超声波-碱性压裂液对煤微观结构及润湿性的影响

《Chemical Engineering Journal》：Effects of ultrasonic-alkaline fracturing fluid on the microstructure and wettability of coal

　　

卢茂兵|魏山阳|周万佳|孙龙伟|杨春旭|罗向英

贵州大学矿业学院，贵阳，550025，贵州，中国

摘要

提高煤层气（CBM）的提取效率对于安全采矿和清洁利用CBM至关重要。超声波与碱性压裂液联合处理可以改善煤基质的微孔结构，从而提高碱性压裂的效果。本研究通过FTIR、XRD、BET、SEM-EDS以及接触角测量等方法，探讨了超声波-碱性压裂液对煤渗透性的改善效果。结果表明，超声波和碱性溶液之间存在协同作用：超声波提供物理冲击，而碱性溶液则促进化学溶解。这两种效应共同作用，增加了亲水基团，减少了含氧基团，破坏了煤的内部致密结构，并溶解和破碎了某些矿物，显著增加了孔隙数量并拓宽了孔隙通道。含有2% NaOH的碱性溶液在改善煤孔隙发育方面表现最为显著。此外，超声波-碱性处理还增强了煤表面的亲水性，有利于气体释放。本研究为高效提取煤层气提供了理论基础。

引言

作为全球能源系统的核心组成部分，煤炭在能源领域仍然发挥着不可替代的作用[1]、[2]。尽管减少对煤炭和石油等非清洁能源的依赖对于应对气候变化和推动能源转型至关重要，但由于其低成本和高能量密度[3]、[4]、[5]，煤炭仍然是许多国家的主要能源来源。然而，在煤炭开采过程中经常发生气体事故，统计数据显示，气体爆炸占所有煤矿事故的约40%[6]。气体事故阻碍了煤炭资源的有效利用，导致了严重的经济损失和环境污染[7]、[8]。因此，预防和控制气体事故一直是学术研究的重要课题。目前，气体提取是降低气体事故风险和促进煤层气清洁利用的关键策略[9]、[10]、[11]。水力压裂是一种有效的提高渗透性的技术，压裂液是其关键组成部分。优化压裂液的组成和浓度可以进一步提高提取效率，实现安全与资源利用的双重目标。

目前，已经开发出了多种类型的压裂液，如水基、油基、泡沫型、酸性和碱性压裂液。Xue等人[12]研究了三种常见的水基压裂液（清水、粘弹性压裂液和VES表面活性剂压裂液）对煤样本的影响，结果显示水基压裂液降低了煤的孔隙体积和孔隙面积。Zhou等人[13]将基于瓜尔胶的压裂液与阳离子清洁压裂液（C-VES）进行了比较，两种液体都改善了官能团的改变和润湿性，但C-VES表现更优。然而，水基压裂液的回流水率较低，可能导致储层损伤，包括吸附和水堵塞效应[14]、[15]、[16]。Zhou等人[17]使用二烷基钛酸盐作为油基压裂液的凝胶剂，并以铁离子作为活化剂，这种液体具有高粘度，能够在相对较低的压力下形成裂缝，并有效减少水堵塞损伤。不过，这些液体的高粘度使得注入和回流水变得困难。Hu等人[18]将超临界二氧化碳注入煤层，观察到随着时间的推移煤的孔隙度增加，他们还发现CO₂在CH₄/CO₂的竞争吸附中占主导地位。然而，制备此类压裂液相对复杂，需要先进设备，导致较高的经济成本[19]。酸性压裂液通过改变官能团和微晶排列，积极影响煤的孔结构，增加连通性和平均孔径，并改变润湿性[20]、[21]，但高浓度的酸性压裂液可能会腐蚀机械设备。Wei等人[22]研究了碱性溶液作为清洁压裂液对煤微观结构的影响，结果表明碱性溶液改变了煤的官能团和润湿性，增加了煤孔的数量，并提高了煤层气的提取效率。因此，最近的研究中广泛使用了NaOH、KOH和Na₂CO₃等碱性溶液来改性煤。

作为强碱，NaOH提供了易于电离的稳定碱性环境，能与煤中的无机矿物和有机物发生反应[23]。Feng等人[24]使用褐煤-氢氧化钠系统改性煤，发现低浓度NaOH时酸性官能团优先反应，而高浓度则引起矿物相和有机物的协同变化。为了增强NaOH的改性效果，可以应用超声波来加速NaOH与煤之间的反应。Wang等人[25]用超声波处理煤样本，观察到形成了不同大小的孔隙，这些孔隙连接了之前封闭的孔隙，提高了煤的渗透性。Li等人[26]也发现超声波处理扩大了煤的裂缝并提高了渗透性。NaOH压裂液和超声波单独使用都能提高煤层的渗透性，它们的联合应用可能会产生显著的协同效应。超声波产生机械振动和空化作用，增强了压裂液与煤层之间的化学相互作用，使液体更深入微孔区域，扩大了反应范围，从而提高了煤层的渗透性，并减少了化学物质造成的环境污染。

本研究探讨了超声波与基于NaOH的碱性压裂液联合处理对煤的改性效果。为此，采用了傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、液氮吸附、扫描电子显微镜结合能量分散光谱（SEM-EDS）和接触角测量等分析技术，旨在阐明这种联合处理对煤的官能团、微晶结构、孔隙度、矿物组成和润湿性的影响。这些发现为低渗透性煤层中煤层气的开发提供了有价值的见解。

部分摘录

样品制备

煤样采集自贵州省金沙县龙峰煤矿120,902工作面。这些样品的工业分析和元素分析结果见表1。煤样被研磨至所需粒度，然后在70°C下干燥48小时以去除残留水分。水分会负面影响光谱数据的信噪比，从而降低结果的准确性。

FTIR分析

为了研究超声波和碱性溶液对煤分子结构的协同效应，进行了FTIR测试。结果如图2所示。光谱被分为四个典型区域：羟基区域（3000–3600 cm^?1）、烷烃区域（2800–3000 cm^?1）、含氧官能团区域（1000–1800 cm^?1）和芳香环区域（700–900 cm^?1）[27]。这些光谱区域的详细分析将在后续部分进行。

不同NaOH浓度对超声波效果的影响

液体中的超声波空化效应受液体粘度的影响。液体粘度越高，空化阈值越高。当交变声波产生的负压超过环境静压并克服了液体粘度造成的阻力时，就会发生空化[58]。

因此，在溶液制备过程中添加了纳米SiO₂以增加液体粘度，延长了超声波空化气泡的破裂时间，增强了目标的

结论

本研究探讨了超声波和碱性溶液联合处理对无烟煤微观结构的影响。应用了多种表征技术来评估无烟煤样本的官能团、晶体结构、吸附能力、表面形态和润湿性。结果表明，超声波和碱性溶液的联合作用显著改善了煤的改性效果。这一发现表明，将这两种方法结合使用

CRediT作者贡献声明

卢茂兵：撰写——原始草案、方法论、研究、数据管理、概念化。魏山阳：撰写——审稿与编辑、验证、资源协调、项目管理、资金获取、正式分析。周万佳：验证、方法论、研究、数据管理。孙龙伟：研究、正式分析、数据管理。杨春旭：正式分析、数据管理。罗向英：正式分析、数据管理。

资助项目

本研究得到了贵州省智能发展与高效能源利用实验室开放基金（编号：GEL-KY-2025-004）和贵州省科技成果转化联合基金项目（Qian Ke He Cheng Guo LH (2025) Key 002）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

卢茂兵（2002-），男性，硕士生，电子邮件：[e-mail]。