基于煤粉堵塞的煤體解堵試驗研究

石建行，馮增朝，周 動,2，胡林杰，孟巧榮

(1.太原理工大學(xué) 原位改性采礦教育部重點實驗室，山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原 030024)

在煤層氣開采過程中，不管是煤巖自身的因素(煤巖組分、煤巖結(jié)構(gòu)、煤巖變形變質(zhì)程度)還是工程擾動(鉆井及壓裂等施工對煤儲層的破壞)的影響，都不可避免的產(chǎn)生煤粉。煤粉的產(chǎn)生及運移會堵塞煤層氣井的天然孔裂隙通道，降低煤層裂縫的導(dǎo)流能力，影響煤層氣井的產(chǎn)能及壽命；同時，煤粉的沉積會降低泵效，造成埋泵、卡泵等問題。

國內(nèi)外學(xué)者在煤粉運移對煤體導(dǎo)流能力的影響方面做了很多研究：鄒雨時等研究了煤粉在支撐劑充填層內(nèi)的運移規(guī)律及其對導(dǎo)流能力的傷害機理、影響程度，發(fā)現(xiàn)煤粉的聚集附著、橋堵孔喉是支撐劑充填層導(dǎo)流能力傷害的主要原因；楊宇等分析了壓裂過程中煤粉的形成機理及其對煤儲層傷害的機理；趙政等建立的氣/水滲流模型詳細(xì)的刻畫了氣/水兩相驅(qū)替煤粉引起的樹脂-煤心柱樣內(nèi)裂縫導(dǎo)流能力的衰減特征；胡勝勇等探討了煤粉運移沉積對支撐裂縫內(nèi)煤粉分布規(guī)律及滲透率時空演化的影響；韓國慶等開展了煤粉顆粒靜態(tài)沉降實驗和動態(tài)運移實驗，得到了煤粉顆粒靜態(tài)沉降末速和最小攜帶速度；劉巖等進行了支撐裂縫中不同流速、不同煤粉含量的流體流動物模實驗，發(fā)現(xiàn)煤粉容易沉積在支撐裂縫中堵塞支撐劑構(gòu)建的孔隙，對支撐裂縫導(dǎo)流能力的傷害嚴(yán)重；石軍太等建立的考慮煤粉堵塞影響的煤儲層滲透率模型定量化的描述了煤儲層滲透率隨流體流速的變化；張芬娜等基于 Kozeny 的毛細(xì)管巖石模型，建立了煤粉影響后產(chǎn)氣通道滲透率模型，分析了煤粉對產(chǎn)氣通道滲透率和導(dǎo)流能力的影響；綦耀光等基于脫落煤粉滾動啟動條件和運移，建立了煤粉脫落、運移和堵塞的孔隙度和滲透率模型，分析了煤粉排出量對煤層孔隙度和滲透率的影響；ZOU等研究了煤粉對支撐劑導(dǎo)流能力的影響程度，揭示了煤粉的遷移和滯留受支撐劑尺寸、支撐劑類型和煤粉性質(zhì)的影響。但目前對于煤粉堵塞的煤體解堵規(guī)律的研究鮮見報道。由于煤儲層是由孔隙、裂隙組成的雙重結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其細(xì)觀孔隙具有分形特征，孔徑分布較廣，而影響煤層氣滲流的孔隙尺度為微米～毫米級，而大多數(shù)礦區(qū)、煤種的煤都含有該孔徑范圍的孔隙。為此，筆者以山西沁水煤田和順煤礦的煤樣為研究對象，采用氣-液-固三相驅(qū)替模擬系統(tǒng)，設(shè)計了煤樣封堵及反向注水、氣驅(qū)替煤粉解堵煤樣的系列室內(nèi)實驗，探討不同封堵壓力及解堵介質(zhì)、壓力下煤體滲透率的變化特征。

1 試 驗

1.1 試驗設(shè)備

氣-液-固三相驅(qū)替模擬實驗系統(tǒng)主要由高壓氣瓶、真空泵、手動泵、蓄能器、中間容器、夾持器、壓力表、液體收集器、高精度電子天平、電腦、若干閥門及管線等組成。其中高壓氣瓶用來提供模擬所需的孔隙壓；手動泵用于加軸圍壓；蓄能器能夠保證實驗全過程壓力保持穩(wěn)定；中間容器用于盛放水溶液及封堵液；三軸夾持器可放入直徑為50 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱試件；液體收集器、高精度電子天平及電腦可實時記錄液體產(chǎn)量變化。裝置連接外觀如圖1所示。

圖1 氣-液-固三相驅(qū)替模擬實驗裝置Fig.1 Experimental setup of gas-liquid-solid threephase flooding simulation

1.2 試驗樣品

(1)實驗所用原煤通過現(xiàn)場采集并用塑料薄膜密封，運至實驗室后采用大型煤巖取心機取心，本實驗選取的煤樣取自山西沁水煤田和順煤礦，沿著垂直層理方向鉆取相鄰位置上取心，加工成50 mm×100 mm尺寸的標(biāo)準(zhǔn)試樣。將取好的煤樣在實驗前放置盛滿水的燒杯中浸泡48 h，使煤樣飽和水，便于后續(xù)進行液相滲透率的測試。

(2)粒徑小于320目(45 μm)的煤粉。根據(jù)沁水盆地煤層氣井排采收集的煤粉，激光粒度儀測試的粒徑中值為45 μm且該粒徑煤粉顆粒對導(dǎo)流能力的影響占據(jù)主導(dǎo)作用，為排除煤粉組分對試驗結(jié)果的影響，同時更好的還原自生煤粉對天然煤體的堵塞，實驗所用煤粉與煤試件均來自于同一礦區(qū)的同一工作面、層理方向相同、構(gòu)造相同或相近的塊煤，并用320目篩進行篩選。

(3)為增強煤粉顆粒與水分的親和性，防止煤粉顆粒在中間容器及管線滲流中發(fā)生大量沉淀，配置了封堵溶液。本實驗在237 g的純凈水中加入0.5 g十二烷基硫酸鈉試劑，并經(jīng)過充分搖晃震蕩，待其充分溶解后，加入12.5 g上述碾磨的煤粉，再次充分搖晃震蕩，加速煤粉與水的親和，便配制成了煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、十二烷基硫酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的封堵液。根據(jù)博勒飛Brookfield DV-Ⅱ+ Pro旋轉(zhuǎn)黏度計測得當(dāng)壓強為101.325 kPa、溫度為20 ℃下，0.2%十二烷基硫酸鈉溶液的黏度為1.29 mPa·s，純凈水的黏度為1.01 mPa·s，前者的黏度僅略大于純凈水的黏度，所以并不會影響堵塞特征。

(4)反向液相滲流的液體為純凈水，反向氣相滲流選用的氣體為氮氣。

1.3 試驗方法及步驟

將煤樣裝入滲流夾持器中，進行氣密性檢查；抽真空24 h后施加6 MPa的軸壓和圍壓，使煤樣處于三維靜水壓力的狀態(tài)；為了評價解堵效果，首先按照設(shè)定的壓力測試煤樣的水相滲透率測試以及含束縛水下的氣相滲透率。然后再按照設(shè)定的孔隙壓進行煤粉溶液的滲流試驗，收集出口端的溶液，計算煤體滲透率；待出口端的流速趨于穩(wěn)定值不再衰減時，滲流通道封堵完成；將裝置的出口與入口對調(diào)，即原出口接施加孔隙水/氣壓的管路，原入口改為出水/氣口，收集滲流的水量或氣體量，測算滲透率的變化情況。

分別用式(1)，(2)計算煤體的液相和氣相的滲透率：

(1)

(2)

其中，，為煤體的液相和氣相滲透率，m;，為水和氮氣的動力黏度，mPa·s;，分別為試樣的長度(m)和截面積(m);，分別為進口和出口壓力MPa；，為水和氮氣的流速，m/s。含飽和水煤樣的液相和氣相滲透率測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同孔隙壓力下煤樣的初始液相滲透率、含束縛水下氣相滲透率Fig.2 Initial liquid permeability,including bonded water gaspermeability of coal sample in different pores

2 實驗結(jié)果與分析

筆者規(guī)定封堵時封堵液的滲流方向為正向滲流，解堵時，解堵流體(水或氣體)滲流方向為反向滲流。

2.1 不同封堵壓力下煤樣滲流特征

不同封堵壓力下的主要實驗參數(shù)見表1。根據(jù)封堵過程中液相流速變化、產(chǎn)出的液體量與煤粉濃度的關(guān)系及式(1)，(2)計算得出2組封堵壓力下液相滲透率、煤粉累積量的變化特征，如圖3所示。其中，滲透率損害率為

(3)

式中，為煤樣初始滲透率，m；為封堵完成后煤樣的最終滲透率，m。

表1 不同封堵壓力實驗參數(shù)對比

圖3(a)為3 MPa封堵壓力下煤樣的液相滲透率實時變化特征。曲線整體呈現(xiàn)對數(shù)衰減的規(guī)律，即液相滲透率的衰減速率由快轉(zhuǎn)慢。封堵初始，封堵液未進入煤樣滲流通道內(nèi)，煤樣的液相滲透率與封堵前煤樣3 MPa下的初始液相滲透率相同；150 min內(nèi)，封堵液中攜帶的煤粉顆?？焖僬紦?jù)了煤樣上表面的主要孔裂隙，滲透率降低了28.63%，該階段為快速封堵階段；150～1 000 min內(nèi)，隨著封堵時間的增加，滲流通道的沉降煤粉量逐漸增加，流體流速變緩，攜粉能力減弱，煤樣的滲透率衰減速率減緩，該階段為中速封堵階段；1 000～3 500 min，沉降、堆積的煤粉顆粒已經(jīng)達到峰值，對煤樣滲流能力的影響作用逐漸降低，滲透率幾乎不發(fā)生衰減，封堵時間截止到3 500 min，煤樣的液相滲透率降低了84.44%，該階段為慢速封堵階段；3 500 min后，煤樣的滲透率趨于定值。

圖3 不同封堵壓力下煤樣液相滲透率煤粉累積量變化特征Fig.3 Change characteristics of coal liquid permeability and coalpowder accumulation under different plugging pressure

圖3(b)為4 MPa封堵壓力下煤樣的液相滲透率實時變化特征。與3 MPa的封堵壓力相比，液相滲透率曲線同樣呈現(xiàn)對數(shù)衰減的規(guī)律但2者的區(qū)別在于滲透率達到平衡的時間隨著封堵壓力的提高呈現(xiàn)衰減的趨勢，這是由于高壓力下液相滲流速度快，封堵初期相同時間液體攜帶的煤粉量較大，能夠在短時間完成煤樣的快速封堵。

圖4為煤樣封堵結(jié)束后煤樣的滲流入口端面照片，煤粉溶液中的煤粉顆粒沉積覆蓋在滲流入口端面上，堵塞煤樣孔裂隙通道，是引起煤樣滲透率下降的主要原因。

圖4 封堵結(jié)束后煤樣滲流入口端面Fig.4 Coal sample seepage entrance face afterblocking completion

2.2 反向注水、氣解堵煤樣滲流特性

筆者對3 MPa封堵壓力下的煤樣進行了反向注水、氣解堵試驗。

2.2.1 反向注水解堵的滲透率變化規(guī)律

煤樣封堵階段完成后，以解堵壓力為3，4，5 MPa對煤樣進行反向注水，不同解堵壓力下煤樣的液相滲流變化特征如圖5所示。

圖5 不同反向注水壓力下煤樣的液相滲流特征Fig.5 Liquid permeability characteristics of coal sampleunder different reverse water injection pressure

3 MPa反向注水壓力下，煤樣的液相滲透率呈現(xiàn)出“衰減—平穩(wěn)”的趨勢，解堵開始時，煤樣的液相滲透率與封堵完成后的液相滲透率相同；解堵時間0～1 000 min內(nèi)，液相滲透率持續(xù)衰減，較解堵前降低了26%；1 000 min后液相滲透率趨于穩(wěn)定。

4 MPa反向注水壓力下，煤樣的液相滲透率呈“雙極峰”的形態(tài)，煤樣的液相滲透率在300～500 min和1 200～1 400 min內(nèi)提高了42%，但隨著解堵時間的延長，1 500 min后液相滲透率趨于穩(wěn)定值，與解堵前相比并未明顯提高。

5 MPa反向注水壓力下，煤樣的液相滲透率表現(xiàn)為“上升—平穩(wěn)—衰減—平穩(wěn)”趨勢，0～300 min內(nèi)，液相滲透率持續(xù)波動上升，在242 min左右到達峰值，較初始液相滲透率提高了22%；300 min后，煤樣的液相滲透率驟降至初始值并趨于穩(wěn)定。

對比煤樣的初始液相滲透率發(fā)現(xiàn)，反向注水壓力為3，4，5 MPa時，反向注水并未達到煤樣解堵的目的。其中3 MPa解堵壓力下煤樣的最終液相滲透率低于封堵完成后的數(shù)值；隨著反向注水壓力的提高(4，5 MPa)，液相滲透率會在一定的時間段內(nèi)有小幅度提高，而且反向注水壓力越大，液相滲透率上升的反應(yīng)速度越快，煤樣的最終液相滲透率與封堵完成后相當(dāng)；3個反向注水壓力的出口端均為無雜質(zhì)的純凈水，未見煤粉產(chǎn)出。

2.2.2 反向注氣解堵的滲透率變化規(guī)律

在反向注氣的全過程中，氣體進入到飽和水煤體中，會在氣區(qū)前端形成一個氣水混合流動區(qū)，包含水滲流、氣水混合滲流、含束縛水的氣體滲流3個階段。筆者只討論后2個階段氣體驅(qū)替解堵過程中煤樣氣相滲透率的變化規(guī)律。表2匯總了6種不同解堵壓力下的主要實驗參數(shù)；根據(jù)實驗記錄的各個時刻的氣體流量變化、反向注氣壓力及式(2)計算得出4種不同解堵壓力下的氣相滲透率變化曲線(圖6)。

圖6 不同反向注氣壓力下煤樣的氣相滲透率變化特征Fig.6 Variation characteristics of gas permeability ofcoal samples under different reverse gas injection pressures

通過表2以及圖6中的實驗結(jié)果，得到以下反向注氣的煤體滲透率變化規(guī)律：

(1)當(dāng)反向注氣壓力(2.0,2.5 MPa)低于封堵壓力時，出口端始終處于氣水混合滲流階段，呈現(xiàn)出氣柱水柱交替運移產(chǎn)出的現(xiàn)象(圖7)，驅(qū)替72 h后液體產(chǎn)出量分別為0.98,1.20 g，且全程未見煤粉溶液產(chǎn)出，煤樣未解堵。

表2 不同反向注氣解堵壓力實驗參數(shù)對比

圖7 氣柱水柱交替運移示意Fig.7 Schematic diagram of alternating migration ofair column and water column

當(dāng)反向注氣壓力(3.0,3.5,4.0,5.0 MPa)大于或等于封堵壓力時，煤樣的氣相滲透率變化曲線為類“S”型曲線且全過程氣相滲流具有明顯的階段性特征：線性增長階段、指數(shù)增長階段、穩(wěn)定階段；同時，解堵完成后的最終氣相滲透率與煤樣的初始?xì)庀酀B透率(圖2)完全相等，煤樣解堵成功。不同之處在于解堵的時間效應(yīng)在不同的反向注氣壓力下有所區(qū)別：當(dāng)反向注氣壓力由3.0 MPa提高至3.5 MPa，解堵所需時間減少了34.91%；由3.5 MPa提高至4.0 MPa，解堵所需時間減少了41.18%；由4.0 MPa提高至5.0 MPa，解堵所需時間減少了19.25%；由此可以得出：壓力值越高，解堵速度越快，解堵完成需要的時間越少；相比于4～5 MPa反向注氣壓力段，3～4 MPa反向注氣壓力段的解堵速度對壓力的變化具有較高的敏感性。

為了定量化的探究解堵過程中的氣相滲流的階段性變化特征，綜合分析了5 MPa反向注氣壓力下各個時間點的煤粉產(chǎn)出情況與氣相滲透率變化特征，圖8為煤粉產(chǎn)出點與氣相滲透率的對應(yīng)關(guān)系。圖8(a)為收集與計量裝置，圖8(b)～(g)記錄了煤粉產(chǎn)出情況。反向注入5 MPa氣體后0時刻時，產(chǎn)出的煤粉為封堵過程中管道中殘留的煤粉溶液(圖8(b))，在注氣壓力的驅(qū)動下由出口端排出，此時排出的煤粉對煤樣的氣相滲透率沒有影響，之后在較長一段時間內(nèi)為液相滲流階段，未有煤粉溶液產(chǎn)出；在出氣后的70 min內(nèi)，煤樣的氣相滲透率以線性規(guī)律緩慢增長，平均增長速度約為4.59×10m/min，期間有極少量的煤粉溶液柱產(chǎn)出(圖8(c))，產(chǎn)出的煤粉大部分懸浮在錐形瓶上方，由此可以判斷，此段時間產(chǎn)出的煤粉顆粒主要為小粒徑低密度的煤粉顆粒；出氣后70 min(圖8(d))，出口端幾乎連續(xù)產(chǎn)出3個煤粉溶液柱，此后氣相滲透率便出現(xiàn)了第1個突增點，19 min內(nèi)的平均增長速度約為2.5×10m/min，這段時間較多煤粉的產(chǎn)出使得部分滲流通道得以打開，產(chǎn)出的煤粉顆粒少量出現(xiàn)下沉；此后約43 min的時間段內(nèi)，氣相滲流增長速度逐漸減緩，期間未有煤粉溶液產(chǎn)出；出氣后133 min(圖8(e))，出口端產(chǎn)出大量的煤粉溶液，氣相滲透率階梯式躍增，2 min內(nèi)的平均增長速度約為2.15×10m/min，此刻大部分堵塞滲流通道的煤粉(包括煤樣上表面的煤泥)被高壓氣推動運移出來，氣相滲透率呈指數(shù)型增長，出氣后163 min(圖8(f))，隨著最后一段煤粉溶液柱產(chǎn)出，氣相滲透率約10 min內(nèi)恢復(fù)至初始值，平均增長速度約為3.5×10m/min，此段時間滲透率主要受煤樣內(nèi)部束縛水的影響，這2個時刻產(chǎn)出的煤粉溶液中下沉煤粉顆粒的比重增大，圖8(g)為產(chǎn)出煤粉顆粒的空間分布狀態(tài)，下沉顆粒多于懸浮顆粒，下沉煤粉顆粒產(chǎn)出的主要時間點是出氣133,163 min，因此它們是煤樣解堵的關(guān)鍵時刻。

圖8 煤粉產(chǎn)出點與氣相滲透率的對應(yīng)關(guān)系(5 MPa)Fig.8 Correspondence between coal powder granule production and gas permeability(5 MPa)

3 討 論

正向封堵后的煤樣在同等反向注水/氣壓力下結(jié)果的差異性，主要原因如下：

(1)分子性質(zhì)的差異性。氮氣分子的直徑為0.364 nm，水分子的直徑0.4 nm；20 ℃溫度下，水溶液的動力黏度是1.01 mPa·s，氮氣的動力黏度為1.747×10MPa·s，因此，在未被完全堵塞的孔裂隙通道處，氣體分子具有更好的通過能力，水分子則由于毛細(xì)管力的影響無法流動。

(2)驅(qū)替速率的差異性。曹代勇等研究發(fā)現(xiàn)：流體狀態(tài)下，煤粉的運移存在臨界啟動速率，驅(qū)替流速與煤粉的產(chǎn)出量成正比關(guān)系。在本文的研究中，5 MPa驅(qū)替壓力下，水的最大驅(qū)替速率僅為5.64×10mL/min，氮氣驅(qū)替下煤粉開始產(chǎn)出的速率為1.8 mL/min，煤粉產(chǎn)出結(jié)束的速率為15 mL/min，氮氣驅(qū)替的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水的驅(qū)替速率，因此能夠解堵污染煤樣。

(3)用水進行解堵時，煤粉在煤體中的運移較為復(fù)雜，導(dǎo)致煤體滲透率的變化比較復(fù)雜，還需要進一步試驗研究。

4 結(jié) 論

(1)煤樣封堵過程中液相滲透率隨時間呈對數(shù)衰減規(guī)律；達到平衡時間隨著封堵壓力的提高呈現(xiàn)衰減的趨勢；煤粉顆粒沉積在滲流入口端堵塞煤樣的孔裂隙通道，是引起煤樣滲透率下降的主要原因。

(2)當(dāng)解堵介質(zhì)為水：反向注水壓力等于封堵壓力時，煤樣最終液相滲透率低于封堵前的數(shù)值；反向注水壓力大于封堵壓力時，液相滲透率會在一定的時間段內(nèi)有小幅度提高，而且反向注水壓力越大，液相滲透率上升的反應(yīng)速度越快，煤樣的最終液相滲透率與封堵完成后的相當(dāng)。

(3)當(dāng)解堵介質(zhì)為氣：反向注氣壓力大于或等于封堵壓力時，能夠完全解堵污染煤樣。煤樣的氣相滲透率變化曲線為類“S”型曲線且全過程氣相滲流經(jīng)歷了線性增長階段、指數(shù)增長階段、穩(wěn)定階段。少量小粒徑低密度懸浮煤粉顆粒產(chǎn)出促進了滲透率的緩慢提高；密度相對較大的下沉顆粒產(chǎn)出是煤樣快速完成解堵的主要原因；反向注氣壓力越高，解堵速度越快且反向注氣壓力越接近封堵壓力，解堵速度對壓力變化的敏感性越高。

(4)反向注氣解堵污染煤樣的能力強于反向注水。水、氣體分子性質(zhì)的不同及驅(qū)替速率的差異性是導(dǎo)致反向注水、氣結(jié)果差異性的主要原因；用水進行解堵時煤粉的運移及煤體滲透率的變化還需進一步試驗研究。