煤粉沉积对支撑剂充填裂缝导流能力的影响

周 洋

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

煤层气是一种以吸附的形式存储在煤层中的非常规气体，具有效率高、占地少、启动快、使用安全等优点[1]。我国煤层气资源丰富，占世界煤层气资源总量的13.7%，位居世界第3 位[2-3]。因此，加快煤层气开发抽采，实现煤层气产量的快速增长，对保障国家资源安全具有重大的意义[4-5]。然而，随着水力压裂技术在煤层气排采中的广泛应用，煤层极易受到支撑剂和压力的双重影响，从而产生大量煤粉[6]。目前国内外众多学者对水力裂缝导流能力的影响因素开展了大量的研究。梁天成等[7]试验研究了不同种类和规格支撑剂的基本性能与导流能力之间的关系；金智荣等[8]试验研究了不同粒径支撑剂组合对裂缝导流能力的影响；郭建春等[9]在导流室的基础上试验研究了裂缝内支撑剂的嵌入程度；Wei 等[10]试验研究了煤粉粒径对支撑剂充填裂缝中煤粉颗粒运移和渗透率变化的影响规律；Awoleke 等[11]通过建立支撑剂充填裂缝导流能力模型，研究了排水速度、储层温度、闭合应力和支撑剂浓度等因素对支撑剂充填裂缝动态导流能力的影响；Chen 等[12]试验研究了外力作用下粗糙裂缝内部空间变化特征与裂缝导流能力之间的关系；Gao 等[13]试验研究了不同煤粉浓度下水和煤粉流动对煤空隙及裂隙结构的影响。目前针对支撑剂充填裂缝导流能力的研究主要是分析水流流速、支撑剂粒径、压力、温度等因素对导流能力的影响，但大多数的研究未针对煤粉沉积对支撑剂充填裂缝导流能力的影响机制进行研究。因此，采用支撑剂充填裂缝内多相流实验平台来开展煤粉沉积对支撑剂充填裂缝导流能力的影响机制研究，从而为优化煤层气井的排采机制提供指导意义。

1 实验装置及实验步骤

1.1 实验装置

研究采用支撑剂充填裂缝内多相流实验系统，实验设备示意图如图1。实验装置包括：液压机（施加轴向压力）、恒流泵（注入煤粉悬浮液）、导流室（模拟支撑剂充填裂缝内多相流流动）、搅拌机（避免煤粉悬浮液发生沉淀）、压力传感器（检测导流室出入口压差）、天平（记录出口流体质量）等。

图1 实验设备示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental equipment

1.2 实验步骤

1）筛选煤粉。首先，将从某矿工作面取得的大型煤样进行切割粉碎，并利用电子筛选机对煤粉进行粒径区分，最终选取75～150 μm 以及150～250 μm的煤粉进行实验。

2）铺置支撑剂充填裂缝。将380～830 μm 的石英砂支撑剂颗粒均匀铺置在导流室中，支撑剂铺置高度为5 mm。

3）施加闭合应力。将导流室放置在液压机下方，并设置3 MPa 的轴向压力，待压力值显示稳定后，打开恒流泵。

4）注入煤粉悬浮液。将筛选的煤粉分别按照不同质量分数配比制备成煤粉悬浮液，为了避免煤粉悬浮液发生沉淀现象，搅拌机持续运转保证煤粉悬浮液均匀混合，并利用恒流泵将煤粉悬浮液注入导流室中。

5）烘干并收集沉积煤粉。实时观察出入口压差数据，等到压差稳定之后，停止注入煤粉悬浮液，并记录天平数据，从而得到导流室出口处的累计流量。然后拆洗导流室，将导流室内的支撑剂和沉积煤粉混合物放入电热鼓风干燥箱内烘干12 h 并称重。

6）实验数据收集及处理。对上述步骤获得的实验数据进行计算分析，可以得到不同悬浮煤粉质量分数下导流室内支撑剂充填裂缝内的压差及煤粉沉积率变化规律，从而得到煤粉沉积对支撑剂充填裂缝导流能力的影响规律。

2 实验结果

2.1 支撑剂充填裂缝出水点

裂缝出水时间随悬浮煤粉质量分数变化图如图2。由图2 可知，在相同悬浮煤粉质量分数下，煤粉粒径越小，裂缝出水时间越早；而相同煤粉粒径下，悬浮煤粉质量分数越大，裂缝出水时间越晚。

图2 裂缝出水时间随悬浮煤粉质量分数变化图Fig.2 Variation of fracture water outlet time with mass fraction of suspended pulverized coal

不同悬浮煤粉质量分数下，支撑剂充填裂缝各出水时间所对应的压差值不断变化，而出水时间表示的是支撑剂充填裂缝两端压差出现稳定趋势的时间，裂缝出水点处压差变化图如图3。

由图2 和图3 可以看出，悬浮煤粉质量分数越大，裂缝出水时间越晚，出水点处的压差值也越大。这是由于当煤粉含量增加时，煤粉在开始运移过程中极易受到支撑剂充填裂缝内部空间结构以及煤粉自身特性的影响而产生沉积，导致支撑剂充填裂缝内部空间体积结构随着煤粉含量的增加而减小，从而导致支撑剂充填裂缝两端的压差增大，导流室出口的出水时间较晚。

图3 裂缝出水点处压差变化图Fig.3 Variation of differential pressure at water outlet point of crack

2.2 支撑剂充填裂缝内煤粉沉积率

煤粉沉积量与沉积率随悬浮煤粉质量分数变化图如图4。

图4 煤粉沉积量与沉积率随悬浮煤粉质量分数变化图Fig.4 Variation of pulverized coal deposition and pulverized coal deposition rate with suspended pulverized coal mass fraction

由图4 可知，随着悬浮煤粉质量分数的增加，裂缝内煤粉的沉积量也随之增加。一方面，由于煤粉本身具有疏水性，在煤粉悬浮液流经支撑剂充填裂缝的过程中，悬浮液中的煤粉很容易向支撑剂颗粒表面移动，一旦煤粉到达支撑剂颗粒表面，就很容易发生煤粉沉积现象；另一方面，由于实验所采用的煤粉粒径相对支撑剂颗粒间孔喉直径来说偏大，因而煤粉不容易通过支撑剂颗粒空隙结构向前运移，更容易发生煤粉沉积现象。同时，煤粉在裂缝内运移过程中受到自身表面疏水性质以及支撑剂颗粒的影响，易形成煤粉颗粒集团，支撑剂充填裂缝中的煤粉颗粒集团占据了裂缝的内部空间结构，并与之后通入的煤粉相结合，从而形成更大更多的煤粉颗粒集团，进一步导致煤粉沉积现象。

为了进一步探究煤粉沉积现象与煤粉质量分数的关系，将煤粉沉积量与初始煤粉总质量的比值定义为煤粉沉积率，用煤粉沉积率的大小来表示煤粉沉积的难易程度。由图4 可知，煤粉沉积率随悬浮煤粉质量分数的增加，呈先增大后减小的趋势。由于煤粉自身表面积以及表面粗糙度较大，因而煤粉具有很强的吸附作用。当悬浮煤粉质量分数较小时，开始运移过程时所携带煤粉量较少，支撑剂充填裂缝中可形成的煤粉颗粒集团数量较少，因而支撑剂充填裂缝内部结构宽松，运移过程中的煤粉极易受到影响从而沉积在裂缝内部结构中，因此，在悬浮煤粉质量分数较小时，随着煤粉产出量的增加，煤粉沉积率呈线性增加趋势；而当悬浮煤粉质量分数进一步增加时，此时支撑剂充填裂缝内滞留的煤粉颗粒集团数量较多，裂缝内部压力增大，沉积的煤粉颗粒容易被水冲开，有利于煤粉在裂缝内的运移和排出，从而导致出口处收集到的煤粉增多，支撑剂充填裂缝内沉积的煤粉减少，因此曲线呈现减小的趋势。

2.3 支撑剂充填裂缝导流能力

支撑剂充填裂缝渗透率随悬浮煤粉质量分数变化图如图5。

图5 支撑剂充填裂缝渗透率随悬浮煤粉质量分数变化图Fig.5 Permeability variation of proppant-filled fracture with mass fraction of suspended pulverized coal

由图5 可知，相同煤粉粒径下，随着悬浮煤粉质量分数的增加，支撑剂充填裂缝渗透率呈线性下降趋势；相同悬浮煤粉质量分数下，煤粉粒径越大，支撑剂充填裂缝的渗透率也越大。支撑剂充填裂缝渗透率与支撑剂充填裂缝内部空隙空间结构有关，当空隙空间结构较大时，渗透率也会增大。而空隙结构受煤粉运移过程中沉积的煤粉量及煤粉分布影响。因此，悬浮煤粉质量分数增加，煤粉极易受到影响形成煤粉颗粒集团，从而沉积在裂缝空隙结构中，导致支撑剂充填裂缝渗透率减小。而煤粉粒径越大，自身的表面积以及表面粗糙度越大，越容易相互吸附作用，形成煤粉颗粒集团从而沉积在裂缝空隙结构中，这解释了煤粉粒径越大支撑剂充填裂缝渗透率越小这一结果。

支撑剂充填裂缝渗透率伤害率随煤粉沉积率变化图如图6。

图6 支撑剂充填裂缝渗透率伤害率随煤粉沉积率变化图Fig.6 Variation of permeability damage rate of proppant-filled fracture with pulverized coal deposition rate

由图6 可知，支撑剂充填裂缝渗透伤害率与煤粉沉积率呈正比关系，随着煤粉沉积率增大，裂缝渗透率伤害率也随之增大。这是因为，在煤粉开始运移阶段，煤粉相互作用吸附形成的颗粒集团积聚在支撑剂充填裂缝内部，堵塞支撑剂充填裂缝内部空间结构，沉积煤粉率越大，表明煤粉在移动过程中更容易发生沉积，随着煤粉悬浮液注入，支撑剂充填裂缝内部煤粉堵塞会更加严重，使得裂缝渗透率伤害率随之增长。

支撑剂充填裂缝导流能力随悬浮煤粉质量分数变化如图7。

由图7 可知，随着悬浮煤粉质量分数的增加，支撑剂充填裂缝导流能力基本呈线性下降趋势。支撑剂充填裂缝导流能力主要与裂缝渗透率有关，而支撑剂充填裂缝渗透率由裂缝内部空隙空间结构决定，而煤粉沉积会直接导致裂缝内部空间结构的变化，因此裂缝导流能力与煤粉沉积有直接关系，随着煤粉沉积量的增加，支撑剂充填裂缝的导流性能下降。煤粉粒径越大，煤粉越易沉积，导致支撑剂充填裂缝渗透率减小，因而支撑剂充填裂缝导流能力随煤粉粒径增大而出现下降趋势。

图7 支撑剂充填裂缝导流能力随悬浮煤粉质量分数变化Fig.7 Conductivity variation of proppant-filled fracture with mass fraction of suspended pulverized coal

3 结 语

1）相同悬浮煤粉质量分数下，煤粉粒径越小，支撑剂充填裂缝出水时间越早；而相同煤粉粒径下，悬浮煤粉质量分数越大，支撑剂充填裂缝出水时间越晚，且出水点处出入口压差值越大。

2）相同悬浮煤粉质量分数下，煤粉粒径越大，裂缝内煤粉沉积量也越大；相同煤粉粒径下，随着悬浮煤粉质量分数的增加，裂缝内煤粉沉积量也随之增加；而随着悬浮煤粉质量分数增大，裂缝内煤粉沉积率是呈先增大后减小的趋势。

3）相同悬浮煤粉质量分数下，煤粉粒径越小，支撑剂充填裂缝导流能力越大；而相同煤粉粒径下，随着悬浮煤粉质量分数的增加，支撑剂充填裂缝的导流能力呈现下降趋势。

4）根据实验得出，煤粉沉积会导致支撑剂充填裂缝内部空隙空间堵塞，从而影响支撑剂充填裂缝的导流能力，进而影响煤层气的连续稳定排采。