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本研究针对煤层气开采中传统堵漏材料易失水的问题，开发新型SLTP-FP两相融合堵漏材料，通过CT扫描和分子模拟发现其有效封堵微裂缝（效率达96.61%），改性蒙脱石和表面活性剂协同提升水保持能力，适应不同地质条件。
程建伟|侯文豪|陈荣|梅静|李一帆|文立勤
中国矿业大学安全工程学院，徐州，221116，中国
摘要
地下钻探仍然是提取煤层气（CBM）的主要方法。然而，包括钻探扰动、煤岩性质和地应力在内的因素会导致煤基质中形成裂缝，从而大大限制了提取效率。传统的固相封堵材料由于长时间失水往往会收缩和开裂。为了解决这些问题，本研究介绍了一种基于液相的固液两相融合封堵材料（SLTP-FP），该材料旨在实现长时间的水分保持。通过对灌浆后的煤样进行无损扫描，本研究对裂缝形态和封堵效果进行了定性和定量分析。此外，还利用模拟实验研究了SLTP-FP的长期水分保持机制。结果表明，灌浆后煤样的总孔隙率从8.54%降至0.29%，封堵效率达到了96.61%。值得注意的是，大约97.24%的标记孔隙等效直径在0到0.8毫米之间，这表明该材料对微裂缝具有出色的封堵能力。模拟进一步显示，SLTP-FP的成分与水分子具有较高的吸附能，从而确保了持续的水分保持，其中改性膨润土被认为是关键的水分保持元素。在实际工程应用中，通过调整改性膨润土的用量可以适应不同的地质条件，从而实现CBM提取路径的持久有效封堵。
引言
煤层气（CBM）是一种高质量的清洁能源，主要由甲烷组成[1]。它形成于煤层中并储存在那里。这种气体主要以两种形式存在：吸附在煤基质表面和作为自由气体存在于煤层孔隙中[2]、[3]、[4]。全球每年在煤炭开采过程中有大约300亿到500亿立方米的甲烷（CBM）排放到大气中，这不仅造成了巨大的资源浪费，还加剧了环境破坏并导致了全球变暖[5]、[6]。地下开采甲烷不仅利用了这些甲烷资源，还有助于减少煤炭开采过程中的甲烷危害，从而有效确保了煤炭的安全高效开采[7]。大约80%的地下CBM提取是通过钻井作业完成的[8]、[9]。封堵钻孔对于维持井底压力至关重要。适当的钻孔封堵可以提高甲烷提取效率，并将井底压力保持在合理范围内[10]、[11]。封堵过程、封堵长度和封堵材料的性能是影响封堵效果的重要因素。随着封堵技术的不断优化，材料性能逐渐成为决定封堵效果的关键因素[12]、[13]。此外，随着研究和开发的进步，封堵材料的性能得到了持续改进，使其能够抵抗周围应力并避免因变形而产生的裂缝[14]、[15]、[16]。
目前，封堵材料主要包括基于水泥的材料、砂浆、粘土和聚氨酯材料[17]。这些材料主要利用传统的“固相封堵技术”原理来封闭裂缝通道并提高提取效率[18]、[19]、[20]。刘等人通过引入超细粉煤灰并分析其在水泥颗粒内的物理和化学机制，改进了硫铝酸盐水泥的性能。他们确定，水灰比为5:5、超细粉煤灰掺量为15%、粘度为0.01 Pa·s时，可以实现良好的灌浆和封堵效果[21]。赵等人使用膨润土作为基础材料来提高封堵材料的膨胀塑性。现场应用结果显示，平均提取浓度提高了15.27%，达到41.66%，同时浓度衰减系数降低了48%[22]。P. Giannaros等人在基于水泥的材料中添加了微胶囊化的硅酸钠（液态和固态），增强了密封性和修复了微裂缝[23]。此外，许多学者使用各种方法对封堵材料的封堵效果和材料性能进行了系列研究。
在优化和验证材料封堵效果方面，王等人对两种基于水泥的封堵材料进行了性能测试和优化研究，以满足煤层注水的需求。研究结果表明，当水灰比为0.4且纤维膨胀剂用量为10%时，新的井筒封堵材料在高压力水注入（30 MPa）条件下表现出微膨胀，并满足了抗压强度要求[24]。鲍等人解决了在软煤层中建造气井时容易发生的塌陷和变形问题。通过优化灌浆材料、灌浆参数并应用“同心环”加固封堵技术，他们有效地防止了钻孔在封堵前的变形和塌陷。这项研究对软煤层中气体的钻井、封堵和灌浆工程具有重要的理论价值[25]。张等人选择了普通波特兰水泥、超细水泥、聚氨酯和环氧树脂作为典型的灌浆材料，并研究了裂缝参数（裂缝开口和粗糙度）、灌浆的水灰比以及灌浆压力对灌浆材料性能的影响。他们还使用计算机断层扫描技术分析了煤样的微观结构，从微观角度解释了不同灌浆材料之间的封堵性能差异[26]。
在研究封堵材料性能方面，张等人制备了一种稳定的石墨烯浆料，以增强对微裂缝和微孔的快速封堵效果。他们使用电子显微镜和光谱方法对材料进行了表征，并通过性能和封堵机制测试确认，该材料的中值粒径D50约为5微米，显示出良好的流体损失减少和抑制页岩膨胀的效果，有效增强了砂盘中微孔的封堵[27]。李等人使用扫描电子显微镜表征了微球的微观形态，并利用拉曼光谱和红外光谱分析了微球的组成结构。此外，他们通过核孔膜封堵和页岩滚动恢复测试评估了微球的封堵和抗塌陷性能[28]。王等人采用离散元方法（DEM）对颗粒级LCM（失流材料）的封堵行为进行了数值研究。通过一系列受控的数值实验，他们研究了颗粒形状、颗粒大小分布和浓度对裂缝封堵性能的影响，有助于更好地理解和控制颗粒LCM在裂缝中的封堵过程[29]。吴等人通过表面能测量和分子动力学模拟探讨了密封材料的粘附失效机制，从而避免了广泛的宏观性能测试[30]。
总体而言，尽管用于固相封堵技术的封堵材料不断得到优化，但它们仍然面临使用过程中失水、固化和体积减小的问题，这可能导致材料与煤体之间的气体泄漏通道[31]、[32]、[33]。因此，基于新的“液相封堵技术”的材料受到了广泛关注。与固相材料相比，这种基于液相的封堵材料具有较高的水分保持能力、稳定性和高效的封堵性能[34]。基于液相的封堵材料SLTP-FP通过精确调节固液相与煤岩质量之间的复杂相互作用，有效克服了以前在微裂缝中封堵不足和因易失水而导致封堵效率下降的问题。
SLTP-FP液相封堵材料由多种成分协同工作，形成了一个高度稳定且具有水分保持能力的凝胶网络，该网络由改性膨润土和黄原胶构成。结合表面活性剂PEG-200优化的界面润湿性，该材料能够在小裂缝中实现高效的渗透和长期水分保持，从根本上解决了传统材料因干燥引起的收缩导致的封堵失败问题。更重要的是，刚性颗粒和柔性颗粒的组合在各种尺度的裂缝中形成了“骨架-填充”自适应结构[35]。刚性颗粒提供机械支撑，而柔性颗粒则适应变形并密封渗流通道。与凝胶基质一起，它们实现了从微裂缝到宏观裂缝的致密化和整体封堵，使材料在复杂的地质条件下表现出优异的封堵稳定性和提高的甲烷提取效率。
本研究在纳米、微观和宏观多个尺度上进行了全面分析，展示了固液两相融合裂缝封堵材料（SLTP-FP）出色的封堵效果和高水分保持性能。首先，选择了特定的煤样并在实验室灌浆系统中进行处理，以模拟裂缝灌浆和封堵过程。利用计算机断层扫描技术和数据处理软件，对密封后的煤样进行了无损测试和视觉分析，以定性和定量评估裂缝空间的分布、体积和封堵效果。此外，还使用了分子模拟软件构建了SLTP-FP材料的分子吸附系统，研究了各成分对水分子的吸附能量和关键电荷转移现象，从而揭示了SLTP-FP高水分保持性能的机理。
材料
固液两相聚合裂缝封堵材料（SLTP-FP）是由邢建伟研究小组开发的一种高性能气体提取井筒裂缝封堵材料[36]、[37]、[38]。膨润土遇水会膨胀，并具有良好的水分保持性能。不同大小的刚性颗粒和柔性颗粒的优化组合，以及增稠剂和表面活性剂的使用，赋予了该材料“持久性和延迟凝固”的双重特性。
基于2D CT切片的裂缝分布和封堵
在分裂测试中，煤样ZK-4表现出显著的特征，呈现出均匀的黑色和均匀的岩性，没有明显的主裂隙，但有几组明显的主裂隙，如图5所示。在CT切片中，250、460、580和670层的裂隙非常小，难以辨别。主裂隙两侧的裂隙相对较宽，从中心向外逐渐增大，范围从0.02毫米到8.91毫米不等。
结论
- (1)
SLTP-FP材料表现出优异的工程适应性，结合了高膨胀性和良好的流动性。灌浆后，它不仅完全填充了煤样ZK-4内的复杂裂缝网络，包括主裂隙、原始小裂隙和连接腔体，还将填充范围扩展到了原始裂缝区域之外。此外，不同大小的刚性和柔性固体颗粒在主裂隙和复杂的深层区域均匀分布
作者贡献声明
李一帆：监督、数据管理。
文立勤：正式分析、数据管理。
梅静：监督、正式分析。
侯文豪：写作 – 审稿与编辑、初稿撰写、正式分析、数据管理。
陈荣：正式分析、数据管理。
程建伟：写作 – 审稿与编辑、软件
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究感谢国家自然科学基金（编号52474268）的资助。
