閥、氣體流量計(jì)、六通閥門(mén)進(jìn)入三軸夾持器。打開(kāi)閥門(mén)，氦氣驅(qū)動(dòng)中間容器上部混合液經(jīng)過(guò)六通閥門(mén)與氣體混合并一起注入三軸夾持器的煤樣中(先通氣再通水防止混合液在驅(qū)替前直接進(jìn)入氣體管道，堵塞氣路或氣體流量計(jì)，實(shí)驗(yàn)前1 h氣體流量計(jì)有連續(xù)示數(shù)認(rèn)為實(shí)驗(yàn)合格)。實(shí)驗(yàn)停止產(chǎn)水前每隔1 h需上下翻轉(zhuǎn)震蕩裝有混合液的中間容器，減小煤粉大量沉淀造成的實(shí)驗(yàn)誤差，通過(guò)儀器上壓力計(jì)、氣體流量計(jì)記錄施工過(guò)程中驅(qū)替氣壓、驅(qū)替水壓、氣體流量變化，利用煤粉收集器記錄液體流量變化，至氣體流量計(jì)幾乎不再發(fā)生變化、煤粉收集器內(nèi)無(wú)液體產(chǎn)出后停止實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中分別用液相滲透率和氣相滲透率來(lái)反映樹(shù)脂-煤芯柱樣導(dǎo)水能力及導(dǎo)氣能力，其中液相滲透率計(jì)算公式為

(1)

式中，Kw為測(cè)試柱樣的液相滲透率，10-15m2;L為樹(shù)脂-煤芯柱樣的長(zhǎng)度，cm;q為礦井水通過(guò)柱樣的流速，mL/s;μ為水的黏度，mPa·s;r為煤柱的半徑，cm;p1為入口端液體壓力，0.1 MPa;p2為出口壓力，這里是大氣壓，即10 125 Pa。

氣相滲透率的計(jì)算公式為

(2)

式中，Kg為測(cè)試煤柱的氣相滲透率，10-15m2;pd為出口壓力，這里是大氣壓，即10 125 Pa;qg為氣體通過(guò)試樣的流量，mL/s;μg為氣體黏度，mPa·s;A為試樣的截面積，cm2;pu為入口端氣體壓力，0.1 MPa。

(5)清洗樹(shù)脂-煤芯柱樣。本次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將樹(shù)脂-煤芯柱樣取出并用超聲波清洗(至少清洗30 min使裂縫內(nèi)堵塞煤粉完全排出，每次清洗5～10 min后換水，防止水溫較高軟化樹(shù)脂-煤芯柱樣)，清洗完成并干燥12 h后可繼續(xù)使用。

(6)進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)。依次使用無(wú)煤粉礦井水、6種不同粒徑煤粉-礦井水混合液進(jìn)行驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，記錄驅(qū)替氣壓、驅(qū)替水壓、氣體流量、液體流量、煤粉產(chǎn)出量等變化。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 無(wú)煤粉驅(qū)替時(shí)氣、水通過(guò)樹(shù)脂-煤芯柱樣的滲流特征

根據(jù)上述測(cè)試步驟及式(1)，(2)得到無(wú)煤粉驅(qū)替時(shí)氣、水通過(guò)樹(shù)脂-煤芯柱樣的液相滲透率、氣相滲透率及其隨驅(qū)替時(shí)間的變化趨勢(shì)(圖3)。

在圖3中，氣相滲透率從實(shí)驗(yàn)開(kāi)始就有示數(shù)顯示，而液相滲透率在實(shí)驗(yàn)115 min后才開(kāi)始有示數(shù)，這是由于氣體流量計(jì)安裝于減壓閥的注氣入口處，而液體流量通過(guò)煤粉收集器上刻度來(lái)測(cè)量(不使用液體流量計(jì)是防止氣體、煤粉對(duì)其測(cè)試數(shù)據(jù)造成影響)，因此驅(qū)替初期會(huì)有氣體流量顯示，而混合液未通過(guò)樹(shù)脂-煤芯柱樣時(shí)不會(huì)有液體滲透率顯示。通過(guò)無(wú)煤粉驅(qū)替時(shí)的空白對(duì)比試驗(yàn)認(rèn)為:入口端氣壓/水壓在氣、水正常通過(guò)樹(shù)脂-煤芯柱樣時(shí)會(huì)呈“逐漸平緩”式下降，在對(duì)比的不同粒徑煤粉驅(qū)替實(shí)驗(yàn)中可根據(jù)入口端水壓/氣壓在下降時(shí)的波動(dòng)判斷是否發(fā)生了煤粉堵塞。

根據(jù)無(wú)煤粉氣/水兩相驅(qū)替時(shí)液相滲透率、氣相滲透率的變化規(guī)律，結(jié)合儀器液相滲透率測(cè)試數(shù)據(jù)滯后的缺陷，對(duì)液相滲透率、氣相滲透率進(jìn)行趨勢(shì)化處理(圖3(c))，根據(jù)處理后結(jié)果可以明顯看出，在無(wú)煤粉幾乎相同初始?jí)毫ο买?qū)替時(shí)，樹(shù)脂-煤芯柱樣對(duì)氣體和礦井水的導(dǎo)流能力基本呈管弦狀變化，氣體和礦井水在通過(guò)樹(shù)脂-煤芯柱樣時(shí)相互爭(zhēng)搶柱樣內(nèi)裂縫空間，使裂縫在無(wú)堵塞情況下對(duì)液體的導(dǎo)流能力和對(duì)氣體的導(dǎo)流能力產(chǎn)生波動(dòng)(800 min后液相滲透率與氣相滲透率同時(shí)降低，主要是因?yàn)闅?水從氣體緩沖瓶/中間容器內(nèi)進(jìn)入樣品容器后后續(xù)壓力未能及時(shí)補(bǔ)充導(dǎo)致)。

取趨勢(shì)化處理結(jié)果中100～600 min受儀器影響較小、氣/水流動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定階段擬合無(wú)煤粉氣/水兩相驅(qū)替時(shí)氣體、礦井水的滲流規(guī)律(擬合過(guò)程如圖4所示)，得到液相滲透率隨驅(qū)替時(shí)間t的變化趨勢(shì)為

Kw=-0.018 99sin(0.849 8πt+0.789 7)-

0.042 68

(3)

氣相滲透率隨驅(qū)替時(shí)間t的變化趨勢(shì)為

Kg=0.005 61cos(0.854 8πt-0.992 9)+

0.013 04

(4)

圖3 無(wú)煤粉驅(qū)替時(shí)柱樣液相滲透率、氣相滲透率及其整體變化趨勢(shì)Fig.3 Liquid permeability,gas permeability in the sample and its overall change trend under no pulverized coal displacement

圖4 無(wú)煤粉氣/水兩相驅(qū)替時(shí)氣體、液體滲流趨勢(shì)Fig.4 Seepage trend of gas and water in two-phase displacement without pulverized coal

2.2 氣、水驅(qū)替不同粒徑煤粉時(shí)滲流特性

根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄氣體/液體流量、入口端壓力變化及式(1),(2)計(jì)算得出6組不同粒徑煤粉驅(qū)替過(guò)程中液相滲透率和氣相滲透率的變化曲線，如圖5所示。氣/水兩相驅(qū)替6組不同粒徑煤粉時(shí)的主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖5 不同粒徑煤粉氣/水兩相驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Experimental results of gas-water two-phase displacement of pulverized coal with different particle sizes

表1 不同粒徑煤粉氣水驅(qū)替實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)比Table 1 Comparison of experimental parameters of pulverized coal with different particle sizes driven by gas and water

通過(guò)圖5可以發(fā)現(xiàn)，不同粒徑煤粉在驅(qū)替時(shí)入口端水壓/入口端氣壓整體都表現(xiàn)為“下降—平穩(wěn)—上升—平穩(wěn)”的趨勢(shì)，即不同粒徑煤粉在驅(qū)替一段時(shí)間后都會(huì)對(duì)裂縫造成完全封堵。但隨著煤粉粒徑減小，驅(qū)替產(chǎn)出混合液中煤粉質(zhì)量濃度逐漸增大，停止產(chǎn)氣時(shí)間也有明顯增加趨勢(shì)。

由于氣體分子直徑相對(duì)于液體分子直徑較小，在部分并未完全堵塞的裂縫通道處，水分子由于毛細(xì)管阻力無(wú)法流動(dòng)，氣體分子仍可自由通過(guò)，因此6組實(shí)驗(yàn)結(jié)果中氣相滲透率降為0的時(shí)間都會(huì)晚于液相滲透率降為0的時(shí)間。

通過(guò)氣相滲透率、液相滲透率及其驅(qū)替壓力的變化，分別得到氣/水驅(qū)替6種不同粒徑煤粉時(shí)氣體和礦井水的滲流規(guī)律:

(1)氣/水?dāng)y帶40～60目煤粉驅(qū)替200～800 min內(nèi)，氣、水相互爭(zhēng)搶裂縫空間使氣相滲透率和液相滲透率產(chǎn)生相對(duì)波動(dòng)，800 min后裂縫堵塞嚴(yán)重，樹(shù)脂-煤芯柱樣氣相滲透率、液相滲透率同時(shí)降低，直至1 068 min后，氣體和礦井水均不再產(chǎn)出，裂縫被完全封堵。

(2)60～80目煤粉在驅(qū)替前500 min氣、水相互爭(zhēng)搶裂縫空間，500 min后裂縫堵塞嚴(yán)重，柱樣氣相滲透率、液相滲透率相繼降低，氣相滲透率降速相對(duì)緩慢，817 min后不再產(chǎn)水，1 030 min后不再產(chǎn)氣，裂縫被完全堵塞。

(3)80～100目煤粉在驅(qū)替前600 min氣、水互相搶占裂縫空間，600 min后裂縫堵塞程度使礦井水流動(dòng)受阻嚴(yán)重，液相滲透率大幅下降，并在617 min后停止產(chǎn)水，氣相滲透率降速相對(duì)緩慢，直至1 293 min后裂縫被完全封堵。

(4)100～150目煤粉在驅(qū)替前500 min氣、水相互爭(zhēng)搶裂縫空間，500 min后裂縫堵塞程度使礦井水導(dǎo)流能力受到較大影響，液相滲透率大幅降低，隨著礦井水流動(dòng)受阻嚴(yán)重，氣體流動(dòng)能力逐漸占據(jù)主導(dǎo)，氣相滲透率小幅增加后開(kāi)始降低，直至1 102 min，裂縫被完全封堵。

(5)150～200目煤粉在驅(qū)替前800 min氣、水輪流占據(jù)裂縫導(dǎo)流優(yōu)勢(shì)，800 min后，裂縫堵塞程度嚴(yán)重影響礦井水流動(dòng)能力，液相滲透率驟降，氣相滲透率小幅增大也開(kāi)始降低，直至1 292 min后裂縫被完全封堵。

(6)大于200目煤粉驅(qū)替時(shí)，礦井水在驅(qū)替初期直接搶占樹(shù)脂-煤芯柱樣內(nèi)所有裂縫空間(甚至封堵了氣體產(chǎn)出管路)，裂縫空間基本全部用來(lái)導(dǎo)水，300 min后，煤粉對(duì)樹(shù)脂-煤芯柱樣內(nèi)裂縫的堵塞使其導(dǎo)水能力受到劇烈影響，液相滲透率驟降為0，礦井水失去流動(dòng)能力后，部分未被堵塞但相對(duì)較小的空間成為氣體的專(zhuān)屬流動(dòng)通道，氣相滲透率大幅增加，隨著氣體推動(dòng)煤粉進(jìn)一步堵塞裂縫，800 min后，氣相滲透率開(kāi)始降低，直到1 983 min裂縫被完全封堵。

對(duì)比無(wú)煤粉驅(qū)替時(shí)的滲流規(guī)律發(fā)現(xiàn)，在煤粉開(kāi)始封堵樹(shù)脂-煤芯柱樣內(nèi)裂縫前期，氣、水滲流仍表現(xiàn)出無(wú)煤粉驅(qū)替時(shí)的管弦狀波動(dòng)特征，但在煤粉堵塞一定程度后，該特征不再發(fā)生，氣相滲透率、液相滲透率開(kāi)始同時(shí)減小，但液相滲透率降速相對(duì)較快，氣相滲透率降速相對(duì)緩慢。

2.3 樹(shù)脂-煤芯柱樣內(nèi)裂縫導(dǎo)流衰減特征定量分析

2.3.1產(chǎn)出及封堵煤粉對(duì)比

分別稱(chēng)取6 種不同粒徑的干燥煤粉2.5 g與80 mL水在量筒中充分混合，觀察初始時(shí)刻(圖6(a))與靜置12 h后(圖6(b))煤粉顆粒分層效果，發(fā)現(xiàn)不同粒徑煤粉均存在密度相對(duì)較輕的浮在液柱上方，密度相對(duì)較重的沉到量筒底部，且<100目煤粉上浮顆粒含量明顯小于>100目煤粉。為了研究通過(guò)樹(shù)脂-煤芯柱樣產(chǎn)出的及封堵在裂縫內(nèi)煤粉分別來(lái)自哪部分，取60～80,>200目?jī)煞N粒徑煤粉實(shí)驗(yàn)結(jié)束后煤粉收集器內(nèi)和柱樣超聲波第1次清洗后清洗儀內(nèi)煤粉-礦井水混合液，用針管抽出中間不含煤粉部分，并將剩余混合液裝入量筒內(nèi)與原始煤粉靜置24 h后的分層效果進(jìn)行對(duì)比(圖6(c))發(fā)現(xiàn)，60～80目組柱樣內(nèi)封堵煤粉上浮顆粒明顯小于產(chǎn)出的煤粉，而大于200目組柱樣內(nèi)封堵煤粉上浮顆粒相對(duì)較產(chǎn)出的多，下沉顆粒少。因此認(rèn)為，煤粉顆粒小于100目時(shí)，主要靠顆粒沉降堵塞裂縫，而大于200目的煤粉，除了顆粒沉降，上浮煤粉黏著在裂縫表面也可能是造成裂縫堵塞的重要原因。

2.3.2樹(shù)脂-煤芯柱樣裂縫導(dǎo)流衰減特征定量評(píng)價(jià)

圖6 煤粉分層效果對(duì)比Fig.6 Contrast of coal powder stratification effect

為了定量研究驅(qū)替過(guò)程中樹(shù)脂-煤芯柱樣裂縫導(dǎo)流能力的變化規(guī)律，將柱樣內(nèi)復(fù)雜裂縫看做一條水平等高裂縫，并建立氣/水兩相驅(qū)替煤粉的理想化滲流模型(圖7)，進(jìn)一步對(duì)樹(shù)脂-煤芯柱樣進(jìn)行無(wú)煤粉單相水驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，結(jié)合式(1)計(jì)算驅(qū)替過(guò)程柱樣平均滲透率，由描述滲透率與裂縫縫寬的平板理論[23]得到該水平等高裂縫縫寬的計(jì)算公式為

(5)

式中，W為裂縫縫寬，cm;D為平行裂縫之間的平均距離，cm;α為裂縫與流體流動(dòng)方向的夾角，(°)。

單相水驅(qū)替時(shí)累積流量及驅(qū)替壓力變化如圖8所示，裂縫縫寬計(jì)算所需的主要參數(shù)見(jiàn)表2。

圖7 氣/水兩相驅(qū)替煤粉滲流模型Fig.7 Seepage model for gas-water two-phase displacement of pulverized coal

圖8 單相水驅(qū)替時(shí)累積流量及驅(qū)替壓力Fig.8 Accumulative flow and displacement pressure of single phase water flooding

表2 裂縫縫寬計(jì)算所需的主要參數(shù)Table 2 Main parameters used in crack width calculation

利用式(3),(5)計(jì)算無(wú)煤粉氣/水兩相驅(qū)替時(shí)液體流動(dòng)占據(jù)裂縫縫寬，并由總縫寬與液體流動(dòng)縫寬的差值得到不同驅(qū)替時(shí)間點(diǎn)氣體流動(dòng)占據(jù)裂縫縫寬，結(jié)合式(4)擬合氣相滲透率與氣體流動(dòng)縫寬間的關(guān)系:

Kg=0.031 7Wg-0.010 3

(6)

基于氣/水兩相驅(qū)替不同粒徑煤粉時(shí)的氣相滲透率、液相滲透率變化趨勢(shì)及圖5所示。理想化滲流模性模型，利用式(5),(6)分別計(jì)算氣/水兩相驅(qū)替不同粒徑煤粉時(shí)樹(shù)脂-煤芯柱樣內(nèi)液體流動(dòng)縫寬、氣體流動(dòng)縫寬、煤粉封堵縫寬3個(gè)參數(shù)大小，得到氣-液-固三相占據(jù)裂縫縫寬動(dòng)態(tài)變化曲線，如圖9所示。

通過(guò)圖9可以定量評(píng)價(jià)不同驅(qū)替時(shí)間點(diǎn)樹(shù)脂-煤芯柱樣內(nèi)裂縫封堵程度，在幾乎相同驅(qū)替壓力下，煤粉-礦井水混合液初期占據(jù)裂縫縫寬均高于氣體，氣體流動(dòng)占據(jù)的縫寬基本都在0.4 mm以下。液體流動(dòng)占據(jù)縫寬的降速與煤粉粒徑基本呈負(fù)相關(guān)，氣體流動(dòng)占據(jù)縫寬的降速與煤粉粒徑基本呈正相關(guān)。樹(shù)脂-煤芯柱樣內(nèi)裂縫縫寬被封堵到0.2 mm以下后，液體基本成為束縛水，不再流動(dòng)。用計(jì)算得到的氣-液-固三相占據(jù)裂縫縫寬動(dòng)態(tài)變化曲線可以很好地解釋氣/水兩相驅(qū)替不同粒徑煤粉時(shí)氣、水的滲流特征。

圖9 氣-液-固三相占據(jù)裂縫縫寬變化Fig.9 Change curves of fracture width occupied by gas and liquid and solid

40～60,60～200,>200目煤粉在氣/水兩相驅(qū)替下的氣-液-固三相占據(jù)裂縫縫寬變化趨勢(shì)存在明顯差異。60～200目間4種粒徑煤粉在驅(qū)替時(shí)氣、水滲流及裂縫封堵規(guī)律具有良好的一致性，氣、水相互爭(zhēng)搶裂縫空間均發(fā)生在300～600 min，該階段氣/水波動(dòng)滲流時(shí)會(huì)攜帶部分煤粉產(chǎn)出，導(dǎo)致煤粉封堵縫寬出現(xiàn)小幅降低，且該階段均發(fā)生在裂縫縫寬封堵一半附近，隨后液體流動(dòng)占據(jù)縫寬大幅降低，氣體流動(dòng)占據(jù)縫寬減小趨勢(shì)較緩慢。氣/水兩相驅(qū)替40～60目煤粉時(shí)，氣、水?dāng)y粉產(chǎn)出的正效應(yīng)不明顯，這也是該粒徑煤粉驅(qū)替時(shí)產(chǎn)出混合液內(nèi)煤粉質(zhì)量濃度較低的主要原因。>200目的煤粉在液體滲流前期裂縫急劇堵塞，縫寬降到0.2 mm以下，液體成為束縛水，不再流動(dòng)產(chǎn)出。

在煤粉封堵裂縫的縫寬快速增加階段均伴隨著液體流動(dòng)占據(jù)的縫寬急劇降低，這是由于液體的粘度系數(shù)較大，裂縫的縫寬減小后液體首先受到較大影響，且由于液體粘度系數(shù)較大，攜粉能力強(qiáng)，是煤粉的主要載體，液體流動(dòng)能力降低后煤粉快速沉降，加劇了裂縫封堵速度。

根據(jù)6種不同粒徑煤粉在驅(qū)替時(shí)氣-液-固三相占據(jù)裂縫縫寬的變化的相似點(diǎn)，用氣、水流動(dòng)縫寬和反應(yīng)氣/水兩相驅(qū)替煤粉時(shí)裂縫導(dǎo)流能力變化的共性，如圖10所示。

圖10 氣/水兩相驅(qū)替煤粉時(shí)裂縫縫寬變化Fig.10 Crack width changes when gas and water displacing pulverized coal

在氣/水驅(qū)替煤粉運(yùn)移的過(guò)程中，其裂縫的縫寬變化均可分為4部分(隨煤粉粒徑大小不同，各節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)間不同):

(1)液體產(chǎn)出前階段。開(kāi)始驅(qū)替到礦井水完全通過(guò)樹(shù)脂-煤芯柱樣前，該階段柱樣內(nèi)裂縫封堵速率較快，因?yàn)檫@段時(shí)間內(nèi)煤粉-礦井水混合液進(jìn)入樹(shù)脂-煤芯柱樣后，礦井水首先會(huì)潤(rùn)濕干燥的樹(shù)脂-煤芯柱樣，而不會(huì)攜粉向前運(yùn)移，煤粉滯留在柱樣的裂縫內(nèi)，對(duì)裂縫導(dǎo)流能力造成較大影響，裂縫的縫寬急劇減小。

(2)氣/液攜粉產(chǎn)出階段。礦井水完全通過(guò)樹(shù)脂-煤芯柱樣到裂縫的縫寬重新開(kāi)始減小，該階段特征主要表現(xiàn)為產(chǎn)水量開(kāi)始增加，裂縫的縫寬增大，氣/水?dāng)y粉打磨孔壁或推動(dòng)部分前期滯留煤粉一起產(chǎn)出是造成裂縫的縫寬增加的主要原因，該階段是產(chǎn)煤粉的主要階段。

(3)裂縫快速封堵階段。裂縫的縫寬達(dá)到最大值到停止出水，隨著驅(qū)替時(shí)間增加，柱樣裂縫內(nèi)沉降煤粉量不斷增加，推動(dòng)煤粉產(chǎn)出所需要的動(dòng)力增大，氣液攜粉產(chǎn)出能力驟降，混合液中煤粉進(jìn)一步封堵裂縫后，礦井水失去流動(dòng)能力，成為束縛水不再產(chǎn)出，該階段有少量煤粉產(chǎn)出。

(4)裂縫完全封堵階段。停止出水到停止出氣，該階段樹(shù)脂-煤芯柱樣裂縫內(nèi)剩余空間基本完全用到導(dǎo)氣，由于氣體攜粉能力較弱，裂縫封堵相對(duì)緩慢。

3 結(jié) 論

(1)在幾乎相同初始?jí)毫︱?qū)替下，氣、水通過(guò)樹(shù)脂-煤芯柱樣時(shí)會(huì)相互爭(zhēng)搶柱樣內(nèi)部裂縫空間，裂縫在無(wú)堵塞情況下對(duì)液體的導(dǎo)流能力和對(duì)氣體的導(dǎo)流能力呈管弦狀變化。6種不同粒徑煤粉在氣/水兩相驅(qū)替一定時(shí)間后都會(huì)完全封堵樹(shù)脂-煤芯柱樣內(nèi)部裂縫，裂縫完全堵塞時(shí)間、產(chǎn)出液中煤粉質(zhì)量濃度隨煤粉粒徑的減小而增加;煤粉驅(qū)替前期，氣、水滲流仍會(huì)表現(xiàn)管弦狀波動(dòng)特征，但在煤粉堵塞一定程度后，氣相滲透率、液相滲透率開(kāi)始同時(shí)減小，但液相滲透率降速相對(duì)較快，氣相滲透率降速相對(duì)緩慢。

(2)基于煤粉的分層對(duì)比，分析了氣/水驅(qū)替產(chǎn)出液內(nèi)及封堵在樹(shù)脂-煤芯柱樣裂縫內(nèi)煤粉的差異。通過(guò)建立氣/水兩相驅(qū)替煤粉時(shí)的理想化滲流模型，計(jì)算得到了驅(qū)替不同粒徑煤粉時(shí)樹(shù)脂-煤芯柱樣內(nèi)氣-液-固三相占據(jù)裂縫的縫寬隨時(shí)間的變化曲線，變化趨勢(shì)在40～60,60～200,>200目煤粉中存在明顯差異。在此基礎(chǔ)上用氣、水流動(dòng)的裂縫總縫寬變化表征了氣/水驅(qū)替煤粉時(shí)裂縫導(dǎo)流衰減特征，將其劃分液體產(chǎn)出前的裂縫快速封堵、氣/水?dāng)y粉產(chǎn)出的裂縫縫寬小幅增加、液體流動(dòng)能力驟減的裂縫快速閉合、氣體流動(dòng)能力緩慢降低的裂縫完全封堵4個(gè)階段。

(3)論文使用自制的氣-液-固三相驅(qū)替裝置進(jìn)行氣/水兩相驅(qū)替煤粉引起的裂縫導(dǎo)流能力衰減特征研究時(shí)僅針對(duì)煤粉粒徑大小進(jìn)行了討論，但在氣/水兩相驅(qū)替煤粉時(shí)，裂縫導(dǎo)流能力受裂縫尺寸、裂縫形狀、驅(qū)替煤粉濃度、驅(qū)替壓力、氣/水流速、氣/水比例、煤粉礦物成分等多種因素的影響，考慮多種因素綜合影響下的裂縫導(dǎo)流能力變化研究是研究氣/水兩相驅(qū)替下煤粉運(yùn)移機(jī)理的重點(diǎn)。