学术报告：研究报告综述

作者与研究背景

本文的主要作者是 Jun Li, Qiming Huang, Gang Wang 和 Enmao Wang，他们分别来自中国山东科技大学安全与环境工程学院（College of Safety and Environmental Engineering, Shandong University of Science and Technology）、矿山灾害预防与控制国家重点实验室培育基地（Mine Disaster Prevention and Control-Ministry of State Key Laboratory Breeding Base）、以及安徽理工大学工业粉尘防治与职业健康教育部重点实验室（Key Laboratory of Industrial Dust Prevention and Control & Occupational Health and Safety, Ministry of Education）。本文发表于期刊《Fuel》，文章编号为 310 (2022) 122400，文章的正式在线发布日期为 2021 年 11 月 4 日。

学术背景与研究目标

这项研究的主要关注点是煤层气（Coalbed Methane, CBM）的提取技术，特别是水基压裂液对煤层气吸附及煤储层孔隙结构的影响。研究团队注意到，活性水压裂技术（Active Water Fracturing）是增强煤层气提取中最广泛使用的技术之一。然而，在压裂过程中残留的活性水可能会阻塞煤储层的孔隙，进而降低煤层气的产量。依据现有的文献，压裂液及其中的主要添加剂（如聚丙烯酰胺 PAM）对煤储层孔隙结构及甲烷吸附行为的影响机制仍存在信息不足。为解决这一问题，本研究通过实验，探讨了不同浓度活性水压裂液对两种煤样（东滩煤样和厚畹家梁煤样）孔隙结构及甲烷吸附特性的影响，从而为评估活性水对煤储层的损害提供指导。

研究流程与详细实施

本研究分为以下几个主要步骤：

样品与材料准备

研究选用了中国内蒙古厚畹家梁煤矿的长焰煤（HW煤样）和山东东滩煤矿的气煤（DT煤样）。为了确保实验结果的可重复性，煤样均来自各自矿区的同一煤块。样品采用80-100目的筛网筛选出煤粉，确保颗粒分布均匀。活性水以聚丙烯酰胺（PAM）为主要添加剂，制备出不同浓度的溶液（0.1%、0.3%和0.5%），并设立未经活性水处理的对照组。

甲烷吸附等温实验

甲烷吸附实验设定温度为30℃，采用智能吸附仪测量煤样在不同压力下对甲烷的吸附量。实验结果通过朗缪尔（Langmuir）模型拟合以分析煤样的甲烷最大吸附量及吸附压力。

低温氮吸附实验（LT-NAT）

为了探讨不同煤样孔隙结构的差异，实验使用 Autosorb IQ 仪器对煤样孔径在2-200 nm范围的孔隙进行表征。通过 BET 模型和 BJH 模型计算样品的比表面积、孔容积及微孔分布特性。另外，通过低温氮吸附/脱附曲线表征孔类型（如开口孔、半开孔及闭口孔）。

核磁共振（NMR）分析

为分析煤样表面化学成分和官能团组成，采用13C NMR（碳核磁共振）技术，对煤样表面化学位移进行表征及量化分析，重点关注芳香结构、脂肪结构及其他氧化基团的含量。

数据分析与假设验证

研究结合实验数据，通过对活性水残留对煤样孔隙占据、甲烷吸附位置竞争等机制的分析，提出活性水与煤样相互作用的影响模型。

研究结果与分析

甲烷吸附实验结果

实验结果显示，活性水处理对不同煤样的甲烷吸附能力影响显著且不同。对于HW煤样，甲烷吸附量随着活性水中PAM浓度的增加而减小；而对于DT煤样，甲烷吸附量则随着PAM浓度的增加而增加。该现象反映出煤样孔隙结构及表面官能团对活性水的敏感性差异。

孔隙结构分析

LT-NAT实验表明，HW煤样比DT煤样拥有更加复杂的孔隙网络结构和较高的内表面粗糙度。HW煤样中小孔（ nm）数量较多，而DT煤样孔隙较少且分布更简单。此外，HW煤样的比表面积是DT煤样的4倍以上，总孔容积也显著高于DT煤样。

表面官能团特征

NMR测试显示，HW煤样和DT煤样的表面官能团组成类似，主要含有芳香结构和极性基团（例如Ar-CH3）。然而，HW煤样中的芳香结构内容显著高于DT煤样，而脂肪基团较少。这可能是HW煤样具有较高甲烷吸附能力的原因之一。

活性水残留对孔隙的影响机制

结合实验，研究分析了活性水残留对煤样孔隙内壁的“膨胀效应”和“堵塞效应”。首先，PAM分子可能附着在孔壁形成局部凸起（“膨胀”），增加了局部吸附面积；但当浓度进一步增加时，过多的残留会堵塞孔隙，降低有效吸附区域并影响甲烷迁移及流动性。

研究意义与价值

本研究揭示了活性水压裂技术对煤层气储层的复杂影响机制，强调了煤样孔隙结构和官能团组成在调控甲烷吸附行为中的重要角色。研究表明，优化活性水配方、改善井返效率是减小煤层气开采过程中储层损害的关键途径。这不仅为煤层气的商业开发提供了理论指导，同时也为进一步开发高效低损的压裂液提供了实验数据和参考模型。

研究亮点

1. 创新性：通过系统实验研究了PAM浓度对煤样孔隙结构及甲烷吸附的影响，提出了“膨胀-堵塞”双阶段作用机制。
2. 多学科交叉：结合了LT-NAT和NMR技术，从孔隙物理结构和化学成分两个维度全面表征煤样特性。
3. 工程价值：提出改善活性水配方和提高流回效率的新途径，为煤层气开采技术的优化设计提供了实践依据。

结论

本研究丰富了关于活性水压裂液与煤储层相互作用的基础知识，通过系统实验揭示了其对甲烷吸附及孔隙结构的综合影响，强调了配方优化与现场应用改进的紧迫性。未来，相关研究可进一步探索不同煤种在水基压裂液处理后的气体运输行为以及活性水在其他非煤系储层中的作用效果。