大佛寺和胡家河4#煤润湿性对比

张辉 马东民 刘厚宁

摘 要：采用室内测定煤的吸—疏水特征实验、煤粉末浸透速度法实验及煤-水溶液界面接触角测定实验，研究了大佛寺与胡家河井田4#煤体润湿性特征。实验结果显示，煤的吸—疏水特征实验表现为整体胡家河4#煤样疏水速率高于大佛寺4#煤样;煤粉末浸透速度法实验表现出大佛寺4#煤样润湿高度一直处在胡家河之上;接触角测定结果证明胡家河4#煤样的接触角均大于大佛寺4#煤样。以上实验结果均表明大佛寺4#煤润湿性要好于胡家河4#煤。使用表面活性剂水溶液测定煤的接触角揭示了胡家河4#煤的润湿性较大佛寺4#煤更容易被改善。该项研究表明煤层气井压裂过程亦或是排采作业过程，对大佛寺4#煤储层进行改造要保证预留足够长的时间，而胡家河煤层气的开发要借鉴大佛寺的成功经验，同时利用自身煤储层易疏水优势制定有利的排采制度;向压裂液中加入适当表面活性剂改良煤体润湿性，可以解决煤层气开发过程中出现的压裂液返排不彻底、前期排水时间过长等问题。

关键词：润湿性;接触角;排采制度;煤层气

中图分类号：TD 742;P 618.11 文献标志码：A

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0308 文章编号：1672-9315（2019）03-0435-08

Abstract：To study wettability  of 4# coal in Dafosi and Hujiahe Coalfield，a series of experiments have been conducted including the characteristics  of hydrophilic-hydrophobic，experiment of coal powder penetration velocity and coal-water solution interface contact angle measurement.The  results show that the overall hydrophobicity rate of 4# Hujiahe coal sample is higher than that of 4# Dafosi coal sample，the wetting height of 4# Dafosi coal sample is always beyond of 4# Hujiahe coal sample，and the contact angle of  4 #  Hujiahe coal sample is larger than that of Dafosi 4 # coal sample.Comparison of experimental results find that wettability of 4# coal in Dafosi Coalfield is better than that in Hujiahe coal mine.Measuring the contact angle of coal with surfactant aqueous solution reveals that the wettability of Hujiahe 4# coal is easier to be improved than that of Dafosi 4# coal.The contact angle measured by using solution to which has been added surface active agent revealed that the wettability of later is easy to be improved compared with the former.The results indicate that during fracturing and producing process，adequately long time should be reserved to improve the 4# coal reservoir to improve the permeability and recovery efficiency of coalbed methane in Dafosi Coalfield.The development of coalbed methane in Hujiahe Coal Mine needs to draw on the successful experience from Dafosi CBM development and  should take advantage of easy hydrophobic characteristic to formulate favorable production law.By adding appropriate surface active agent，the fracturing fluid can improve the wettability of coal，which can overcome the difficulties  fracturing fluid flowback is not complete and the drainage time is too long in the early stage of coalbed methane development.

0 引 言

目前学者们对煤层气吸附、解吸机理有了初步的认识，王博洋、张群、唐书恒、苏现波、张凯、Busch等认为煤层气吸附属于物理吸附范畴[1-6]，但是张遂安、马东民等研究发现解吸过程与吸附过程又不完全可逆[7-9]。伴随着合理的排采工作制度研究，发现煤层水对甲烷解吸影响较大。煤在变质作用过程中，桥键与支链中亲水基团的变化（实质上是煤的三元结构—煤化学结构变化）与粘土矿物的含量[10-13]（灰分产率）影响着煤层中水的流动性，控制着煤层气井排水降压的难易程度。事实上，煤的润湿性决定煤的亲水—疏水能力，煤的亲水能力強，水—煤基质表面作用力则强，在外界干扰（抽水）下煤层的疏水效应不明显，难以促使煤基质孔隙表面吸附的甲烷解吸，这将直接降低产气量。可见，煤的润湿性是影响煤层气井产气效率和产能的一个关键因素。

国内外对煤的润湿性研究较早，基本应用在矿井除尘领域[14-16]，近些年在油气藏储层改造方面应用较为广泛[17-20]。

将煤的润湿性研究应用到煤层气开发领域的文献鲜有报道，笔者通过前人的研究方法对大佛寺和胡家河4#煤润湿性做一比较，希望借鉴大佛寺井田已有的煤层气开发经验，对胡家河井田煤层气开发提供更好的策略，为整个彬长矿区煤储层研究和工程开发提供理论依据[21-22]。煤的润湿特性可通过煤的吸—疏水特征实验、煤粉末浸透速度法定性分析[23-24]以及煤—水溶液界面接触角测定方法进行定量研究[25-29]。3种方法各有利弊，可互相印证，以求全面、综合、准确地反映煤体润湿性特征。

1 煤的吸、疏水特征實验

1.1 空气干燥基吸—疏水实验

样品采自彬长矿区胡家河和大佛寺煤矿4#煤层开采工作面，将空气干燥基无夹矸块状煤样破碎成150 g左右的无明显裂缝的不规则块样（避免制样过程中煤粉堵塞孔裂隙而造成偏差），称重之后放入烧杯，蒸馏水浸没。实验中每组采用4个样品，以求减小实验误差。参照国家标准GB/T23561.5-2009第5部分：煤和岩石吸水性测定方法，测定煤样饱和吸水率。将煤样分别浸入盛有蒸馏水的烧杯中，每隔8 h称量煤样质量，直至恒重为止，计算煤样饱和吸水率。利用2组饱水煤样进行疏水实验，分别将煤样放在透水网上使煤中水分自然疏干，开始时每隔2 min测量一次煤样质量，待煤样含水率下降缓慢以后30 min测量一次，再到后来1，4，8 h测量一次，直到含水率保持稳定为止，根据时间—含水率关系绘制煤样疏水曲线（图1）。

1.2 干燥基煤样吸—疏水实验将2组8块煤样分别置于干燥箱内干燥，温度设置为105 ℃，每隔15 min测定煤样质量，直到前后质量相差不超过0.1 g为止。将干燥煤样按上述步骤，分别测定吸水过程和疏水过程的含水率，做含水率随时间的变化曲线图（图2）。

1.3 实验结果空气干燥基煤样的吸水实验表明，胡家河4煤饱和吸水率为2%，大佛寺4#煤饱和吸水率为1.24%;疏水实验中，胡家河4#煤（开始一段时间除外，可能与表面积及蒸发速率有关）疏水速率要明显高于大佛寺4#煤。干燥煤样吸、疏水曲线表明，胡家河煤样饱和吸水率4.7%要大于大佛寺煤样饱和吸水率4.3%;胡家河煤样开始吸水速率低于大佛寺，之后吸水速率增大，二者几乎同时达到饱和;疏水曲线与天然含水状态下煤样疏水曲线基本一致，整体胡家河煤样疏水速率明显高于大佛寺煤样。

2组样品的实验结果均表明，大佛寺4#煤的润湿性好于胡家河4#煤的润湿性，但是饱和含水率均低于胡家河4#煤。根据液氮与压汞实验测得2个井田煤样（分镜煤和暗煤）孔容特征分析（表1，图3）可知，大佛寺4#煤总孔容略高于胡家河4#煤，但是主要以微孔为主，自然状态下将煤样浸入水中，水分难以进入微孔，相较而言，胡家河4#煤小孔和中孔占据比例要远大于大佛寺4#煤，因而大佛寺4#煤饱和含水率低于胡家河4#煤可以得到合理解释。

胡家河煤样，饱和含水率大，疏水速率快，达到饱和状态的含水率耗时短。这可能与胡家河4#煤含气量较低直接相关。在地层深处，如果有地下迳流，进入煤层的水处于饱和或超饱和状态，构造或高差造成排泄口，疏水效果好。水来得快易饱和，疏干较迅速，循环往复，造成煤层气散失，含气量低。

2 煤粉末浸透速度法实验采用毛细作用原理来表征煤粉润湿性大小是粉沫浸透速度法的根本原理，水溶液在毛细管力作用下通过微孔向煤体内部渗透。毛细现象取决于液体的表面张力、毛细管直径和固-液间的接触角，当溶液的表面张力及毛细管直径一定时，毛细力的大小取决于固—液间的接触角，对于不同的煤粉，可以通过在相同溶液中、相同时间下已润湿的煤粉的高度（或长度）来对不同煤粉的润湿性进行比较，相同时间内，煤粉润湿的高度（或长度）值越大，说明该煤粉的润湿性越好，煤易于润湿。

为减少实验误差，2组煤样各进行3个平行样测试，将6个样品（煤样粒径小于74 μm）装入附有刻度的玻璃管并震实、均匀压紧，管的端部固定上滤纸，玻璃槽内侵透溶液为自来水溶液（图4）。对于大佛寺、胡家河不同的煤粉，同一时间内，对记录的3个平行样数据取平均值，比较煤粉被侵湿的平均高度来判断相对润湿性。

分别对大佛寺4#煤和胡家河4#煤连续30 d的数据（表2）进行曲线图绘制（图5），比较分析润湿性特征与规律。

从图5可以看出，大佛寺和胡家河煤样润湿高度随时间变化曲线整体表现为快速上升，到某一时间点过渡为一平台，其中大佛寺煤样在第12 d后润湿高度趋于稳定，值保持在13～14 cm间，胡家河煤样大至同样在第12 d后润湿高度趋于稳定，值在11～12 cm间。前12天出现润湿高度快速上升是因为煤样润湿开始阶段受到表面张力作用，液体自发地渗透进入粉体柱中，之后出现润湿高度趋于平稳，可能是因为上升到一定高度后，由于水重力作用，致使润湿速度下降，润湿高度变化缓慢。通过比较胡家河和大佛寺4#煤粉煤润湿高度随时间变化曲线，发现大佛寺煤样润湿高度一直处在胡家河之上，说明其润湿性明显好于胡家河，煤样易被液体润湿。

3 煤—水溶液界面接触角测定实验接触角是煤体润湿性能最直接的体现，关于接触角的测定方法文献[25-29]都曾有过阐述，块样和粉末成型样测定煤的接触角都各有利弊。为了印证不同类型煤样接触角测试的可靠度，实验同时采用块样[31-32]和粉末成型样进行接触角测量。

3.1 样品制备与测定方法

3.1.1 块样的制备

从2个煤矿采集来的煤样中挑选出无明显裂隙的块样，分别切割成3个3 cm×3 cm×2 cm的块体，用60目、600目、1 200目的砂纸及毛玻璃板打磨出一个光洁的面，用于测定接触角（图6）。

3.1.2 粉末成型样的制备

在块样制备后剩余的样品中选出较为破碎的煤样，粉碎，经过300网目的筛子筛分，再经玛瑙研钵研磨，在30 MPa压力下的加压成型器内（含硼酸）压制2分钟成型（图7），每组压制3个平行样，用于测定接触角。

3.1.3 溶液的制备

本次实验测定接触角的溶液有蒸馏水、脂肪醇聚氧乙烯醚溶液（以下简称JFC溶液）、十二烷基苯磺酸钠溶液（以下简称LAS溶液）和烷醇酰胺溶液（以下简称6501溶液），将各表面活性剂配成0.3%的水溶液，以供实验使用[33]。

3.1.4 接触角测量仪器

采用德国Dataphysics公司研发生产的OCA20视频光学接触角测量仪测定。实验过程中，考虑到液体的蒸發及重力作用影响，每次滴在光面的液滴体积为5 μL，待溶液在煤表面铺展稳定后（约10 s），采用快速照相法（图8），测定接触角。在每个样不同部位测定3组数据，将多组测定数据（去掉异常值）取平均值得到不同溶液、不同地区、不同类型煤样的接触角值。

3.2 实验结果与分析煤的块样和粉末成型样对不同溶液的接触角见表3.

接触角测定结果表明，将未加表面活性剂的蒸馏水滴在煤样上测定的固—液接触角，无论是块样还是粉末成型样，对于变质程度基本相同的2个煤矿（表4，表5），胡家河4#煤样的接触角均大于大佛寺4#煤样，说明大佛寺4#煤的润湿性要好于胡家河4#煤。

通过加入表面活性剂改变蒸馏水的表面张力测定煤样的固—液接触角，表明在不同溶液浸湿下，各煤样的接触角都出现了不同程度的减小。同一煤矿地区，相同溶液对不同类型的煤样浸湿，表现有所差异，图9，图10显示，加入表面活性剂改性的水溶液对粉末成型样固-液间的接触角影响较大，块样与溶液间的界面接触角随增强的活性剂加入，接触角依次减小，但减小幅度有减弱的趋势，表明活性剂对改变块状煤样润湿性相比粉末成型样越来越难。

4 结 论

1）从饱和含水率和孔隙特征角度看，胡家河4#煤达到饱水时，用时短，含水率大，大佛寺4#煤反之。确保有效的压裂造缝，压裂大佛寺4#煤储层时要有足够的时间保证。

2）从润湿性角度看，大佛寺4#煤的润湿性要好于胡家河4#煤，但胡家河4#煤的润湿性较大佛寺易被改善。相同类型的煤层气井，在排水降压过程中，大佛寺煤层气井的影响半径变化较慢，这就决定了煤层气井排水—产气时间较胡家河更长。

3）煤与水溶液之间的接触角受溶液中活性剂影响，可见不同类型的表面活性剂可改变煤的疏水速率，因此，在不同地区煤层气井压裂过程中，应选择适合该地区煤储层润湿性特征的试剂，以保证排采作业能较快排出压裂前置液，较短时间内达到正常的排采煤层水、产出气体。

参考文献（References）：

[1]王博洋，秦 勇，申 建，等.我国低煤阶煤煤层气地质研究综述[J].煤炭科学技术，2017，45（1）： 170-179.WANG Bo-yang，QIN Yong，SHEN Jian，et al.Summarization of  geological study on low rank coalbed methane in China[J].Coal Science and Technology，2017，45（1）： 170-179.

[2]张 群，崔永君，钟玲文，等.煤吸附甲烷的温度-压力综合吸附模型[J].煤炭学报，2008，33（11）： 1272-1278.ZHANG Qun，CUI Yong-jun，ZHONG Ling-wen，et al.Temperature pressure comprehensive adsorption model for coal adsorption of methane[J].Journal of China Coal Society，2008，33（11）： 1272-1278.

[3]唐书恒，汤达祯，杨 起.二元气体等温吸附-解吸中气分的变化规律[J].中国矿业大学学报，2004，33（4）：448-453.TANG Shu-heng，TANG Da-zhen，YANG Qi. Variation regularity of gas component concentration in binary-component gas adsorption-desorption isotherm experiments[J].Journal of China University of Mining & Technology，2004，33（4）： 448-453.

[4]苏现波，陈 润，林晓英，等.吸附势理论在煤层气吸附/解吸中的应用[J].地质学报，2008，82（10）： 1382-1389.SU Xian-bo，CHEN Run，LIN Xiao-ying.et al.Application of adsorption potential theory in the fractionation of coalbed gas during the process of adsorption/desorption[J].Acta Geologica Sinica，2008，82（10）： 1382-1389.

[5]张 凯，汤达祯，陶 树，等.不同变质程度煤吸附能力影响因素研究[J].煤炭科学技术，2017，45（5）： 192-197.

ZHANG Kai，TANG Da-zhen，TAO Shu，et al.Study on influence factors of adsorption capacity of different metamorphic degree coals[J].Coal Science and Technology，2017，45（5）：192-197.

[6]Busch A，Genst Erblum Y，Kross B M.Methane and CO2 sorption and desorption measurements on dry Argonne premium coals：pure components and mixture[J].International Journal of Coal Geology，2003，55（2-4）： 205-224.

[7]张遂安，叶建平，唐书恒，等.煤对甲烷气体吸附-解吸机理的可逆性实验研究[J].天然气工业，2005，25（1）： 44-46.

ZHANG Sui-an，YE Jian-ping，TANG Shu-heng，et al.Theoretical analysis of coal-methane adsorption/desorption mechanism and its reversibility experimental study[J].Natural Gas Industry，2005，25（1）： 44-46.

[8]马东民，马 薇，蔺亚兵.煤层气解吸滞后特征分析[J].煤炭学报，2012，37（11）：1885-1889.MA Dong-min，MA Wei，LIN Ya-bing.Desorption hysteresis characteristics of CBM[J].Journal of China Coal Society，2012，37（11）：1885-1889.

[9]马东民，李来新，李小平，等.大佛寺井田4#煤CH4与CO2吸附解吸实验比较[J].煤炭学报，2014，39（9）： 1938-1944.MA Dong-min，LI Lai-xin，LI Xiao-ping，et al.Contrastive experiment of adsorption-desorption between CH4 and CO2 in Coal Seam 4 of DafosiCoalmine[J].Journal of China Coal Society，2014，39（9）： 1938-1944.

[10]Orumwense F S.Estimation of the wettability of coal from contact angles using coagulants and flocculants[J].Fuel，1998，77（9-10）： 1107-1111.

[11]赵振保，杨 晨，孙春燕，等.煤尘润湿性的实验研究[J].煤炭学报，2011，36 （3）： 442-446.ZHAO Zhen-bao，YANG Chen，SUN Chun-yan，et al.Experimental study of coal dust wettability[J].Journal of China Coal Society，2011，36 （3）： 442-446.

[12]程卫民，薛 娇，周 刚，等.基于红外光谱的煤尘润湿性[J].煤炭学报，2014，39（11）： 2256-2262.CHEN Wei-min，XUE Jiao，ZHOU Gang，et al.Study of coal dust wettability based on FTIR[J].Journal of China Coal Society，2014，39 （11）： 2256-2262.

[13]Semenova S A，Patrakov Yu F.Dependence of the water wettability of the surfaces of fossil coals on their structure and properties[J].Solid Fuel Chemistry，2017，51 （3）： 135-140.

[14]Solodyankin S S，Kolmakov N G，Manin N S，et al.Using a solution of the surfactant for increasing collection efficiency of coal dust in the exhaust system[J].Coke and Chemistry，2016，59 （9）： 333-337.

[15]张劲松，武腾飞.综采工作面煤层注水降尘技术试验研究[J].煤炭技术，2016，35（10）：173-175.ZHANG Jin-song，WU Teng-fei. Study on seam water injection and dust control technology of fully-mechanized caving face[J]. Coal Technology，2016，35（10）：173-175.

[16]蔣仲安，王 伟.降低爆破烟尘的降尘剂配方的实验研究[J].煤炭学报，2011，36（10）：1720-1724.JIANG Zhong-an，WANG Wei.Research on optimal formula of dustfall agent to remove blasting smoke[J].Journal of China Coal Society，2011，36（10）：1720-1726.

[17]刘向君，熊 健，梁利喜，等.川南地区龙马溪组页岩润湿性分析及影响讨论[J].天然气地球科学，2014，25 （10）：1644-1652.LIU Xiang-jun，XIONG Jian，LIANG Li-xi，et al.Analysis of the wettability of Longmaxi Formation shale in the south region of Sichuan Basin and its influence[J].Natural Gas Geoscience，2014，25（10）：1644-1652.

[18]张 涛，李相方，王永辉，等.页岩储层特殊性质对压裂液返排率和产能的影响[J].天然气地球科学，2017，28（6）：828-838.ZHANG Tao，LI Xiang-fang，WANG Yong-hui，et al.Study on the effect of gas-shale reservoir special properties on the fracturing fluid recovery efficiency and production performance[J].Natural Gas Geoscience，2017，28 （6）：828-838.

[19]李春颖，张志全，林 飞，等.压裂液在页岩储层中的滞留与吸收初步探索[J].科技通报，2016，32（8）：31-35.LI Chun-ying，ZHANG Zhi-quan，LIN Fei，et al.Initial exploration of fracturing fluid retention in shale reservoirs[J].Bulletin of Science and Technology，2016，32（8）：31-35.

[20]王所良，王玉功，李志航.稠化水清洁压裂液返排液驱油技术[J].油田化学，2016，33（4）：623-628.WANG Suo-liang，WANG Yu-gong，LI Zhi-hang.Oil displacement technology based on clean fracturing fluid flow-back water[J].Oilfield Chemistry，2016，33（4）：623-628.

[21]王生全，薛 龙，马荷雯，等.大佛寺煤矿低煤阶煤层气地面开采选区评价[J].西安科技大学学报，2015，35（4）：421-425.WANG Sheng-quan，XUE Long，MA He-wen，et al.Evaluation of selected target areas on CBM ground mining for low-rank coal of Dafosi coal mine[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2015，35（4）：421-425.

[22]方世跃，刘 震.胡家河井田原煤含硫特征及主控因素[J].西安科技大学学报，2017，37（3）：339-345.FANG Shi-yue，LIU Zhen. Characteristics of sulfur content of raw coal and main controlling factors in Hujiahe mining field[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2017，37（3）：339-345.

[23]谭天译.工业粉尘理化性质的测定方法[M].北京：化学工业出版社，1988.TAN Tian-yi.Measurement of industrial dust physio-chemical properties[M].Beijing： Chemical Industry Press，1988.

[24]黄维明，唐恩贤，钱竹响，等.煤尘组成与水润湿性能关系的研究[J].煤炭技术，2017，36（12）：159-161.HUANG Wei-ming，TANG En-xian，QIAN Zhu-xiang，et al.Study on influencing factors and numerical simulation of gas emission in goaf of fully-mechanized mining[J]. Coal Technology，2017，36（12）：159-161.

[25]杨 静，谭允祯，顾景梅，等.动态接触角测定法研究润湿剂对煤尘的润湿性能[J].煤矿安全，2008（12）： 7-10.YANG Jing，TAN Yun-zhen，GU Jing-mei，et al.Research of wet agent on coal dust wettability by dynamic contact angle measuring method[J].Safety in Coal Mines，2008 （12）： 7-10.

[26]徐海宏，李 滿，舒新前，等.煤尘润湿性能测试技术分析[J].煤炭科学技术，2009，37（10）： 47-49.XU Hai-hong，LI Man，SHU Xin-qian，et al.Analysis of coal dust wettability testing techniques[J].Coal Science and Technology，2009，37（10）： 47-49.

[27]解兴智，傅 贵.煤润湿性测量方法的探讨[J].煤炭科学技术，2004，32（2）： 65-68.XIE Xing-zhi，FU Gui.Investigation of coal wetability measuring method[J].Coal Science and Technology，2004，32（2）： 65-68.

[28]Arkhipov V A，Paleev D Yu，Patrakov Yu F，et al.Determination of contact angle on the coal surface[J].Journal of Mining Science，2011，47（5）： 561-565.

[29]秦波濤，周 群，李修磊，等.煤矿井下磁化水与表面活性剂高效协同降尘技术[J].煤炭学报，2017，42（11）：2900-2907.QIN Bo-tao，ZHOU Qun，LI Xiu-lei，et al.Synergistic technology between surfactant and magnetized water for efficient dust control in underground coal mines[J].Journal of China Coal Society，2017，42（11）：2900-2907.

[30]霍多特 B B.煤与瓦斯突出[M].宋士钊，王佑安，译.北京：中国工业出版社，1966.ХОДОТ B B.Coal and gas outburst[M].SONG Shi-zhao，WANG You-an，Translation.Beijing： China Industry Press，1966.

[31]刘厚宁.煤润湿性及其对煤层气吸附解吸的影响[D].西安： 西安科技大学，2015.LIU Hou-ning.Wettability of coal and its impact on the adsorption desorption of coalbed methane[D].Xi’an： Xi’an University of Science and Technology，2015.

[32]麻红顺，刘厚宁，严 康.不同变质程度煤的润湿性研究[J].煤炭技术，2016，35（8）： 119-121.MA Hong-shun，LIU Hou-ning，YAN Kang.Study on different rank of coal wettability[J].Coal Technology，2016，35（8）： 119-121.

[33]李 满.表面活性剂促进煤尘润湿的作用研究[D].北京： 中国矿业大学（北京），2008.LI Man.Research on surfactant promoting coal dust wettability[D].Beijing： China University of Mining & Technology （Beijing），2008.