二氧化碳和氦气对煤润湿性的影响研究

煤的润湿性是研究煤储层的重要物化参数，煤的润湿性研究除在煤化工、煤矿开采及安全生产中的应用外，在煤层气开采中也具有重要意义。

何谓润湿性？

润湿性是指一种流体在有其他非混相流体存在时，其在固体表面流动和优先粘附或者润湿的能力。其基本原理是界面附近流体与固体、流体与流体分子间的相互作用。因此，在开采过程中准确快速判断煤的润湿性，对煤层气的增产有重要的指导意义。

测定煤润湿性方法

煤润湿性常用测定方法

上述各测定方法均存在一定的局限性，对于低孔低渗的煤样，通常以驱替为基础的离心泵法和Amott法，但驱替效果并不明显，且测量费时；另外，大多数方法针对的是液体的润湿性，而并不适用于气体的润湿性。这就需要一种新型、快速、无损的方法来弥补上述方法的不足。LF-NMR技术无疑为不二之选，可以通过观察核磁共振T2图谱中吸附水、毛管束缚水和自由水的状态之间相互转化，进而可以判断其润湿性的改变程度。

核心观点：为研究煤对水、CO2和He气的相对润湿性，利用LF-NMR技术分析不同条件下的湿煤粉饱和水过程，同时采用不同性质的气体对饱和水煤粉进行气驱水试验，进一步探讨不同性质的气体对煤-水体系润湿性的影响。

试验方法

1.样品制作与试验过程

选取低阶煤，镜质组最大反射率为0.81%。试验前，将煤样磨制呈200~250μm，放入110℃的空气干燥箱内干燥直至恒重，完成样品的预处理。具体实验流程如下图所示。

2.试验主要设备

　　试验所采用的仪器为全直径岩心核磁共振成像分析系统，该仪器装置中的密封罐( 盛装湿煤粉) 以及高压样品罐( 盛装CO2和煤-水反应)均为无磁材料研制而成。试验具体参数设置详见文献。

试验结果

1.煤润湿性特征

图1 湿煤粉自然饱和水过程中T2谱的变化曲线

从图1中可以看出，随着煤粉吸水饱和时间的增加，毛管束缚水峰值向左偏移，峰面积逐渐减少，而吸附水峰面积则逐渐增大。
从图1中可以看出，随着煤粉吸水饱和时间的增加，毛管束缚水峰值向左偏移，峰面积逐渐减少，而吸附水峰面积则逐渐增大。

2.不同气体对煤润湿性的影响

图2 湿煤粉在4MPa压力CO2条件下饱和水的T2谱变化曲线

从上图可以看出，核磁共振T2谱为双峰结构，随着吸水时间的增加，吸附水峰的面积逐渐增加，毛管束缚水峰向左缓慢移动，峰面积有所降低，但不明显。

图3 湿煤粉在4MPa压力He条件下饱和水的T2谱变化曲线

分析上图可知，在初始时刻为双峰结构，随着吸水时间的增加，吸附水峰面积逐渐增大，而毛管束缚水峰也向左缓慢移动，最后大部分消失转变为吸附水峰。

不同条件下各相态水分含量之间是如何转变，及转变的程度如何，T2时间又是如何变化的，请看下图

图4 不同条件下各相态水质量分数和T2随时间变化

3.饱和水煤粉的气驱替水试验-CO2气体驱替

图5 饱和水煤粉的CO2驱替试验的T2谱变化特征

分析上图可知，当饱和水煤粉浸没在不同压力的CO2中时，煤粉的核磁共振T2谱图由初始饱和水的单峰结构变为明显的双峰结构。随着CO2气体压力增大，吸附水峰面积减小，同时形成一个新的毛管束缚水峰，并逐渐向右偏移，即煤中吸附水转变为毛管束缚水。当煤粉含水量增高，吸附水达到饱和的极限，多余的水则停留在毛管孔隙成为毛管束缚水。

图6 饱和水煤粉CO2驱替过程中吸附水和毛管束缚水质量分数和T2变化

3.饱和水煤粉的气驱替水试验-He气体驱替

图7 He气驱替试验的T2谱特征曲线

从上图可以看出，充入不同压力的He，饱和水煤粉的核磁共振T2谱基本不变。这表明，He气为一种非吸附性气体，不具备与水分子竞争吸附的能力，对煤的润湿性没有影响。

5.实验结论

　　（1）在水湿煤样中，CO2具有改变煤的水润湿性的作用，且在试验压力范围内随着CO2注入压力的增大，其作用增强。而氦气不具有改变煤水润湿性的能力。
　　（2）不同性质的气体对煤的水润湿性改变的程度不同，主要是因为煤对不同气体的吸附能力不同造成的。
　　（3）注入CO2气体会降低煤对水的润湿性，有利于煤储层水相渗透率的改善，对于提高煤层气采收率具有重要的实际意义。

参考文献：

陈基瑜,姚艳斌,孙晓晓,谢松彬,郭威.二氧化碳和氦气对低煤阶煤煤润湿性的影响研究[J].煤炭科学技术,2015,43(11):129-134.

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