煤粉沉積對支撐劑充填裂縫導(dǎo)流能力的影響

周 洋

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

煤層氣是一種以吸附的形式存儲在煤層中的非常規(guī)氣體，具有效率高、占地少、啟動快、使用安全等優(yōu)點[1]。我國煤層氣資源豐富，占世界煤層氣資源總量的13.7%，位居世界第3 位[2-3]。因此，加快煤層氣開發(fā)抽采，實現(xiàn)煤層氣產(chǎn)量的快速增長，對保障國家資源安全具有重大的意義[4-5]。然而，隨著水力壓裂技術(shù)在煤層氣排采中的廣泛應(yīng)用，煤層極易受到支撐劑和壓力的雙重影響，從而產(chǎn)生大量煤粉[6]。目前國內(nèi)外眾多學(xué)者對水力裂縫導(dǎo)流能力的影響因素開展了大量的研究。梁天成等[7]試驗研究了不同種類和規(guī)格支撐劑的基本性能與導(dǎo)流能力之間的關(guān)系；金智榮等[8]試驗研究了不同粒徑支撐劑組合對裂縫導(dǎo)流能力的影響；郭建春等[9]在導(dǎo)流室的基礎(chǔ)上試驗研究了裂縫內(nèi)支撐劑的嵌入程度；Wei 等[10]試驗研究了煤粉粒徑對支撐劑充填裂縫中煤粉顆粒運(yùn)移和滲透率變化的影響規(guī)律；Awoleke 等[11]通過建立支撐劑充填裂縫導(dǎo)流能力模型，研究了排水速度、儲層溫度、閉合應(yīng)力和支撐劑濃度等因素對支撐劑充填裂縫動態(tài)導(dǎo)流能力的影響；Chen 等[12]試驗研究了外力作用下粗糙裂縫內(nèi)部空間變化特征與裂縫導(dǎo)流能力之間的關(guān)系；Gao 等[13]試驗研究了不同煤粉濃度下水和煤粉流動對煤空隙及裂隙結(jié)構(gòu)的影響。目前針對支撐劑充填裂縫導(dǎo)流能力的研究主要是分析水流流速、支撐劑粒徑、壓力、溫度等因素對導(dǎo)流能力的影響，但大多數(shù)的研究未針對煤粉沉積對支撐劑充填裂縫導(dǎo)流能力的影響機(jī)制進(jìn)行研究。因此，采用支撐劑充填裂縫內(nèi)多相流實驗平臺來開展煤粉沉積對支撐劑充填裂縫導(dǎo)流能力的影響機(jī)制研究，從而為優(yōu)化煤層氣井的排采機(jī)制提供指導(dǎo)意義。

1 實驗裝置及實驗步驟

1.1 實驗裝置

研究采用支撐劑充填裂縫內(nèi)多相流實驗系統(tǒng)，實驗設(shè)備示意圖如圖1。實驗裝置包括：液壓機(jī)（施加軸向壓力）、恒流泵（注入煤粉懸浮液）、導(dǎo)流室（模擬支撐劑充填裂縫內(nèi)多相流流動）、攪拌機(jī)（避免煤粉懸浮液發(fā)生沉淀）、壓力傳感器（檢測導(dǎo)流室出入口壓差）、天平（記錄出口流體質(zhì)量）等。

圖1 實驗設(shè)備示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental equipment

1.2 實驗步驟

1）篩選煤粉。首先，將從某礦工作面取得的大型煤樣進(jìn)行切割粉碎，并利用電子篩選機(jī)對煤粉進(jìn)行粒徑區(qū)分，最終選取75～150 μm 以及150～250 μm的煤粉進(jìn)行實驗。

2）鋪置支撐劑充填裂縫。將380～830 μm 的石英砂支撐劑顆粒均勻鋪置在導(dǎo)流室中，支撐劑鋪置高度為5 mm。

3）施加閉合應(yīng)力。將導(dǎo)流室放置在液壓機(jī)下方，并設(shè)置3 MPa 的軸向壓力，待壓力值顯示穩(wěn)定后，打開恒流泵。

4）注入煤粉懸浮液。將篩選的煤粉分別按照不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比制備成煤粉懸浮液，為了避免煤粉懸浮液發(fā)生沉淀現(xiàn)象，攪拌機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)保證煤粉懸浮液均勻混合，并利用恒流泵將煤粉懸浮液注入導(dǎo)流室中。

5）烘干并收集沉積煤粉。實時觀察出入口壓差數(shù)據(jù)，等到壓差穩(wěn)定之后，停止注入煤粉懸浮液，并記錄天平數(shù)據(jù)，從而得到導(dǎo)流室出口處的累計流量。然后拆洗導(dǎo)流室，將導(dǎo)流室內(nèi)的支撐劑和沉積煤粉混合物放入電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干12 h 并稱重。

6）實驗數(shù)據(jù)收集及處理。對上述步驟獲得的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析，可以得到不同懸浮煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)下導(dǎo)流室內(nèi)支撐劑充填裂縫內(nèi)的壓差及煤粉沉積率變化規(guī)律，從而得到煤粉沉積對支撐劑充填裂縫導(dǎo)流能力的影響規(guī)律。

2 實驗結(jié)果

2.1 支撐劑充填裂縫出水點

裂縫出水時間隨懸浮煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化圖如圖2。由圖2 可知，在相同懸浮煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，煤粉粒徑越小，裂縫出水時間越早；而相同煤粉粒徑下，懸浮煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，裂縫出水時間越晚。

圖2 裂縫出水時間隨懸浮煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化圖Fig.2 Variation of fracture water outlet time with mass fraction of suspended pulverized coal

不同懸浮煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，支撐劑充填裂縫各出水時間所對應(yīng)的壓差值不斷變化，而出水時間表示的是支撐劑充填裂縫兩端壓差出現(xiàn)穩(wěn)定趨勢的時間，裂縫出水點處壓差變化圖如圖3。

由圖2 和圖3 可以看出，懸浮煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，裂縫出水時間越晚，出水點處的壓差值也越大。這是由于當(dāng)煤粉含量增加時，煤粉在開始運(yùn)移過程中極易受到支撐劑充填裂縫內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)以及煤粉自身特性的影響而產(chǎn)生沉積，導(dǎo)致支撐劑充填裂縫內(nèi)部空間體積結(jié)構(gòu)隨著煤粉含量的增加而減小，從而導(dǎo)致支撐劑充填裂縫兩端的壓差增大，導(dǎo)流室出口的出水時間較晚。

圖3 裂縫出水點處壓差變化圖Fig.3 Variation of differential pressure at water outlet point of crack

2.2 支撐劑充填裂縫內(nèi)煤粉沉積率

煤粉沉積量與沉積率隨懸浮煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化圖如圖4。

圖4 煤粉沉積量與沉積率隨懸浮煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化圖Fig.4 Variation of pulverized coal deposition and pulverized coal deposition rate with suspended pulverized coal mass fraction

由圖4 可知，隨著懸浮煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，裂縫內(nèi)煤粉的沉積量也隨之增加。一方面，由于煤粉本身具有疏水性，在煤粉懸浮液流經(jīng)支撐劑充填裂縫的過程中，懸浮液中的煤粉很容易向支撐劑顆粒表面移動，一旦煤粉到達(dá)支撐劑顆粒表面，就很容易發(fā)生煤粉沉積現(xiàn)象；另一方面，由于實驗所采用的煤粉粒徑相對支撐劑顆粒間孔喉直徑來說偏大，因而煤粉不容易通過支撐劑顆?？障督Y(jié)構(gòu)向前運(yùn)移，更容易發(fā)生煤粉沉積現(xiàn)象。同時，煤粉在裂縫內(nèi)運(yùn)移過程中受到自身表面疏水性質(zhì)以及支撐劑顆粒的影響，易形成煤粉顆粒集團(tuán)，支撐劑充填裂縫中的煤粉顆粒集團(tuán)占據(jù)了裂縫的內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)，并與之后通入的煤粉相結(jié)合，從而形成更大更多的煤粉顆粒集團(tuán)，進(jìn)一步導(dǎo)致煤粉沉積現(xiàn)象。

為了進(jìn)一步探究煤粉沉積現(xiàn)象與煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系，將煤粉沉積量與初始煤粉總質(zhì)量的比值定義為煤粉沉積率，用煤粉沉積率的大小來表示煤粉沉積的難易程度。由圖4 可知，煤粉沉積率隨懸浮煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，呈先增大后減小的趨勢。由于煤粉自身表面積以及表面粗糙度較大，因而煤粉具有很強(qiáng)的吸附作用。當(dāng)懸浮煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時，開始運(yùn)移過程時所攜帶煤粉量較少，支撐劑充填裂縫中可形成的煤粉顆粒集團(tuán)數(shù)量較少，因而支撐劑充填裂縫內(nèi)部結(jié)構(gòu)寬松，運(yùn)移過程中的煤粉極易受到影響從而沉積在裂縫內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，因此，在懸浮煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時，隨著煤粉產(chǎn)出量的增加，煤粉沉積率呈線性增加趨勢；而當(dāng)懸浮煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加時，此時支撐劑充填裂縫內(nèi)滯留的煤粉顆粒集團(tuán)數(shù)量較多，裂縫內(nèi)部壓力增大，沉積的煤粉顆粒容易被水沖開，有利于煤粉在裂縫內(nèi)的運(yùn)移和排出，從而導(dǎo)致出口處收集到的煤粉增多，支撐劑充填裂縫內(nèi)沉積的煤粉減少，因此曲線呈現(xiàn)減小的趨勢。

2.3 支撐劑充填裂縫導(dǎo)流能力

支撐劑充填裂縫滲透率隨懸浮煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化圖如圖5。

圖5 支撐劑充填裂縫滲透率隨懸浮煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化圖Fig.5 Permeability variation of proppant-filled fracture with mass fraction of suspended pulverized coal

由圖5 可知，相同煤粉粒徑下，隨著懸浮煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，支撐劑充填裂縫滲透率呈線性下降趨勢；相同懸浮煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，煤粉粒徑越大，支撐劑充填裂縫的滲透率也越大。支撐劑充填裂縫滲透率與支撐劑充填裂縫內(nèi)部空隙空間結(jié)構(gòu)有關(guān)，當(dāng)空隙空間結(jié)構(gòu)較大時，滲透率也會增大。而空隙結(jié)構(gòu)受煤粉運(yùn)移過程中沉積的煤粉量及煤粉分布影響。因此，懸浮煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，煤粉極易受到影響形成煤粉顆粒集團(tuán)，從而沉積在裂縫空隙結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)致支撐劑充填裂縫滲透率減小。而煤粉粒徑越大，自身的表面積以及表面粗糙度越大，越容易相互吸附作用，形成煤粉顆粒集團(tuán)從而沉積在裂縫空隙結(jié)構(gòu)中，這解釋了煤粉粒徑越大支撐劑充填裂縫滲透率越小這一結(jié)果。

支撐劑充填裂縫滲透率傷害率隨煤粉沉積率變化圖如圖6。

圖6 支撐劑充填裂縫滲透率傷害率隨煤粉沉積率變化圖Fig.6 Variation of permeability damage rate of proppant-filled fracture with pulverized coal deposition rate

由圖6 可知，支撐劑充填裂縫滲透傷害率與煤粉沉積率呈正比關(guān)系，隨著煤粉沉積率增大，裂縫滲透率傷害率也隨之增大。這是因為，在煤粉開始運(yùn)移階段，煤粉相互作用吸附形成的顆粒集團(tuán)積聚在支撐劑充填裂縫內(nèi)部，堵塞支撐劑充填裂縫內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)，沉積煤粉率越大，表明煤粉在移動過程中更容易發(fā)生沉積，隨著煤粉懸浮液注入，支撐劑充填裂縫內(nèi)部煤粉堵塞會更加嚴(yán)重，使得裂縫滲透率傷害率隨之增長。

支撐劑充填裂縫導(dǎo)流能力隨懸浮煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化如圖7。

由圖7 可知，隨著懸浮煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，支撐劑充填裂縫導(dǎo)流能力基本呈線性下降趨勢。支撐劑充填裂縫導(dǎo)流能力主要與裂縫滲透率有關(guān)，而支撐劑充填裂縫滲透率由裂縫內(nèi)部空隙空間結(jié)構(gòu)決定，而煤粉沉積會直接導(dǎo)致裂縫內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)的變化，因此裂縫導(dǎo)流能力與煤粉沉積有直接關(guān)系，隨著煤粉沉積量的增加，支撐劑充填裂縫的導(dǎo)流性能下降。煤粉粒徑越大，煤粉越易沉積，導(dǎo)致支撐劑充填裂縫滲透率減小，因而支撐劑充填裂縫導(dǎo)流能力隨煤粉粒徑增大而出現(xiàn)下降趨勢。

圖7 支撐劑充填裂縫導(dǎo)流能力隨懸浮煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化Fig.7 Conductivity variation of proppant-filled fracture with mass fraction of suspended pulverized coal

3 結(jié) 語

1）相同懸浮煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，煤粉粒徑越小，支撐劑充填裂縫出水時間越早；而相同煤粉粒徑下，懸浮煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，支撐劑充填裂縫出水時間越晚，且出水點處出入口壓差值越大。

2）相同懸浮煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，煤粉粒徑越大，裂縫內(nèi)煤粉沉積量也越大；相同煤粉粒徑下，隨著懸浮煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，裂縫內(nèi)煤粉沉積量也隨之增加；而隨著懸浮煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，裂縫內(nèi)煤粉沉積率是呈先增大后減小的趨勢。

3）相同懸浮煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，煤粉粒徑越小，支撐劑充填裂縫導(dǎo)流能力越大；而相同煤粉粒徑下，隨著懸浮煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，支撐劑充填裂縫的導(dǎo)流能力呈現(xiàn)下降趨勢。

4）根據(jù)實驗得出，煤粉沉積會導(dǎo)致支撐劑充填裂縫內(nèi)部空隙空間堵塞，從而影響支撐劑充填裂縫的導(dǎo)流能力，進(jìn)而影響煤層氣的連續(xù)穩(wěn)定排采。