大佛寺和胡家河4#煤润湿性对比

张 辉，马东民，2，3，刘厚宁

(1.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 煤炭绿色开采地质研究院，陕西 西安 710054；3.国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室 陕西 西安 710021；4.中陕核工业集团 地质调查院有限公司，陕西 西安 710100)

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，煤的亲水能力强，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、疏水特征实验

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)。

图1 空气干燥基煤样疏水曲线Fig.1 Hydrophobic curve of coal sample of the dry air base

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)。

图2 干燥基煤样吸—疏水曲线Fig.2 Hydrophilic-hydrophobic curve of dry coal sample

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。

表1 煤样孔容分布特征

注：Vw：微孔，Vx：小孔，Vz：中孔，Vd：大孔，V总：总孔容；利用B.B.霍多特[30]根据煤成因的孔隙分类：微孔D<10 nm；小孔D10～100 nm；中孔D100～1 000 nm；大孔D>1 μm.

图3 不同孔径段的孔容比分布Fig.3 Pore size ratio distribution of different pore aperture segment

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)。

图4 粉末浸透速度法实验装置Fig.4 Experimental apparatus of powder penetration velocity method

测量时试样管保持垂直于液面，当固液相开始接触时即开始记时，连续记录30 d(每天记录一次，且都在同一时间点)溶液润湿煤粉的高度。则对于大佛寺、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。

表2 大佛寺和胡家河30 d润湿高度数据

图5 粉煤润湿高度随时间变化曲线Fig.5 Curves of pulverized coal wetting height vs.time

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)。

图6 制备的块样Fig.6 Prepared block samples

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。

图7 制备的粉末成型样Fig.7 Molding samples of coal fines

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，考虑到液体的蒸发及重力作用影响，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。

图8 接触角测定Fig.8 Contact angle measurement

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。

表3 胡家河和大佛寺4#煤样接触角测定结果

表4 样品工业分析结果

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。

表5 样品煤岩组分分析结果

图9 胡家河4#煤块样和粉末成型样的接触角对比曲线Fig.9 Contace angle comparison curves of block and coal fines molding samples from Hujiahe 4#

图10 大佛寺4#煤块样和粉末成型样的接触角对比曲线Fig.10 Contact angle comparison curves of block and coal fines molding samples from Dafosi 4#

对于不同煤矿地区、相同类型煤样，在各溶液浸湿下，粉末成型样中，胡家河4#煤的润湿性改变程度要稍高一些(图11)，说明向溶液中增加表面活性剂，胡家河4#煤的润湿性易被改善。在块样接触角测定中，煤样对不同溶液浸湿过程表现有所差异，大佛寺4#煤对LAS溶液的浸湿表现不明显，而胡家河4#煤对6501溶液的浸湿表现不太明显(图12)。

图11 粉末成型样的接触角对比曲线Fig.11 Comparison curves of contact angles of coal fines molding samples

图12 块样的接触角对比曲线Fig.12 Comparison curves of contact angles of block samples

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。