表面活性剂驱替下煤裂缝结构中的煤粉沉降行为

《Powder Technology》：Coal-fine settling behavior in coal fracture structures under surfactant displacement

　　

倒T形、I形和E形裂缝代表了不同的运移通道。
去离子水驱替实验考察了裂缝中的煤粉沉降行为。
SDS、1227和TX-100被用于考察表面活性剂对煤粉沉降的调控作用。

引言
煤层气（CBM）作为一种清洁、高效非常规天然气资源，已成为中国能源结构转型和实现"双碳"目标的重要能源[1]。中国煤层气资源丰富，开发潜力巨大。随着浅部煤炭资源的逐渐枯竭，煤矿开采已逐步向埋深超过1000 m的深部煤层延伸[2]、[3]。深部煤层通常具有高原地应力、低孔隙度和低渗透率等特征[4]、[5]、[6]，这限制了煤层气的解吸、扩散和渗流。水力压裂是提高煤层渗透率、增强煤层气排采效率的关键技术手段之一[7]、[8]。然而，在水力压裂过程中，煤体受到机械扰动、应力重新分配和流体冲刷等作用，可能产生二次煤粉[9]、[10]、[11]、[12]。在压裂后返排和煤层气生产初期，生产诱导的压力梯度与流体运移可驱动这些煤粉进入新生成的裂缝网络[13]、[14]，在其中发生运移、聚结、滞留和沉积。这些过程会逐步堵塞裂缝渗流通道、降低裂缝导流能力，进而损害煤层气的持续产量[15]、[16]、[17]、[18]。

近年来，人们高度关注煤层中水力裂缝的几何形态及其扩展行为，并已识别出多种裂缝形貌。Wan、Tan等学者[19]、[20]利用真三轴压裂实验研究了不同岩性组合下水力裂缝的扩展行为，识别出单裂缝、十字形、T形、I形、H形及复合裂缝等多种裂缝构型。Ma等[21]进一步利用内聚力单元法研究了煤层中水力裂缝的扩展，识别出若干典型扩展模式，并表明在裂缝延伸与相互作用过程中，裂缝拓扑结构可能变得更加复杂。Wang等[22]采用有限-离散单元法研究了层状地层中水力裂缝的扩展，识别出穿透型、分叉型、转向型和捕获型扩展模式，并表明水力裂缝与构造界面的相互作用可促进裂缝分叉、转向和连通。综合来看，这些研究表明水力诱导的裂缝系统并不局限于简单的平面裂缝，而可能包含主裂缝、分支、交叉以及局部终止段的组合。因此，需要借助具有不同拓扑复杂程度的代表性裂缝结构，来阐明裂缝构型与煤粉运移、沉积行为之间的关系。

在裂缝形貌研究的基础上，越来越多的关注被投向裂缝系统内部的颗粒运移、滞留与沉积问题。实验研究表明，裂缝几何形状、流动条件和流体性质可显著影响颗粒运移行为。Liu等[23]研究了支撑裂缝中含高岭土煤粉的运移行为，指出水的化学性质会影响煤粉的运移和裂缝导流能力。Han等[24]在不同排采流速条件下开展了煤粉沉积对比实验，依据沉积和生产特征确定了优先流态条件。与物理实验互为补充，数值模拟被越来越多地用于解析局部流场、颗粒轨迹和沉积过程等难以通过实验捕捉的现象。Li等[25]利用三维CFD-DEM方法研究了支撑剂充填层中细颗粒的运移，揭示了流场结构对颗粒运移、滞留和堵塞行为的影响。Xu等[26]采用结合DLVO粘附力的半解析CFD-DEM方法，模拟了真实非均质煤裂缝网络中煤粉颗粒的运移与堵塞过程，表明流动强度和边界条件会影响煤粉的聚结位置、团聚形态和裂缝渗透率演化。Zhu等[27]利用耦合CFD-DEM方法研究了煤裂缝中颗粒-流体混合物的流动行为。尽管已有诸多进展，但由于现有研究在裂缝几何形状、颗粒体系、流体性质和流动条件等方面存在差异，直接比较较为困难。因此，在其他实验条件保持一致的情况下，裂缝拓扑复杂性对煤粉运移、局部滞留和沉积的单独影响尚未被系统建立。

煤粉在裂缝通道中的运移和滞留受煤-水界面相互作用的强烈影响，这使得表面活性剂调控成为改善煤粉分散性、减少沉积诱发堵塞的重要途径。早期研究主要关注表面活性剂在改变煤-水相互作用方面宏观有效性的评价。Wang等[28]通过表面张力、接触角和煤粉沉降实验筛选了15种表面活性剂，选出了4种具有强润湿能力的表面活性剂用于后续配方优化，表明界面参数可为表面活性剂筛选提供有效依据。Awan等[29]进一步验证了SDBS处理可增强煤粉分散并减少颗粒在支撑剂充填层中的滞留，凸显了表面活性剂调控改善颗粒运移行为的潜力。为理解这些宏观效应背后的机理，后续研究探讨了控制表面活性剂性能的分子与界面因素。Xu等[30]比较了不同分子结构的阴离子表面活性剂，揭示煤的润湿性不仅受表面张力降低的支配，还受吸附特性和亲水-亲油平衡的影响。Jiang等[31]和Niu等[32]进一步强调分子构型、吸附行为和界面相互作用在调控煤润湿性和颗粒运移特征方面发挥着关键作用。在对单种表面活性剂界面调控的理解基础上，越来越多人关注多组分表面活性剂体系和协同机理。Zhang等[33]考察了二元表面活性剂混合物的协同界面效应，而Zhao等[34]、Wu等[35]和Gan等[36]比较了不同离子特性表面活性剂，表明宏观性能由表面电荷调控、吸附行为和分子间相互作用共同决定。Yu等[37]进一步研究了多表面活性剂复合体系，展示了协同相互作用增强煤润湿性的潜力。然而，现有研究主要集中在煤润湿性改造、抑尘、细煤脱水和整体颗粒分散等方面。不同表面活性剂体系在受限裂缝结构内调控煤粉运移、滞留和沉积的机理仍缺乏充分理解。

综上所述，以往研究为裂缝形貌演化、煤粉运移行为和表面活性剂介导的界面调控提供了有益见解。然而，这些研究通常将裂缝结构效应和流体-颗粒调控分开考虑，裂缝拓扑复杂性在不同驱替介质下对煤粉运移和沉积的影响尚未得到充分表征。特别是，针对不同拓扑特征裂缝结构之间煤粉运移、滞留和沉积行为的系统对比，以及在一致实验条件下表面活性剂的调控效应，仍相对缺乏探索。

为了解决这些悬而未决的问题，本研究考察了水力压裂造缝后，压裂后返排和煤层气生产初期，裂缝拓扑和表面活性剂介导的界面调控对裂缝煤中煤粉运移、沉积和解除堵塞的影响。采用倒T形、I形和E形裂缝模型建立了动态可视化平台，其结构复杂性逐级增加。以去离子水及SDS、1227、TX-100开展对比驱替实验，并结合界面性质表征和CFD-DPM模拟。分析了裂缝结构和驱替介质对煤粉运移、滞留和沉积的影响，阐明了不同表面活性剂的调控机理，为压裂后返排期间控制煤粉堵塞和提高裂缝导流能力提供了依据。

章节片段
实验设备与材料
为研究表面活性剂对不同煤裂缝结构中煤粉沉降行为的影响，建立了煤粉沉降动态可视化实验平台，如图1所示。该平台主要由煤粉、多通道高精度分体式注射泵、样品台、模拟裂缝样品、图像采集系统和收集系统组成。煤粉粒径小于63 μm。注射泵为……

煤裂缝结构中煤粉运移和沉积的CFD-DPM建模
为进一步研究不同裂缝结构中煤粉的运移和沉积行为，基于实验配置利用Fluent开展了CFD-DPM模拟。数值建模流程主要包括几何模型建立、网格划分、控制模型选择和边界条件设定。根据实验几何形状重建了倒T形、I形和E形裂缝模型，至……

水驱条件下不同煤裂缝结构中的煤粉沉积形貌
在水驱条件下，在煤裂缝结构中开展了煤粉沉降实验。获得了流速为4、7和10 mL/min时倒T形、I形和E形裂缝中的煤粉沉积形貌，如图7、图8、图9所示。
如图7所示，在水驱条件下，倒T形裂缝中的煤粉沉积总体上表现为主通道拐角处呈喙状沉积，以及……

不同驱替介质下煤裂缝结构中煤粉产出质量和产出比的分析
在去离子水及三种表面活性剂溶液（即1.00% SDS、1.00% 1227和1.00% TX-100）驱替下，在倒T形、I形和E形裂缝中开展了煤粉沉降实验。获得了煤粉产出质量和产出比的变化情况，如图14、图15所示。
如图14所示，在水驱条件下，三种煤裂缝结构中的煤粉产出质量和产出比首先上升，随后……

结论
基于煤粉沉降动态可视化实验平台，在去离子水及SDS、1227、TX-100三种表面活性剂溶液驱替下，于倒T形、I形和E形裂缝结构中开展了煤粉驱替实验。结合数值模拟，揭示了表面活性剂对煤裂缝结构中煤粉沉降行为的调控作用。主要结论如下：
(1)随着……