本文由Guanhua Ni、Zhao Li和Hongchao Xie等人撰写，发表于2018年的《Powder Technology》期刊上。研究的主要机构为山东科技大学矿业与安全工程学院以及由山东省和科技部共建的矿山灾害预防与控制国家重点实验室。该研究旨在探讨煤层水锁效应（Water Blocking Effect, WBE）的机理及其缓解方法，以提高煤层气抽采效率。

研究背景与目的

煤层气（Coal Bed Methane, CBM）是一种重要的非常规天然气资源，中国的煤层气储量居世界第三位。然而，由于煤层地质结构复杂、埋藏深度大、渗透率低等因素，煤层气的抽采效率较低。水力压裂技术是提高煤层渗透率的常用方法，但外来水的侵入会导致水锁效应，阻碍煤层气的解吸、扩散和渗透，从而降低煤层气的抽采效率。因此，研究水锁效应的机理及其缓解方法具有重要的理论和实际意义。

研究方法与流程

研究首先分析了水锁效应的成因及其影响因素，重点研究了表面活性剂对煤层表面张力、粘度、接触角等参数的影响。研究分为以下几个步骤：

1. 表面活性剂的选择与溶液制备：研究使用了阴离子、非离子和阳离子表面活性剂，制备了不同浓度的溶液，浓度范围为0.005%至0.14%。

2. 煤样的制备与表征：从古汉山、杨柳和松树煤矿采集煤样，进行煤岩学和工业分析，测定煤样的水分、灰分、挥发分和固定碳含量，并通过显微镜测定煤样的镜质组反射率。

3. 表面张力与接触角测试：使用德国Kruss公司的DSA光学液滴形态分析系统，通过悬滴法测定不同浓度表面活性剂溶液的表面张力，并通过静态液滴连续追踪模式测定表面活性剂溶液在煤样表面的接触角变化。

4. 临界胶束浓度（CMC）的测定：通过表面张力法测定不同表面活性剂的CMC，并计算其临界表面张力（CST）。

5. 粘度测试：使用NDJ-8S数字旋转粘度计测定表面活性剂溶液在CMC下的粘度。

6. 孔隙特征分析：使用压汞法、能量色谱仪和扫描电镜（SEM）分析原始煤样和经表面活性剂处理后的煤样的孔隙特征。

主要结果

1. 水锁效应的成因：水锁效应主要由毛细管力和粘滞滞后效应引起。毛细管力与表面张力、接触角和孔隙半径有关，粘滞滞后效应则与压裂液的粘度、侵入深度等因素相关。

2. 表面活性剂的作用：表面活性剂能够显著降低水的表面张力，且随着表面活性剂浓度的增加，表面张力逐渐降低。阴离子和非离子表面活性剂降低表面张力的效率高于阳离子表面活性剂。

3. 接触角的变化：表面活性剂溶液在煤样表面的接触角随时间逐渐减小，最终达到平衡接触角。煤的变质程度越高，平衡接触角越大，表面活性剂溶液在煤表面的粘附功越小。

4. 毛细管力的降低：阴离子、阳离子和非离子表面活性剂均能降低毛细管力，其中阴离子表面活性剂的降低幅度最大。研究推荐使用阴离子表面活性剂SDS作为缓解水锁效应的最佳添加剂，其合理浓度为0.022%。

5. 孔隙特征的变化：经SDS处理后，煤样的中孔和大孔体积显著增加，孔隙度提高，表明表面活性剂处理能够有效改善煤的孔隙结构，增强煤层气的渗透性。

结论与意义

研究得出以下结论： 1. 水锁效应的主要成因是毛细管力和粘滞滞后效应，影响水锁效应的因素包括煤层的物理性质、表面张力、接触角、粘度和侵入深度。 2. 表面活性剂能够有效降低水的表面张力，阴离子和非离子表面活性剂的效率高于阳离子表面活性剂。 3. 表面活性剂溶液在煤表面的接触角随时间减小，煤的变质程度越高，平衡接触角越大，粘附功越小。 4. 阴离子表面活性剂SDS能够显著降低毛细管力，是缓解水锁效应的最佳添加剂。

该研究揭示了水锁效应的机理，并提出了基于表面活性剂的缓解方法，为提高煤层气抽采效率提供了理论依据和技术支持。研究结果不仅具有重要的科学价值，还对煤层气开发的实际应用具有重要的指导意义。

研究亮点

1. 创新性：首次系统研究了表面活性剂对煤层水锁效应的影响，提出了基于表面活性剂的缓解方法。
2. 实验方法：采用了多种先进的实验技术，如DSA光学液滴形态分析系统、压汞法和扫描电镜等，确保了实验结果的准确性和可靠性。
3. 应用价值：研究结果为煤层气开发中的水锁效应问题提供了切实可行的解决方案，具有广泛的应用前景。

其他有价值的内容

研究得到了中国国家自然科学基金、山东省自然科学基金和山东科技大学科研基金的资助，表明该研究得到了学术界的高度认可和支持。