劉子亮，魏迎春, ，張 琦，張雙源 ，王安民,，曹代勇,

(1.中國礦業(yè)大學(北京) 地球科學與測繪工程學院,北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(北京) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,北京 100083；3.中聯(lián)煤層氣國家工程研究中心有限責任公司,北京 100095；4.中石油煤層氣有限責任公司,北京 100028)

煤層氣作為綠色清潔非常規(guī)天然氣資源，是我國重要的戰(zhàn)略能源之一。由于我國煤盆地構(gòu)造-熱演化的復雜性和煤儲層的特殊性，煤粉問題已成為嚴重制約我國煤層氣井產(chǎn)能的關(guān)鍵問題之一[1]。我國煤層氣開發(fā)中均不同程度地存在煤粉問題，煤粉聚集、沉降導致煤粉滯留在裂縫中的通道內(nèi)，在井內(nèi)沉積聚集或進入排采系統(tǒng)，導致埋泵和卡泵，逐漸降低裂縫導流能力，嚴重影響煤層氣的高效開發(fā)[2-3]。在煤層氣開發(fā)過程中，儲層和支撐裂縫中會接觸到不同性質(zhì)水溶液如地下水、鉆井液、壓裂液等外部流體[4]。這些流體可能會與煤粉發(fā)生物理或化學反應(yīng)，導致煤粉的生成、運移、產(chǎn)出。煤粉滯留堵塞通道，減小儲層滲透率，導致煤層氣井產(chǎn)能降低；煤粉隨流體運移、排出則會增大儲層滲透率，間接提升煤層氣井產(chǎn)能[5-7]。

為探究煤粉在支撐裂縫內(nèi)的煤粉運移規(guī)律，國內(nèi)外學者進行了大量研究。通過支撐裂縫中煤粉運移模擬試驗發(fā)現(xiàn)煤粉中無機礦物成分質(zhì)量分數(shù)越高、煤粉顆粒粒徑越小，產(chǎn)出煤粉質(zhì)量越大[8]。圍壓穩(wěn)定情況下，煤粉的運移具有一定的啟動運移速率，煤粉產(chǎn)出量與流體流速成正相關(guān)，與圍壓成負相關(guān)[9]。煤粉的聚集附著、橋堵孔喉是支撐裂縫導流能力傷害的主要原因；煤粉的運移和沉積受支撐劑尺寸、支撐劑類型和煤粉性質(zhì)的影響[10]。利用煤巖夾板鋪石英砂注入不同濃度煤粉懸浮液進行動態(tài)規(guī)律研究發(fā)現(xiàn)沿煤粉運移方向支撐裂縫內(nèi)沉積煤粉濃度逐漸減小，大量煤粉沉積堵塞在裂縫入口端，裂縫內(nèi)通道堵塞程度較小[11]。

目前關(guān)于水化學性質(zhì)對煤粉的影響研究主要集中在煤粉的靜態(tài)聚集、懸浮等方面。水對煤粉顆粒分散聚集的影響研究不同礦化度水對細小煤粉浮選影響明顯，礦化度的增加會促進煤粉顆粒聚集[12]。礦化度的降低會導致靜電顆粒的附著減弱[13]。利用不同水化學類型溶液NaHCO3懸浮液的聚集能力略優(yōu)于標準鹽水懸浮液，且遠優(yōu)于去離子水懸浮液[14]。采用不同酸堿度和鹽度的標準鹽水作為試驗注入液，在恒定有效應(yīng)力條件下進行水敏和鹽敏試驗中，不同酸堿度下的鹽敏感性特征表明在高鹽度條件下更有利于固定煤粉源[15]，再對煤泡沫和煤漿的振蕩流變進行測量，結(jié)合掃描電子顯微鏡進行分析，發(fā)現(xiàn)煤粉顆粒的沉降速度隨水鹽度的增加而增加，浮在水面上的泡沫量也有所增加[16]。目前學者對不同水化學性質(zhì)下支撐裂縫中煤粉運移規(guī)律研究不足。

因此，筆者采用物理模擬試驗方法，選用韓城礦區(qū)山西組3 號煤層煤樣，開展了不同水化學性質(zhì)對支撐裂縫中煤粉運移影響的物理模擬試驗。分析裂縫導流系統(tǒng)滲透率及煤粉產(chǎn)出質(zhì)量濃度變化，探究不同水化學性質(zhì)對支撐裂縫中煤粉運移的影響，為提出相應(yīng)的煤粉管控措施提供科學依據(jù)。

1 樣品制備與試驗方法

1.1 樣品制備

(1)煤巖樣品。試驗用煤樣采自鄂爾多斯盆地東南緣韓城礦區(qū)山西組3 號煤層。樣品的煤巖煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)見文獻[17](表1)。

表1 3 號煤樣的煤巖及煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)[17]Table 1 Coal rock and coal quality analysis data of No.3 coal sample[17] %

試驗選擇380～830 μm 的石英砂，根據(jù)等徑和不等徑球體最緊密堆積形成的通道空間特征[18]，計算得到通道的直徑為65.7～352.1 μm，基于現(xiàn)場煤粉產(chǎn)出粒度分布特征[19-20]，部分煤層氣井產(chǎn)出的煤粉粒度＜63 μm，為確保煤粉可以通過支撐裂縫通道排出，選用＜63 μm 粒徑煤粉進行試驗樣品制備。

物理模擬試驗煤巖樣品的制備包括煤粉支撐劑的稱重混合和模擬試驗樣品的壓制2 個步驟。首先，利用破碎機破碎煤巖樣品，破碎至粒徑＜63 μm，稱取煤粉6 g 倒入燒杯中，稱取380～830 μm 石英砂支撐劑30 g 倒入燒杯中，將煤粉和石英砂支撐劑用藥匙充分攪拌，選擇配制的相應(yīng)水溶液作為黏結(jié)劑，水溶液一方面可以潤濕煤粉及石英砂顆粒，同時還可以增加顆粒與石英砂之間的附著力，使煤粉顆粒與石英砂顆粒在攪拌過程中混合均勻。使用注射器吸取6 g 溶液注入到燒杯中，再次攪拌均勻，最終煤粉、石英砂以及黏結(jié)劑最終以質(zhì)量比1∶5∶1 的比例混合均勻，制成煤粉與支撐劑均勻混合原料。然后將配置好的混合原料放入人工煤心標準試件模具中，采用全自動壓力試驗機恒定正向壓力6 kN(12 MPa)下，壓10 min，制成一定長度，直徑為25 mm 的支撐劑系統(tǒng)模擬試件。打開模具，將壓制好的試件在兩端上加入導流墊塊進行封裝。每組試驗開始前進行樣品制備，制備完成后將試驗樣放入LYD32 型巖心流動裝置的巖心夾持器內(nèi)。試驗樣品如圖1 所示。

圖1 試驗樣品Fig.1 Experimental sample

(2)驅(qū)替液配置。韓城區(qū)塊的地下水含有高礦化度的NaHCO3、Na2SO4和MgCl2，地下水中不同無機物礦化度從2 000～20 000 mg/L 不等。而地下水含有多種礦物質(zhì)成分，使用地下水溶液進行試驗并不能查明某個因素對煤粉運移的影響，只有查明單一水化學因素對煤粉運移的影響，才能為后期進行不同水化學性質(zhì)混合溶液對煤粉運移的影響研究提供理論基礎(chǔ)。因此，根據(jù)韓城區(qū)塊地下水礦化度及水化學類型實際情況，筆者選擇合理的礦化度增長幅度，采用控制變量法選擇礦化度為3 000、6 000、10 000 mg/L 的NaHCO3和Na2SO4溶液及礦化度為10 000、15 000、20 000 mg/L 的MgCl2溶液。為了排除水中其他陰陽離子對煤粉聚集的影響，選用去離子水來配制不同水化學性質(zhì)的溶液及利用去離子水進行空白對照試驗。

1.2 試驗方法

筆者采用控制變量法，共進行了10 組水化學性質(zhì)對支撐裂縫中煤粉運移影響的物理模擬試驗，具體試驗條件見表2。通過試驗交叉組合分別探究不同水化學類型和不同礦化度條件對支撐劑中煤粉運移的影響。通過改變驅(qū)替液的類別，進行物理模擬試驗，模擬支撐裂縫中煤粉在不同水化學性質(zhì)下的煤層氣生產(chǎn)中的運移過程。試驗使用LYD32 型巖心流動裝置(圖2)進行物理模擬試驗。利用計算機實時監(jiān)控驅(qū)替過程中的驅(qū)替壓力。

圖2 LYD32 型巖心流動裝置Fig.2 Schematic diagram of LYD32 core flow device

表2 不同礦化度和水化學類型煤粉運移物理模擬試驗條件Table 2 Experimental scheme for physical simulation of coal fines migration with different salinities and hydrochemical types

(1)煤粉運移物理模擬試驗。穩(wěn)定圍壓5 MPa，以0.5 mL/min 將模擬試驗樣用驅(qū)替液飽和2 h；調(diào)整流速為15 mL/min，流量的選擇基于韓城煤層氣井實際生產(chǎn)情況以及前人研究確定[8-9]。開展煤粉運移物理模擬試驗，在出口端用燒杯收集產(chǎn)出的驅(qū)替液，并實時動態(tài)監(jiān)測模擬試驗樣滲透率情況。收集模擬試驗排出的含煤粉液體。試驗流程如圖3 所示。

圖3 試驗流程Fig.3 Experimental flow chart

(2)煤粉產(chǎn)出量。將定量濾紙放入烘干箱中，在60 ℃條件下恒溫干燥2 h，冷卻至室溫，使用電子天平反復稱重穩(wěn)定后取平均值。將煤粉運移物理模擬試驗中排出的煤粉懸浮液搖晃均勻，每階段選取200 mL，利用快速過濾裝置(由漏斗、濾紙、真空泵組成的聚集裝置)過濾，在40 ℃條件下干燥12 h 后取出，反復稱重待稱重穩(wěn)定后取平均值，對不同水化學性質(zhì)下的煤粉產(chǎn)出量進行計算，得到不同試驗條件下的產(chǎn)出煤粉質(zhì)量濃度。

(3)試驗樣品內(nèi)部煤粉分布規(guī)律、聚集特征觀察：物理模擬試驗結(jié)束后，取出試驗樣品，將試驗樣品剖開利用顯微鏡，選用目鏡10 倍，物鏡10 倍來觀測試驗后試驗樣品內(nèi)部煤粉的分布規(guī)律和聚集特征。

2 試驗結(jié)果

2.1 煤粉產(chǎn)出質(zhì)量濃度

通過收集試驗出口端產(chǎn)出煤粉溶液，進行煤粉產(chǎn)出質(zhì)量濃度測試試驗，獲得不同試驗條件下煤粉產(chǎn)出質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，研究不同水化學類型及不同礦化度條件對煤粉運移的影響。研究表明，在飽和階段由于驅(qū)替液流速小，產(chǎn)出溶液清澈，可見并未含有煤粉，說明飽和流速尚未達到煤粉啟動的臨界速率。在調(diào)整流速為15 mL/min 后產(chǎn)出溶液開始有煤粉顆粒排出，收集物理模擬試驗后的含煤粉溶液，測得并分析溶液的煤粉質(zhì)量濃度(表3、圖4)。

圖4 物理模擬實驗中煤粉產(chǎn)出質(zhì)量濃度Fig.4 Mass concentration of coal fines output in the physical simulation experiment

表3 物理模擬試驗中煤粉產(chǎn)出的質(zhì)量濃度Table 3 Mass concentration of coal fines output in the physical simulation experiment under different

去離子水溶液驅(qū)替條件下煤粉產(chǎn)出質(zhì)量濃度為45.21 mg/L。3 000、6 000、10 000 mg/L 的NaHCO3溶液驅(qū)替條件下煤粉產(chǎn)出質(zhì)量濃度分別為4.87、10.46、14.29 mg/L。隨NaHCO3溶液礦化度的增高，煤粉產(chǎn)出質(zhì)量濃度增大。3 000、6 000、10 000 mg/L 的Na2SO4溶液驅(qū)替條件下煤粉產(chǎn)出質(zhì)量濃度分別為20.83、10.25、10.63 mg/L。Na2SO4溶液隨礦化度的增高而煤粉產(chǎn)出質(zhì)量濃度降低。不同礦化度MgCl2溶液驅(qū)替條件下煤粉產(chǎn)出質(zhì)量濃度整體較高。10 000、15 000、20 000 mg/L 的MgCl2溶液驅(qū)替條件下煤粉產(chǎn)出質(zhì)量濃度分別為5.42、26.21、43.75 mg/L。試驗結(jié)果可以看出隨MgCl2溶液礦化度的增高，驅(qū)替條件下煤粉產(chǎn)出質(zhì)量濃度增大。

相同礦化度條件下(10 000 mg/L)，NaHCO3、Na2SO4、MgCl2溶液驅(qū)替條件下煤粉產(chǎn)出質(zhì)量濃度分別為14.29、10.63、5.42 mg/L。在相同礦化度(10 000 mg/L)條件下，不同水化學類型溶液驅(qū)替條件下煤粉產(chǎn)出質(zhì)量濃度：NaHCO3＞ Na2SO4＞ MgCl2。

2.2 試驗樣滲透率

物理模擬試驗過程中對試驗樣滲透率進行實時監(jiān)測，物理模擬試驗中試驗樣滲透率如圖5 所示，試驗樣平均滲透率如表4、圖6 所示。

圖5 物理模擬試驗中試驗樣滲透率Fig.5 Permeability of experimental samples in the physical simulation experiments

圖6 物理模擬試驗中試驗樣平均滲透率Fig.6 Average permeability of experimental samples in the physical simulation experiments

表4 物理模擬試驗中試驗樣平均滲透率Table 4 Average permeability of experimental samples in the physical simulation experiments

去離子水溶液驅(qū)替條件下試驗樣平均滲透率為75.96×10-15m2。試驗樣滲透率從試驗開始時約為82×10-15m2在第12 min 時，滲透率上升至88×10-15m2隨后保持穩(wěn)定緩慢下降至53 min 時的79×10-15m2，產(chǎn)出煤粉團突降至53×10-15m2，隨后恢復至77×10-15m2，緩慢下降至結(jié)束時的平均65×10-15m2。

3 000 mg/L 的NaHCO3溶液驅(qū)替條件下試驗樣平均滲透率為72.85×10-15m2。試驗樣滲透率基本保持穩(wěn)定緩慢下降至結(jié)束時的平均71×10-15m2，滲透率變化不明顯。6 000 mg/L 的NaHCO3溶液驅(qū)替條件下試驗樣平均滲透率為136.03×10-15m2。驅(qū)替開始前5 min，滲透率從126.66×10-15m2快速升至142.77×10-15m2，滲透率數(shù)值保持平穩(wěn)變化，在47 min 時，巖心內(nèi)部分通道被堵塞，巖心滲透率降低至132×10-15m2左右，并保持穩(wěn)定。10 000 mg/L 的NaHCO3溶液驅(qū)替條件下試驗樣平均滲透率為58.17×10-15m2。試驗開始溶液驅(qū)替條件下試驗樣滲透率從65×10-15m2緩慢下降至60×10-15m2左右，在61 min 時，滲透率出現(xiàn)波動，下降至56×10-15m2左右并緩慢下降至53×10-15m2。

3 000 mg/L 的Na2SO4溶液驅(qū)替條件下試驗樣平均滲透率為29.03×10-15m2。試驗樣滲透率從試驗開始27×10-15m2上升至38×10-15m2左右，之后滲透率始終處于勻速下降，在54 min 時，滲透率出現(xiàn)下降至25×10-15m2，保持勻速下降至試驗結(jié)束23×10-15m2左右。6 000 mg/L 的Na2SO4溶液驅(qū)替條件下試驗樣平均滲透率為88.11×10-15m2。試驗樣滲透率始終保持穩(wěn)定，在100 min 時，滲透率降低至85×10-15m2左右，并保持穩(wěn)定至試驗結(jié)束。10 000 mg/L 的Na2SO4溶液驅(qū)替條件下試驗樣平均滲透率為55.88×10-15m2。試驗初期滲透率平均值為58×10-15m2，隨后緩慢下降至結(jié)束時的平均54×10-15m2，滲透率變化不大。

3 種不同礦化度條件MgCl2溶液驅(qū)替條件下滲透率差異不明顯。10 000 mg/L 的MgCl2溶液驅(qū)替條件下試驗樣平均滲透率為62.62×10-15m2。試驗樣滲透率在前期維持在保持66×10-15m2左右，隨試驗進行，滲透率緩慢降低至59×10-15m2左右。15 000 mg/L的MgCl2溶液驅(qū)替條件下試驗樣平均滲透率為65.92×10-15m2。試驗樣滲透率由55.18×10-15m2上升至70.04×10-15m2保持穩(wěn)定，滲透率穩(wěn)定在70×10-15m2左右，在第57 分鐘時，滲透率突然降低至62×10-15m2左右并保持穩(wěn)定。20 000 mg/L 的MgCl2溶液驅(qū)替條件下試驗樣平均滲透率為63.56×10-15m2。試驗樣滲透率保持穩(wěn)定下降，自試驗開始的70.41×10-15m2開始始終保持穩(wěn)定下降態(tài)勢至試驗結(jié)束的57.95×10-15m2。根據(jù)試驗結(jié)果可以看出，MgCl2溶液驅(qū)替條件下試驗樣滲透率受礦化度的影響不明顯。

相同礦化度條件下(10 000 mg/L)，NaHCO3、Na2SO4、MgCl2溶液驅(qū)替條件下試驗樣平均滲透率分別為58.17×10-15、55.88×10-15、62.62×10-15m2。在10 000 mg/L 礦化度條件下試驗樣平均滲透率結(jié)果為MgCl2＞ NaHCO3＞ Na2SO4。

3 分析與討論

3.1 不同水化學性質(zhì)對煤粉產(chǎn)出質(zhì)量濃度影響

試驗樣支撐裂縫中煤粉堵塞有3 種類型：煤粉吸附于支撐劑表面，煤粉架橋堵塞通道，濾餅堵塞流動通道(圖7)[21]。試驗開始前樣品內(nèi)煤粉均勻分布，樣品入口端煤粉隨驅(qū)替的不斷進行，逐漸向試驗樣末端運移，由于試驗前期有2 h 飽和作用，因此煤粉在進行試驗驅(qū)替過程中試驗樣品已經(jīng)發(fā)生煤粉與溶液之間的相互作用。

圖7 試驗樣煤粉堵塞示意[21]Fig.7 Schematic diagram of coal fines plugging of experimental samples[21]

試驗選用3 種水化學類型條件下溶液中的鹽會產(chǎn)生電離和水解作用。NaHCO3在水中由于具有弱酸根，因此既發(fā)生電離，又發(fā)生水解反應(yīng)，反應(yīng)式為

Na2SO4和MgCl2溶液在水中只發(fā)生電離，化學反應(yīng)式為

煤粉的疏水性和吸附性決定了支撐劑充填層中排出煤粉具有一定的困難，導致煤粉在支撐劑充填體中聚集[10]。煤層氣儲層釋放煤粉顆粒必須滿足的臨界條件機制之一是地下水礦化度降低至臨界鹽濃度(CSC)以下，使顆粒與基質(zhì)表面之間的斥力超過結(jié)合力[22]。根據(jù)DLVO 理論，電離的金屬陽離子Na+、Mg2+等會壓縮煤粉顆粒雙電層結(jié)構(gòu)導致煤粉團聚[23]。

物理模擬試驗完成后，將巖心夾持器內(nèi)的試驗樣品取出，沿軸線方向?qū)⒃囼灅悠菲书_(圖8)，利用顯微鏡觀察試驗樣內(nèi)部發(fā)現(xiàn)：①利用去離子水驅(qū)替后的試驗樣品內(nèi)部支撐劑表面會吸附部分小粒徑煤粉顆粒(圖9(a))，主要由小粒徑的煤粉團堵塞試驗樣內(nèi)部孔隙(圖9(b))。②利用含礦化度水驅(qū)替后的試驗樣內(nèi)部存在煤粉團聚堵塞支撐劑孔隙通道(圖10(a))、支撐劑通道堵塞后會增加流體流動軌跡彎曲度(圖10(b))、支撐劑孔隙內(nèi)煤粉顆粒排出會擴大裂縫內(nèi)通道(圖10(c))以及煤粉顆粒之間發(fā)生團聚重疊(圖10(d))。

圖8 試驗后剖開的試驗樣品Fig.8 Experimental samples cut open after experiment

圖9 去離子水驅(qū)替試驗樣品內(nèi)部煤粉聚集特征Fig.9 Coal fines aggregation characteristics in deionized water displacement experimental samples

圖10 含鹽溶液驅(qū)替試驗樣品內(nèi)部煤粉聚集特征Fig.10 Coal fines aggregation characteristics in salinity water displacement experimental samples

煤粉顆粒在去離子水驅(qū)替條件下試驗樣煤粉產(chǎn)出質(zhì)量濃度最大。說明地下水礦化度導致的煤粉團聚會影響煤粉顆粒的產(chǎn)出。煤粉顆粒在3 種不同水化學溶液驅(qū)替條件下、不同礦化度條件下具有不同的煤粉產(chǎn)出質(zhì)量濃度規(guī)律。Na2SO4溶液驅(qū)替條件下，隨礦化度的增加，煤粉產(chǎn)出質(zhì)量濃度呈現(xiàn)出降低的趨勢，這是由于低礦化度條件下煤粉顆粒之間附著力較弱，顆粒團聚程度低，小粒徑煤粉運移加劇[24-25]，部分煤粉從通道排出，煤粉產(chǎn)出量大。礦化度的增大，煤粉間附著力增強，導致煤粉團聚堵塞通道，煤粉產(chǎn)出量小。

NaHCO3溶液驅(qū)替條件下，表現(xiàn)出隨礦化度的增加，煤粉產(chǎn)出質(zhì)量濃度增大的趨勢。煤粉運移至試驗樣末端堵塞試驗樣后，伴隨礦化度的增加，水解產(chǎn)生的陰離子OH-使煤粉顆粒表面負電荷增加，增強煤粉間排斥力，緩解煤粉聚集效果[14,26]，改善試驗樣末端煤粉堵塞情況，產(chǎn)出部分煤粉顆粒，隨礦化度的增加，煤粉產(chǎn)出量增大。

MgCl2溶液驅(qū)替條件下，試驗樣內(nèi)部煤粉受MgCl2溶液影響，高礦化度有利于煤粉的聚集[14]，試驗樣內(nèi)部煤粉在驅(qū)替液影響下，煤粉團聚，礦化度的增加影響試驗樣內(nèi)部平衡狀態(tài)，導致試驗樣內(nèi)部原有相對平衡被打破，煤粉產(chǎn)出量增大[9]。

在相同礦化度條件(10 000 mg/L)下，煤粉產(chǎn)出質(zhì)量濃度在一定程度上取決于煤粉聚集的程度，煤粉聚集的程度較低，可以在支撐裂縫通道運移，且煤粉團聚在一定程度上影響煤粉運移，因此在相同礦化度條件下，不同水化學類型溶液驅(qū)替條件下煤粉產(chǎn)出質(zhì)量濃度：NaHCO3＞ Na2SO4＞ MgCl2。

3.2 不同水化學性質(zhì)對滲透率影響

煤層氣開發(fā)過程中導致煤儲層滲透率變化有4種原因：煤粉在裂隙中沉積和堵塞，破壞滲透性(即被截留的煤粉)；增大通道壓力(或減小有效應(yīng)力)，使煤裂隙膨脹，從而提高煤層滲透率；煤粉的產(chǎn)出使裂隙變寬，滲透性逐漸增大；由于局部壓力增大，煤粉被重新分配和/或重新捕獲，導致滲透率波動[3,27]。煤粉團聚是影響煤儲層滲透率的一個重要因素[28]。隨驅(qū)替作用進行，煤粉會重新排列并遷移到支撐劑充填層中，導致通道堵塞和降低滲透率[10]。

去離子水驅(qū)替條件下試驗樣滲透率小于6 000 mg/L礦化度條件下Na2SO4和NaHCO3溶液驅(qū)替條件下試驗樣滲透率，大于其他礦化度條件下試驗樣滲透率，說明煤粉團聚現(xiàn)象會影響試驗樣滲透率變化，不同的水化學性質(zhì)水溶液驅(qū)替條件下試驗樣滲透率不同。

鹽水會增強煤粉顆粒的聚集，低礦化度水釋放的顆粒質(zhì)量濃度明顯低于注入淡水釋放的顆粒質(zhì)量濃度[13]，低礦化度水接觸煤粉顆粒改變其潤濕性和減弱靜電力導致煤粉顆粒運移[25,29]，煤粉運移堵塞通道，改變了流體運動軌跡，增加流體流動軌跡彎曲度，導致滲透率顯著降低[30]。3 000 mg/L 礦化度條件下Na2SO4和NaHCO3溶液容易導致小粒徑煤粉運移，堵塞試驗樣內(nèi)部通道，滲透率降低。伴隨礦化度的升高，煤粉團聚效果增強，煤粉運移程度降低，6 000 mg/L 礦化度條件下部分煤粉發(fā)生聚集沉降，部分煤粉聚集，從而擴展團聚煤粉外通道，使流體具有更多的展布空間從而提高滲透率[31-32]。礦化度增高至10 000 mg/L 時，高礦化度有利于煤粉聚集將煤粉固定在其初始位置附近處，堵塞試驗樣內(nèi)部運移通道，造成滲透率降低。另一個原因為高礦化度時煤粉相互聚集附著，形成煤粉濾餅[33]，因此6 000 mg/L 礦化度條件下MgCl2試驗樣滲透率最高。Mg2+通過礦物表面的離子吸附和離子交換顯著壓縮雙電層，對煤粉聚集效果較為強烈，MgCl2溶液3 種礦化度條件下煤粉受溶液影響后聚集程度均表現(xiàn)較高的堵塞通道效果，3 種不同礦化度條件試驗樣內(nèi)部煤粉堵塞程度大致相同，對滲透率影響不大[25]。單價陽離子(Na+)注入時，與Mg2+相比，Na+對煤粉表面親和力較弱，Mg2+的離子水合半徑小于Na+，強力壓縮雙電層[34]，所以Na+礦化度水平對滲透率的影響更重要。

在10 000 mg/L 礦化度條件下，MgCl2溶液聚集沉降能力較強，飽和階段，由于煤粉團聚效果較強，將更多團聚煤粉固定在試驗樣內(nèi)初始位置[33]，Na2SO4和NaHCO3團聚作用效果較低，部分煤粉發(fā)生運移，堵塞試驗樣末端通道，末端堵塞程度高于MgCl2溶液，且NaHCO3水解產(chǎn)生OH-，煤粉處于堿性環(huán)境中，改善試驗樣堵塞情況[14,26]，提高滲透率，因此溶液驅(qū)替條件下試驗樣平均滲透率結(jié)果表現(xiàn)為MgCl2＞NaHCO3＞ Na2SO4。

3.3 試驗樣滲透率與煤粉產(chǎn)出質(zhì)量濃度的關(guān)系

煤粉適當產(chǎn)出與脫落在一定程度上有利于裂縫空間的擴展，并改善導流能力[32,35]，但儲層內(nèi)煤粉顆粒大量產(chǎn)出時，煤粉運移會堵塞滲流通道，導致滲透率降低，即儲層傷害[36]。本試驗選用粒徑 ＜ 63 μm 煤粉，配置煤樣的煤粉與支撐劑之間通道被填滿并壓實，不同水化學類型水溶液促進煤粉聚集，試驗過程中部分煤粉排出，并不能完全改善試驗樣內(nèi)部導流條件。試驗樣滲透率表現(xiàn)上下波動明顯時，說明試驗樣內(nèi)部平衡狀態(tài)被打破，部分煤粉產(chǎn)出、運移。煤粉的產(chǎn)生和運移是導致滲透率迅速降低的主要原因，煤粉的再分布導致了滲透率的波動[27]。理論上煤粉從煤樣中排出可以提高滲透率，但根據(jù)實際生產(chǎn)和滲透率演化數(shù)據(jù)，煤粉產(chǎn)量增加并不一定能提高滲透率，相反，有時煤粉產(chǎn)量越高滲透率越低，這是由于隨煤粉產(chǎn)量的增加，煤粉滯留現(xiàn)象加劇[27]。

前人將滲透率波動趨勢分為3 種：上升狀態(tài)、下降狀態(tài)和輕微波動狀態(tài)[8]。根據(jù)煤粉產(chǎn)出模擬試驗中滲透率波動的3 種趨勢，結(jié)合實測滲透率，統(tǒng)計滲透率變化趨勢時間段(表5)，分析煤粉產(chǎn)出質(zhì)量濃度與煤樣滲透率之間的關(guān)系，并進行相關(guān)性分析。統(tǒng)計的基本原則：①上升趨勢為2 個及以上滲透率差值為正值，且滲透率差值絕對值不小于前后滲透率差值平均值的一半，或一個時間段滲透率上升超過前后波動滲透率2 倍，后滲透率未恢復原滲透率數(shù)值。②下降趨勢為2 個及以上滲透率數(shù)值差值為負值，且滲透率差值絕對值不小于滲透率差值平均值的一半，或者一個時間段滲透率下降超過前后波動滲透率2 倍后滲透率未恢復原滲透率數(shù)值。③輕微波動為滲透率差值上下波動超過前后滲透率差值的一倍，后滲透率恢復原滲透率數(shù)值。

表5 不同水化學性質(zhì)下滲透率變化趨勢Table 5 Variation trend of permeability under different hydrochemical conditions

將煤粉產(chǎn)出質(zhì)量濃度作為因變量，試驗滲透率變化的3 種不同趨勢數(shù)據(jù)作為自變量，對不同水化學性質(zhì)下試驗滲透率變化趨勢與煤粉產(chǎn)出質(zhì)量濃度進行多元線性回歸分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該模型的R2=0.834，回歸顯著性為0.009，小于0.05，說明回歸方程中2 者顯著具有相關(guān)性，表現(xiàn)在試驗中煤粉運移影響滲透率的波動。

4 結(jié)論

(1)相同水化學類型條件下，NaHCO3和MgCl2溶液隨礦化度的增大煤粉產(chǎn)出質(zhì)量濃度增大；Na2SO4溶液隨礦化度的增大而煤粉產(chǎn)出質(zhì)量濃度降低。相同礦化度(10 000 mg/L)條件下，不同水化學類型溶液驅(qū)替條件下煤粉產(chǎn)出質(zhì)量濃度：NaHCO3＞ Na2SO4＞MgCl2。

(2)相同水化學類型條件下，6 000 mg/L 礦化度的Na2SO4、NaHCO3溶液驅(qū)替條件下試驗樣滲透率最高，而MgCl2溶液驅(qū)替條件下試驗樣滲透率受礦化度的影響不明顯。相同礦化度(10 000 mg/L)條件下，不同水化學類型溶液驅(qū)替條件下試驗樣的滲透率：MgCl2＞NaHCO3＞ Na2SO4。

(3)根據(jù)物理模擬試驗中滲透率波動的上升狀態(tài)、下降狀態(tài)和輕微波動狀態(tài)3 個趨勢，結(jié)合實測滲透率數(shù)值，統(tǒng)計滲透率變化趨勢時間段，進行回歸分析煤粉產(chǎn)出質(zhì)量濃度與煤樣滲透率之間的關(guān)系，回歸模型的R2=0.834，回歸顯著性為0.009，小于0.05，說明試驗中煤粉產(chǎn)出影響滲透率的波動。

(4)地下水含有多種礦物質(zhì)成分，使用地下水溶液進行試驗并不能查明某個因素對煤粉運移的影響，只有查明單一水化學因素對煤粉運移的影響，才能為后期進行不同水化學性質(zhì)混合溶液對煤粉運移的影響研究提供理論基礎(chǔ)。且不同水化學性質(zhì)可能會對煤儲層中的泥質(zhì)物質(zhì)、焦的運移產(chǎn)生一定影響。因此關(guān)于不同水化學性質(zhì)混合溶液對支撐裂縫中煤粉、泥質(zhì)物質(zhì)、焦運移影響的物理模擬試驗將在后續(xù)研究中開展。