12 / 2025-11-14 17:04:00

《超声波协同乙酸压裂液诱导煤体改性实验研究》

超声波 乙酸压裂液 孔隙结构 化学结构 吸附解吸

目前我国煤矿瓦斯普遍呈现低压、低渗与低饱和特征。这种“三低”特征不 仅严重阻碍瓦斯的高效抽采，大幅降低瓦斯抽采率，还可能在煤炭开采过程中引 发爆炸、突出等重大事故。对于长期将煤炭作为主体能源的我国而言，煤矿瓦斯 的“三低”问题，无疑给能源开采的安全性与可持续性，带来极为严峻的挑战。 因此，在前人研究的基础上，所在团队提出了超声波辅助压裂增透技术，该技术 具有煤层增透范围大、压裂液对煤体改造效果好等特点，可有效改善煤层瓦斯抽 采效率。 水力压裂措施可实现对煤层的大范围造缝，酸性压裂液可实现煤体微结构的 有效改造，但强酸压裂液对设备管路有较高的要求，且会对设备产生不可恢复的 损害。因此，本文选用低浓度乙酸压裂液作为浸泡液体，开展了不同浓度乙酸压 裂液浸泡煤样、超声波协同乙酸压裂液改造煤样和煤样瓦斯吸附解吸实验；通过 傅里叶变换红外光谱、X射线衍射、液氮吸附、扫描电镜和能量色散X射线谱扫 描等手段对改造前后煤样进行物理化学结构分析，对比了使用超声波前后的乙酸 压裂液对煤样的改造情况，探讨改造前后的煤样物化结构参数的演变规律，分析 超声波协同乙酸压裂液对煤样高效改造机理，结论如下： （1）不同浓度乙酸压裂液对煤样的微结构改造效果存在差异，有机结构、 微晶结构、孔隙结构的改造存在不同的最佳乙酸压裂液浓度。结果表明：浓度为 5%的乙酸压裂液对煤样结构的影响最为显著，孔隙率增加了 60%、分形维数降 低了 2.4%；随着乙酸压裂液浓度的增加，孔隙的复杂性呈现出先减小后增大的 规律，5%和7%浓度的乙酸压裂液对微晶晶体结构影响较为显著。 （2）超声波协同乙酸压裂液对煤样的微观改造优于单独乙酸压裂液对煤样 的微观改造情况。结果表明：经超声波协同9%浓度的乙酸压裂液改造后，芳香 性(I)和支链参数(CH2/CH3)分别减少了 81.58%和 88.67%；5%浓度的乙酸压裂液 使得芳香缩合度(DOC)减少了54.39%；3%浓度的乙酸压裂液使得(‘C’)含量减 少了55.22%；7%浓度的乙酸压裂液改造煤样孔隙最为显著，比表面积和孔容分 别增加了4.68倍和5.2倍。5%的乙酸浓度使得微晶间距（d002）值下降，7%的乙 酸浓度在超声波辅助下使得微晶高度（Lc）值最低。 （3）超声波协同乙酸压裂液改造后煤样的瓦斯吸附解吸特性优于乙酸压裂 I 贵州大学 超声波—乙酸压裂液协同诱导煤体改性及吸附解吸CH4特性研究 液单独改造煤样。结果表明：超声波协同处理后煤样的瓦斯吸附解吸量比乙酸处 理后煤样的瓦斯吸附解吸量分别增加了1.12倍和1.15倍；9%乙酸浓度因为协同 作用使得表面粗糙度较高造成瓦斯吸附能力减弱，而3%乙酸浓度会因为煤样微 孔孔径过小，导致吸附效果降低；超声协同处理下煤样的Freundlich吸附常数k 值增加，表明了煤的破坏程度随着乙酸浓度的增加而增加，且在6%~8%浓度的 乙酸压裂液配合下对煤样的破坏最为严重。 本文有效地使用了超声波辅助手段，改善了低浓度弱酸对煤岩改造的效果， 可为煤层瓦斯增透技术提供了新的理论支撑。