煤的潤(rùn)濕性是研究煤儲(chǔ)層的重要物化參數(shù)，煤的潤(rùn)濕性研究除在煤化工、煤礦開采及安全生產(chǎn)中的應(yīng)用外，在煤層氣開采中也具有重要意義。

何謂潤(rùn)濕性？

潤(rùn)濕性是指一種流體在有其他非混相流體存在時(shí)，其在固體表面流動(dòng)和優(yōu)先粘附或者潤(rùn)濕的能力。其基本原理是界面附近流體與固體、流體與流體分子間的相互作用。因此，在開采過程中準(zhǔn)確快速判斷煤的潤(rùn)濕性，對(duì)煤層氣的增產(chǎn)有重要的指導(dǎo)意義。

測(cè)定煤潤(rùn)濕性方法

煤潤(rùn)濕性常用測(cè)定方法

上述各測(cè)定方法均存在一定的局限性，對(duì)于低孔低滲的煤樣，通常以驅(qū)替為基礎(chǔ)的離心泵法和Amott法，但驅(qū)替效果并不明顯，且測(cè)量費(fèi)時(shí)；另外，大多數(shù)方法針對(duì)的是液體的潤(rùn)濕性，而并不適用于氣體的潤(rùn)濕性。這就需要一種新型、快速、無損的方法來彌補(bǔ)上述方法的不足。LF-NMR技術(shù)無疑為不二之選，可以通過觀察核磁共振T2圖譜中吸附水、毛管束縛水和自由水的狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)化，進(jìn)而可以判斷其潤(rùn)濕性的改變程度。

核心觀點(diǎn)：為研究煤對(duì)水、CO2和He氣的相對(duì)潤(rùn)濕性，利用LF-NMR技術(shù)分析不同條件下的濕煤粉飽和水過程，同時(shí)采用不同性質(zhì)的氣體對(duì)飽和水煤粉進(jìn)行氣驅(qū)水試驗(yàn)，進(jìn)一步探討不同性質(zhì)的氣體對(duì)煤-水體系潤(rùn)濕性的影響。

試驗(yàn)方法

1.樣品制作與試驗(yàn)過程

選取低階煤，鏡質(zhì)組最大反射率為0.81%。試驗(yàn)前，將煤樣磨制呈200~250μm，放入110℃的空氣干燥箱內(nèi)干燥直至恒重，完成樣品的預(yù)處理。具體實(shí)驗(yàn)流程如下圖所示。

2.試驗(yàn)主要設(shè)備

　　試驗(yàn)所采用的儀器為全直徑巖心核磁共振成像分析系統(tǒng)，該儀器裝置中的密封罐( 盛裝濕煤粉) 以及高壓樣品罐( 盛裝CO2和煤-水反應(yīng))均為無磁材料研制而成。試驗(yàn)具體參數(shù)設(shè)置詳見文獻(xiàn)。

試驗(yàn)結(jié)果

1.煤潤(rùn)濕性特征

圖1 濕煤粉自然飽和水過程中T2譜的變化曲線

從圖1中可以看出，隨著煤粉吸水飽和時(shí)間的增加，毛管束縛水峰值向左偏移，峰面積逐漸減少，而吸附水峰面積則逐漸增大。
從圖1中可以看出，隨著煤粉吸水飽和時(shí)間的增加，毛管束縛水峰值向左偏移，峰面積逐漸減少，而吸附水峰面積則逐漸增大。

2.不同氣體對(duì)煤潤(rùn)濕性的影響

圖2 濕煤粉在4MPa壓力CO2條件下飽和水的T2譜變化曲線

從上圖可以看出，核磁共振T2譜為雙峰結(jié)構(gòu)，隨著吸水時(shí)間的增加，吸附水峰的面積逐漸增加，毛管束縛水峰向左緩慢移動(dòng)，峰面積有所降低，但不明顯。

圖3 濕煤粉在4MPa壓力He條件下飽和水的T2譜變化曲線

分析上圖可知，在初始時(shí)刻為雙峰結(jié)構(gòu)，隨著吸水時(shí)間的增加，吸附水峰面積逐漸增大，而毛管束縛水峰也向左緩慢移動(dòng)，最后大部分消失轉(zhuǎn)變?yōu)槲剿濉?/p>

不同條件下各相態(tài)水分含量之間是如何轉(zhuǎn)變，及轉(zhuǎn)變的程度如何，T2時(shí)間又是如何變化的，請(qǐng)看下圖

圖4 不同條件下各相態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)和T2隨時(shí)間變化

3.飽和水煤粉的氣驅(qū)替水試驗(yàn)-CO2氣體驅(qū)替

圖5 飽和水煤粉的CO2驅(qū)替試驗(yàn)的T2譜變化特征

分析上圖可知，當(dāng)飽和水煤粉浸沒在不同壓力的CO2中時(shí)，煤粉的核磁共振T2譜圖由初始飽和水的單峰結(jié)構(gòu)變?yōu)槊黠@的雙峰結(jié)構(gòu)。隨著CO2氣體壓力增大，吸附水峰面積減小，同時(shí)形成一個(gè)新的毛管束縛水峰，并逐漸向右偏移，即煤中吸附水轉(zhuǎn)變?yōu)槊苁`水。當(dāng)煤粉含水量增高，吸附水達(dá)到飽和的極限，多余的水則停留在毛管孔隙成為毛管束縛水。

圖6 飽和水煤粉CO2驅(qū)替過程中吸附水和毛管束縛水質(zhì)量分?jǐn)?shù)和T2變化

3.飽和水煤粉的氣驅(qū)替水試驗(yàn)-He氣體驅(qū)替

圖7 He氣驅(qū)替試驗(yàn)的T2譜特征曲線

從上圖可以看出，充入不同壓力的He，飽和水煤粉的核磁共振T2譜基本不變。這表明，He氣為一種非吸附性氣體，不具備與水分子競(jìng)爭(zhēng)吸附的能力，對(duì)煤的潤(rùn)濕性沒有影響。

5.實(shí)驗(yàn)結(jié)論

　　（1）在水濕煤樣中，CO2具有改變煤的水潤(rùn)濕性的作用，且在試驗(yàn)壓力范圍內(nèi)隨著CO2注入壓力的增大，其作用增強(qiáng)。而氦氣不具有改變煤水潤(rùn)濕性的能力。
　　（2）不同性質(zhì)的氣體對(duì)煤的水潤(rùn)濕性改變的程度不同，主要是因?yàn)槊簩?duì)不同氣體的吸附能力不同造成的。
　　（3）注入CO2氣體會(huì)降低煤對(duì)水的潤(rùn)濕性，有利于煤儲(chǔ)層水相滲透率的改善，對(duì)于提高煤層氣采收率具有重要的實(shí)際意義。

參考文獻(xiàn)：

陳基瑜,姚艷斌,孫曉曉,謝松彬,郭威.二氧化碳和氦氣對(duì)低煤階煤煤潤(rùn)濕性的影響研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2015,43(11):129-134.

紐邁小編:小K.歡迎留言，索取原文！