氣/水兩相驅(qū)替煤粉引起的煤裂縫導流衰減特征實驗研究

趙 政，倪小明,2，劉澤東，吳 翔

(1.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454000; 2.中原經(jīng)濟區(qū)煤層(頁巖)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)煤層氣有限責任公司，北京 100011)

查明煤層氣井排采過程煤粉運移引起的煤層裂縫導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]。國內(nèi)外學者對單相水驅(qū)替條件下的煤粉運移規(guī)律進行了大量的研究。有學者通過使用煤粉濃度傳感器分析了煤粉的形成機理[3]，并借助裂縫導流儀進行了大量物理模擬實驗[4-7]，通過變驅(qū)替流速、圍壓大小等條件研究了煤粉產(chǎn)出量對裂縫導流能力的影響，發(fā)現(xiàn)煤粉產(chǎn)出量與驅(qū)替流速呈正相關(guān)、與圍壓呈負相關(guān);在此基礎上，其他學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臨界流速[8-9]和在井筒中自由沉降的數(shù)學模型[10-13]，發(fā)現(xiàn)煤粉啟動臨界流速和井筒中自由沉降速度隨煤粉粒度減小而減小，當煤粉粒徑小于0.2 mm時，煤粉產(chǎn)出量與流速呈正相關(guān)關(guān)系，當粒徑在0.2～0.3 mm時，煤粉產(chǎn)出量不隨流速變化[14];另有學者以滲透率為著手點，研究不同煤粉粒徑、不同流速以及不同縫寬條件下煤粉運移狀態(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，且在初期對滲透率傷害較大，驅(qū)替一定時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，既有單相水流，也存在著氣/水兩相流，實驗研究氣/水兩相驅(qū)替煤粉時的裂縫導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。為此，筆者采用自制的氣-液-固三相驅(qū)替煤粉裝置，進行氣/水兩相驅(qū)替煤粉過程氣相、液相滲透率變化實驗，并基于建立的氣/水滲流模型得出了氣/水兩相驅(qū)替煤粉引起的樹脂-煤芯柱樣內(nèi)裂縫導流能力的衰減特征。

1 實驗材料與研究方法

1.1 實驗材料與主要儀器

1.1.1實驗材料制備

(1)煤粉準備。實驗所用的煤粉來自山西省長平礦。將現(xiàn)場采集的煤塊粉碎后使用不同粒級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，每種粒徑煤粉準備200 g。

(2)樹脂-煤芯柱樣制作。柱樣制作時，考慮到我國煤層原始滲透率普遍較低，煤層氣開發(fā)時多進行水力壓裂等措施進行儲層改造[18-22]，若直接在原始煤塊上鉆取煤柱進行實驗，需要的驅(qū)替壓力較大、驅(qū)替時間長、煤粉產(chǎn)出少甚至不會有煤粉產(chǎn)出，與現(xiàn)場煤粉在壓裂后煤層裂縫中的運移情況存在一定偏差。為了更好地模擬現(xiàn)場情況，本次實驗利用透明膠帶將若干長約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)壁涂有高級潤滑脂的φ50 mm×100 mm鋼制模具正中間部位，把配好的環(huán)氧樹脂混合膠倒入模具中至基本與煤芯等高后，將模具置于通風良好處晾曬，72 h后用橡膠錘取出樹脂-煤芯柱樣并用砂紙將柱樣兩端磨平，使樹脂-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)替模擬實驗原理

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

圖1 樹脂-煤芯柱樣Fig.1 Resin-coal core sample

圖 2 氣-液-固三相驅(qū)替模擬實驗裝置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)，與此同時打開六通閥門上部的輸氣管路。高壓氣體通過氣體減壓閥、氣體流量計，并通過六通閥門與液-固相流體混合，一起注入樣品容器內(nèi)。

1.2 研究方法及測試步驟

1.2.1研究方法

首先進行無煤粉條件下氣/水在樹脂-煤芯柱樣中的滲流實驗，作為空白樣，得出樹脂-煤芯柱樣在無煤粉條件下氣、水流動規(guī)律。然后在幾乎相同初始驅(qū)替壓力下，分別進行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)替實驗，根據(jù)計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)替時間的變化，分析在驅(qū)替不同粒徑煤粉時氣體和礦井水的滲流規(guī)律差異。

基于氣/水兩相驅(qū)替不同粒徑煤時氣體和礦井水的滲流模型，將樹脂-煤芯柱樣內(nèi)復雜裂縫簡化為一條水平等高裂縫，根據(jù)柱樣在單相水驅(qū)替時的平均滲透率及平板理論計算樹脂-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)替不同粒徑煤粉時氣體流動占據(jù)的裂縫縫寬、液體流動占據(jù)的裂縫縫寬及煤粉封堵的裂縫縫寬隨驅(qū)替時間的變化規(guī)律，并通過氣、液流動占據(jù)裂縫總縫寬的變化規(guī)律來表征裂縫在氣/水兩相驅(qū)替煤粉時的導流衰減特征。

實驗加載的圍壓為4 MPa，軸壓為2 MPa，實驗溫度為25 ℃。

1.2.2實驗步驟

(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，并準備無煤粉的礦井水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(或無煤粉礦井水)，將制作好的樹脂-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，打開各通道閥門，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，水壓達到2 MPa穩(wěn)定后關(guān)閉管路各閥門，憋壓1 h，管路中各壓力表壓力變化小于5%時即可認定裝置氣密性良好，關(guān)閉管路各閥門準備實驗。反之，利用滴肥皂水的方法檢查管路連接處并將漏氣點重新連接，直至達到實驗要求。

(4)進行實驗。打開氦氣瓶口安全閥、六通閥門上部的輸氣管路，高壓氣體通過氣體減壓閥、氣體流量計、六通閥門進入三軸夾持器。打開閥門，氦氣驅(qū)動中間容器上部混合液經(jīng)過六通閥門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)替前直接進入氣體管道，堵塞氣路或氣體流量計，實驗前1 h氣體流量計有連續(xù)示數(shù)認為實驗合格)。實驗停止產(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驗誤差，通過儀器上壓力計、氣體流量計記錄施工過程中驅(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，至氣體流量計幾乎不再發(fā)生變化、煤粉收集器內(nèi)無液體產(chǎn)出后停止實驗。

實驗過程中分別用液相滲透率和氣相滲透率來反映樹脂-煤芯柱樣導水能力及導氣能力，其中液相滲透率計算公式為

(1)

式中，Kw為測試柱樣的液相滲透率，10-15m2;L為樹脂-煤芯柱樣的長度，cm;q為礦井水通過柱樣的流速，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。

氣相滲透率的計算公式為

(2)

式中，Kg為測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)清洗樹脂-煤芯柱樣。本次實驗結(jié)束后將樹脂-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脂-煤芯柱樣)，清洗完成并干燥12 h后可繼續(xù)使用。

(6)進行下一組實驗。依次使用無煤粉礦井水、6種不同粒徑煤粉-礦井水混合液進行驅(qū)替實驗，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 實驗結(jié)果與分析

2.1 無煤粉驅(qū)替時氣、水通過樹脂-煤芯柱樣的滲流特征

根據(jù)上述測試步驟及式(1)，(2)得到無煤粉驅(qū)替時氣、水通過樹脂-煤芯柱樣的液相滲透率、氣相滲透率及其隨驅(qū)替時間的變化趨勢(圖3)。

在圖3中，氣相滲透率從實驗開始就有示數(shù)顯示，而液相滲透率在實驗115 min后才開始有示數(shù)，這是由于氣體流量計安裝于減壓閥的注氣入口處，而液體流量通過煤粉收集器上刻度來測量(不使用液體流量計是防止氣體、煤粉對其測試數(shù)據(jù)造成影響)，因此驅(qū)替初期會有氣體流量顯示，而混合液未通過樹脂-煤芯柱樣時不會有液體滲透率顯示。通過無煤粉驅(qū)替時的空白對比試驗認為:入口端氣壓/水壓在氣、水正常通過樹脂-煤芯柱樣時會呈“逐漸平緩”式下降，在對比的不同粒徑煤粉驅(qū)替實驗中可根據(jù)入口端水壓/氣壓在下降時的波動判斷是否發(fā)生了煤粉堵塞。

根據(jù)無煤粉氣/水兩相驅(qū)替時液相滲透率、氣相滲透率的變化規(guī)律，結(jié)合儀器液相滲透率測試數(shù)據(jù)滯后的缺陷，對液相滲透率、氣相滲透率進行趨勢化處理(圖3(c))，根據(jù)處理后結(jié)果可以明顯看出，在無煤粉幾乎相同初始壓力下驅(qū)替時，樹脂-煤芯柱樣對氣體和礦井水的導流能力基本呈管弦狀變化，氣體和礦井水在通過樹脂-煤芯柱樣時相互爭搶柱樣內(nèi)裂縫空間，使裂縫在無堵塞情況下對液體的導流能力和對氣體的導流能力產(chǎn)生波動(800 min后液相滲透率與氣相滲透率同時降低，主要是因為氣/水從氣體緩沖瓶/中間容器內(nèi)進入樣品容器后后續(xù)壓力未能及時補充導致)。

取趨勢化處理結(jié)果中100～600 min受儀器影響較小、氣/水流動相對穩(wěn)定階段擬合無煤粉氣/水兩相驅(qū)替時氣體、礦井水的滲流規(guī)律(擬合過程如圖4所示)，得到液相滲透率隨驅(qū)替時間t的變化趨勢為

Kw=-0.018 99sin(0.849 8πt+0.789 7)-

0.042 68

(3)

氣相滲透率隨驅(qū)替時間t的變化趨勢為

Kg=0.005 61cos(0.854 8πt-0.992 9)+

0.013 04

(4)

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

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

2.2 氣、水驅(qū)替不同粒徑煤粉時滲流特性

根據(jù)實驗記錄氣體/液體流量、入口端壓力變化及式(1),(2)計算得出6組不同粒徑煤粉驅(qū)替過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組不同粒徑煤粉時的主要實驗參數(shù)見表1。

圖5 不同粒徑煤粉氣/水兩相驅(qū)替實驗結(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)替實驗參數(shù)對比Table 1 Comparison of experimental parameters of pulverized coal with different particle sizes driven by gas and water

通過圖5可以發(fā)現(xiàn)，不同粒徑煤粉在驅(qū)替時入口端水壓/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，即不同粒徑煤粉在驅(qū)替一段時間后都會對裂縫造成完全封堵。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)氣時間也有明顯增加趨勢。

由于氣體分子直徑相對于液體分子直徑較小，在部分并未完全堵塞的裂縫通道處，水分子由于毛細管阻力無法流動，氣體分子仍可自由通過，因此6組實驗結(jié)果中氣相滲透率降為0的時間都會晚于液相滲透率降為0的時間。

通過氣相滲透率、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種不同粒徑煤粉時氣體和礦井水的滲流規(guī)律:

(1)氣/水攜帶40～60目煤粉驅(qū)替200～800 min內(nèi)，氣、水相互爭搶裂縫空間使氣相滲透率和液相滲透率產(chǎn)生相對波動，800 min后裂縫堵塞嚴重，樹脂-煤芯柱樣氣相滲透率、液相滲透率同時降低，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、水相互爭搶裂縫空間，500 min后裂縫堵塞嚴重，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受阻嚴重，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、水相互爭搶裂縫空間，500 min后裂縫堵塞程度使礦井水導流能力受到較大影響，液相滲透率大幅降低，隨著礦井水流動受阻嚴重，氣體流動能力逐漸占據(jù)主導，氣相滲透率小幅增加后開始降低，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)裂縫導流優(yōu)勢，800 min后，裂縫堵塞程度嚴重影響礦井水流動能力，液相滲透率驟降，氣相滲透率小幅增大也開始降低，直至1 292 min后裂縫被完全封堵。

(6)大于200目煤粉驅(qū)替時，礦井水在驅(qū)替初期直接搶占樹脂-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導水，300 min后，煤粉對樹脂-煤芯柱樣內(nèi)裂縫的堵塞使其導水能力受到劇烈影響，液相滲透率驟降為0，礦井水失去流動能力后，部分未被堵塞但相對較小的空間成為氣體的專屬流動通道，氣相滲透率大幅增加，隨著氣體推動煤粉進一步堵塞裂縫，800 min后，氣相滲透率開始降低，直到1 983 min裂縫被完全封堵。

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

2.3 樹脂-煤芯柱樣內(nèi)裂縫導流衰減特征定量分析

2.3.1產(chǎn)出及封堵煤粉對比

分別稱取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較輕的浮在液柱上方，密度相對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。為了研究通過樹脂-煤芯柱樣產(chǎn)出的及封堵在裂縫內(nèi)煤粉分別來自哪部分，取60～80,>200目兩種粒徑煤粉實驗結(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后的分層效果進行對比(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較產(chǎn)出的多，下沉顆粒少。因此認為，煤粉顆粒小于100目時，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樹脂-煤芯柱樣裂縫導流衰減特征定量評價

圖6 煤粉分層效果對比Fig.6 Contrast of coal powder stratification effect

為了定量研究驅(qū)替過程中樹脂-煤芯柱樣裂縫導流能力的變化規(guī)律，將柱樣內(nèi)復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)，進一步對樹脂-煤芯柱樣進行無煤粉單相水驅(qū)替實驗，結(jié)合式(1)計算驅(qū)替過程柱樣平均滲透率，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為裂縫與流體流動方向的夾角，(°)。

單相水驅(qū)替時累積流量及驅(qū)替壓力變化如圖8所示，裂縫縫寬計算所需的主要參數(shù)見表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 裂縫縫寬計算所需的主要參數(shù)Table 2 Main parameters used in crack width calculation

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

Kg=0.031 7Wg-0.010 3

(6)

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

通過圖9可以定量評價不同驅(qū)替時間點樹脂-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，氣體流動占據(jù)的縫寬基本都在0.4 mm以下。液體流動占據(jù)縫寬的降速與煤粉粒徑基本呈負相關(guān)，氣體流動占據(jù)縫寬的降速與煤粉粒徑基本呈正相關(guān)。樹脂-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。用計算得到的氣-液-固三相占據(jù)裂縫縫寬動態(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)裂縫縫寬變化趨勢存在明顯差異。60～200目間4種粒徑煤粉在驅(qū)替時氣、水滲流及裂縫封堵規(guī)律具有良好的一致性，氣、水相互爭搶裂縫空間均發(fā)生在300～600 min，該階段氣/水波動滲流時會攜帶部分煤粉產(chǎn)出，導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，隨后液體流動占據(jù)縫寬大幅降低，氣體流動占據(jù)縫寬減小趨勢較緩慢。氣/水兩相驅(qū)替40～60目煤粉時，氣、水攜粉產(chǎn)出的正效應不明顯，這也是該粒徑煤粉驅(qū)替時產(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，是煤粉的主要載體，液體流動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)替時氣-液-固三相占據(jù)裂縫縫寬的變化的相似點，用氣、水流動縫寬和反應氣/水兩相驅(qū)替煤粉時裂縫導流能力變化的共性，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)替煤粉運移的過程中，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)點對應時間不同):

(1)液體產(chǎn)出前階段。開始驅(qū)替到礦井水完全通過樹脂-煤芯柱樣前，該階段柱樣內(nèi)裂縫封堵速率較快，因為這段時間內(nèi)煤粉-礦井水混合液進入樹脂-煤芯柱樣后，礦井水首先會潤濕干燥的樹脂-煤芯柱樣，而不會攜粉向前運移，煤粉滯留在柱樣的裂縫內(nèi)，對裂縫導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。礦井水完全通過樹脂-煤芯柱樣到裂縫的縫寬重新開始減小，該階段特征主要表現(xiàn)為產(chǎn)水量開始增加，裂縫的縫寬增大，氣/水攜粉打磨孔壁或推動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。裂縫的縫寬達到最大值到停止出水，隨著驅(qū)替時間增加，柱樣裂縫內(nèi)沉降煤粉量不斷增加，推動煤粉產(chǎn)出所需要的動力增大，氣液攜粉產(chǎn)出能力驟降，混合液中煤粉進一步封堵裂縫后，礦井水失去流動能力，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，該階段樹脂-煤芯柱樣裂縫內(nèi)剩余空間基本完全用到導氣，由于氣體攜粉能力較弱，裂縫封堵相對緩慢。

3 結(jié) 論

(1)在幾乎相同初始壓力驅(qū)替下，氣、水通過樹脂-煤芯柱樣時會相互爭搶柱樣內(nèi)部裂縫空間，裂縫在無堵塞情況下對液體的導流能力和對氣體的導流能力呈管弦狀變化。6種不同粒徑煤粉在氣/水兩相驅(qū)替一定時間后都會完全封堵樹脂-煤芯柱樣內(nèi)部裂縫，裂縫完全堵塞時間、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、水滲流仍會表現(xiàn)管弦狀波動特征，但在煤粉堵塞一定程度后，氣相滲透率、液相滲透率開始同時減小，但液相滲透率降速相對較快，氣相滲透率降速相對緩慢。

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

(3)論文使用自制的氣-液-固三相驅(qū)替裝置進行氣/水兩相驅(qū)替煤粉引起的裂縫導流能力衰減特征研究時僅針對煤粉粒徑大小進行了討論，但在氣/水兩相驅(qū)替煤粉時，裂縫導流能力受裂縫尺寸、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流能力變化研究是研究氣/水兩相驅(qū)替下煤粉運移機理的重點。