(12)发明专利申请
(10)申请公布号(10)申请公布号 CN 104502239 A (43)申请公布日(43)申请公布日 2015.04.08
(21)申请号 201410841172.1(22)申请日 2014.12.30
(71)申请人中国石油天然气集团公司
地址100007 北京市东城区东直门北大街9
号
申请人中国石油集团钻井工程技术研究院
长江大学(72)发明人杨恒林 汪伟英 田中兰 赵梓彤
柯文丽 胡振华(74)专利代理机构北京三友知识产权代理有限
公司 11127
代理人王天尧(51)Int.Cl.
G01N 15/08(2006.01)
G01N 13/00(2006.01)
(54)发明名称
测定煤岩润湿性的方法(57)摘要
本发明提供一种测定煤岩润湿性的方法，该方法包括：制备石英砂模型和待测润湿性煤岩的煤岩模型；检测石英砂模型和煤岩模型的孔隙度，计算石英砂模型和煤岩模型的孔隙体积；检测石英砂模型和煤岩模型的自吸水时间和自吸水体积；计算石英砂模型和煤岩模型的自吸水排气采收率和自吸水无因次时间；分别绘制石英砂模型和煤岩模型的自吸水排气采收率与自吸水无因次时间的关系曲线；计算煤岩模型的自吸水排气采收率与自吸水无因次时间的关系曲线的下包面积与标准曲线的下包面积的比值作为自吸润湿指数，确定待测润湿性煤岩的润湿性。本发明技术方案提高了测定煤岩润湿性的准确度，从而为煤层气开采提供了可靠的依据。
权利要求书2页 说明书10页 附图3页
C N 1 0 4 5 0 2 2 3 9 A CN 104502239 A
权 利 要 求 书
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1.一种测定煤岩润湿性的方法，其特征在于，包括：
制备石英砂模型和待测润湿性煤岩的煤岩模型；将水润湿所述石英砂模型的能力作为标准能力；
采用孔隙度检测仪，检测所述石英砂模型和煤岩模型的孔隙度，计算石英砂模型和煤岩模型的孔隙体积；
利用自吸测量仪器，检测所述石英砂模型和煤岩模型的自吸水时间和自吸水体积；根据石英砂模型的自吸水时间、自吸水体积和孔隙体积，计算石英砂模型的自吸水排气采收率和自吸水无因次时间；根据煤岩模型的自吸水时间、自吸水体积和孔隙体积，计算煤岩模型的自吸水排气采收率和自吸水无因次时间；
根据石英砂模型的自吸水排气采收率和自吸水无因次时间，绘制石英砂模型的自吸水排气采收率与自吸水无因次时间的关系曲线作为标准曲线；根据所述煤岩模型的自吸水排气采收率和自吸水无因次时间，绘制煤岩模型的自吸水排气采收率与自吸水无因次时间的关系曲线作为对比曲线；计算所述对比曲线的下包面积与所述标准曲线的下包面积的比值，作为自吸润湿指数；
根据所述自吸润湿指数，确定待测润湿性煤岩的润湿性；所述自吸润湿指数等于1，表明水对所述待测润湿性煤岩的润湿能力达到了所述标准能力，水完全润湿待测润湿性煤岩；所述自吸润湿指数等于零，表明水完全不能润湿待测润湿性煤岩，气完全润湿待测润湿性煤岩；所述自吸润湿指数越接近于0，表明所述待测润湿性煤岩的亲气性越强；所述自吸润湿指数越接近于1，表明所述待测润湿性煤岩的亲水性越强。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据石英砂模型的自吸水时间、自吸水体积和孔隙体积，计算石英砂模型的自吸水排气采收率和自吸水无因次时间，包括：
根据石英砂模型的自吸水时间和自吸水体积，计算石英砂模型的自吸速度；根据石英砂模型的自吸水体积和孔隙体积，计算石英砂模型的自吸水排气采收率；绘制石英砂模型的自吸速度与自吸水排气采收率倒数的关系曲线，得到所述石英砂模型的自吸速度与自吸水排气采收率倒数的关系曲线的斜率和截距，根据所述斜率、截距、石英砂模型的自吸水时间和孔隙体积，计算石英砂模型的自吸水无因次时间。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据煤岩模型的自吸水时间、自吸水体积和孔隙体积，计算煤岩模型的自吸水排气采收率和自吸水无因次时间，包括：
根据煤岩模型的自吸水时间和自吸水体积，计算所述煤岩模型的自吸速度；根据煤岩模型的自吸水体积和孔隙体积，计算煤岩模型的自吸水排气采收率；绘制煤岩模型的自吸速度与自吸水排气采收率倒数的关系曲线，得到所述煤岩模型的自吸速度与自吸水排气采收率倒数的关系曲线的斜率和截距，根据所述斜率、截距、煤岩模型的自吸水时间和孔隙体积，计算煤岩模型的自吸水无因次时间。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，按照如下公式计算石英砂模型或煤岩模型的自吸水无因次时间：
其中，tD为石英砂模型或煤岩模型的自吸水无因次时间，a为石英砂模型或煤岩模型自
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权 利 要 求 书
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吸速度与自吸水排气采收率倒数的关系曲线的斜率；b为石英砂模型或煤岩模型自吸速度与自吸水排气采收率倒数的关系曲线中直线与横坐标交点；Vp为石英砂模型或煤岩模型的孔隙体积；t为石英砂模型或煤岩模型的自吸水时间。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述制备石英砂模型和待测润湿性煤岩的煤岩模型包括：
选取石英砂充填到一填砂筒中并压实，将所述填砂筒的端面用筛网封住，形成石英砂模型；
将要测定润湿性的煤岩粉碎成煤粉，称取所述煤粉充填到另一填砂筒中并压实，将所述填砂筒的端面用筛网封住，形成煤岩模型。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述自吸测量仪器包括：恒温箱；电子天平，固定在所述恒温箱的顶部；实验烧杯，设置在所述恒温箱的内部；采集装置，与所述电子天平连接；所述石英砂模型或煤岩模型悬挂在所述电子天平的下端；
测量开始时，将所述石英砂模型或煤岩模型放入所述实验烧杯的水中，打开电子天平，通过与电子天平连接的采集装置采集不同时刻石英砂模型或煤岩模型的重量，直到重量不变为止，获取所述石英砂模型和煤岩模型的自吸水时间和自吸水体积。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述采集装置为电脑，与所述电子天平连接。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述实验烧杯下设置有用于调整烧杯高度的升降架。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述孔隙度检测仪为氦孔隙度检测仪。
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说 明 书测定煤岩润湿性的方法
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技术领域
[0001]
本发明涉及煤岩润湿性测定技术领域，特别涉及一种测定煤岩润湿性的方法。
背景技术
润湿是指液体在界面张力的作用下沿岩石表面流散的现象。所谓润湿性是指，当存在两相非混相流体时，其中某一相流体沿固体表面延展或附着的倾向性。煤的润湿性是煤的一项重要的物理化学性质，它是岩石矿物与煤层流体相互作用的结果。它对煤层气从基质孔隙向割理的扩散以及煤层气在孔隙介质中微观分布和流动的难易程度有很大的影响。研究煤的润湿性是高效开发煤层气的重要基础。
[0003] 目前测定岩石润湿性的直接方法主要有润湿接触角法，但该方法测量时要求矿物表面十分光滑，且操作时间太长，所用矿物只是煤岩的主要成分，并非实际煤岩，测定结果不能直接代表煤层的润湿接触角；测定润湿性的间接方法主要是自吸驱替法，但由于煤岩渗透率特低，排驱体积不易测准，此方法主要用于常规砂岩测定。在煤层气钻井及煤层气增产施工过程中，钻井液及增产液中一般有表面活性剂、絮凝剂等添加剂，这些添加剂与煤层接触后，将使煤岩的润湿性发生变化，因此，准确测量煤岩的润湿性对提高煤层气产能的方案设计具有十分重要的意义。
[0002]
发明内容
本发明实施例提供了一种测定煤岩润湿性的方法，用以准确测量煤岩的润湿性，
该方法包括：
[0005] 制备石英砂模型和待测润湿性煤岩的煤岩模型；将水润湿石英砂模型的能力作为标准能力；
[0006] 采用孔隙度检测仪，检测石英砂模型和煤岩模型的孔隙度，计算石英砂模型和煤岩模型的孔隙体积；
[0007] 利用自吸测量仪器，检测石英砂模型和煤岩模型的自吸水时间和自吸水体积；根据石英砂模型的自吸水时间、自吸水体积和孔隙体积，计算石英砂模型的自吸水排气采收率和自吸水无因次时间；根据煤岩模型的自吸水时间、自吸水体积和孔隙体积，计算煤岩模型的自吸水排气采收率和自吸水无因次时间；
[0008] 根据石英砂模型的自吸水排气采收率和自吸水无因次时间，绘制石英砂模型的自吸水排气采收率与自吸水无因次时间的关系曲线作为标准曲线；根据煤岩模型的自吸水排气采收率和自吸水无因次时间，绘制煤岩模型的自吸水排气采收率与自吸水无因次时间的关系曲线作为对比曲线；计算对比曲线的下包面积与标准曲线的下包面积的比值，作为自吸润湿指数；
[0004]
根据自吸润湿指数，确定待测润湿性煤岩的润湿性；自吸润湿指数等于1，表明水
对待测润湿性煤岩的润湿能力达到了标准能力，水完全润湿待测润湿性煤岩；自吸润湿指数等于零，表明水完全不能润湿待测润湿性煤岩，气完全润湿待测润湿性煤岩；自吸润湿指
[0009]
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数越接近于0，表明待测润湿性煤岩的亲气性越强；自吸润湿指数越接近于1，表明待测润湿性煤岩的亲水性越强。[0010] 在一个实施例中，上述方法中，根据石英砂模型的自吸水时间、自吸水体积和孔隙体积，计算石英砂模型的自吸水排气采收率和自吸水无因次时间，包括：[0011] 根据石英砂模型的自吸水时间和自吸水体积，计算石英砂模型的自吸速度；[0012] 根据石英砂模型的自吸水体积和孔隙体积，计算石英砂模型的自吸水排气采收率；
[0013] 绘制石英砂模型的自吸速度与自吸水排气采收率倒数的关系曲线，得到石英砂模型的自吸速度与自吸水排气采收率倒数的关系曲线的斜率和截距，根据斜率、截距、石英砂模型的自吸水时间和孔隙体积，计算石英砂模型的自吸水无因次时间。[0014] 在一个实施例中，上述方法中，根据煤岩模型的自吸水时间、自吸水体积和孔隙体积，计算煤岩模型的自吸水排气采收率和自吸水无因次时间，包括：[0015] 根据煤岩模型的自吸水时间和自吸水体积，计算煤岩模型的自吸速度；[0016] 根据煤岩模型的自吸水体积和孔隙体积，计算煤岩模型的自吸水排气采收率；[0017] 绘制煤岩模型的自吸速度与自吸水排气采收率倒数的关系曲线，得到煤岩模型的自吸速度与自吸水排气采收率倒数的关系曲线的斜率和截距，根据斜率、截距、煤岩模型的自吸水时间和孔隙体积，计算煤岩模型的自吸水无因次时间。[0018] 在一个实施例中，上述方法中，按照如下公式计算石英砂模型或煤岩模型的自吸水无因次时间：
[0019]
其中，tD为石英砂模型或煤岩模型的自吸水无因次时间，a为石英砂模型或煤岩模
型自吸速度与自吸水排气采收率倒数的关系曲线的斜率；b为石英砂模型或煤岩模型自吸速度与自吸水排气采收率倒数的关系曲线中直线与横坐标交点；Vp为石英砂模型或煤岩模型的孔隙体积；t为石英砂模型或煤岩模型的自吸水时间。[0021] 在一个实施例中，上述方法中，制备石英砂模型和待测润湿性煤岩的煤岩模型包括：
[0022] 选取石英砂充填到一填砂筒中并压实，将所述填砂筒的端面用筛网封住，形成石英砂模型；
[0023] 将要测定润湿性的煤岩粉碎成煤粉，称取所述煤粉充填到另一填砂筒中并压实，并将所述填砂筒的端面用筛网封住，形成煤岩模型。[0024] 在一个实施例中，上述方法中的自吸测量仪器包括：恒温箱；电子天平，固定在恒温箱的顶部；实验烧杯，设置在恒温箱的内部；电脑，与电子天平连接；石英砂模型或煤岩模型悬挂在电子天平的下端；[0025] 测量开始时，将石英砂模型或煤岩模型放入实验烧杯的水中，打开电子天平，通过与电子天平连接的电脑采集不同时刻石英砂模型或煤岩模型的重量，直到重量不变为止，获取石英砂模型和煤岩模型的自吸水时间和自吸水体积。[0026] 在一个实施例中，采集装置为电脑，与电子天平连接。[0027] 在一个实施例中，自吸测量仪器中的实验烧杯下设置有用于调整烧杯高度的升降
[0020]
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架。
在一个实施例中，上述方法中，孔隙度检测仪为氦孔隙度检测仪。[0029] 本发明技术方案，通过制备石英砂模型和待测润湿性煤岩的煤岩模型，将水润湿石英砂模型的能力作为标准能力，绘制石英砂模型的自吸水排气采收率与自吸水无因次时间的关系曲线作为标准曲线，绘制煤岩模型的自吸水排气采收率与自吸水无因次时间的关系曲线作为对比曲线，计算对比曲线的下包面积与标准曲线的下包面积的比值，作为自吸润湿指数，根据自吸润湿指数，来确定待测润湿性煤岩的润湿性，自吸润湿指数等于1，表明水对待测润湿性煤岩的润湿能力达到了标准能力，水完全润湿待测润湿性煤岩；自吸润湿指数等于零，表明水完全不能润湿待测润湿性煤岩，气完全润湿待测润湿性煤岩；自吸润湿指数越接近于0，表明待测润湿性煤岩的亲气性越强；自吸润湿指数越接近于1，表明待测润湿性煤岩的亲水性越强。综上，本发明提供的技术方案可以准确测量煤岩的润湿性，从而为煤层气开采提供了可靠的依据。
[0028]
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不
构成对本发明的限定。在附图中：
[0031] 图1是本发明实施例中测定煤岩润湿性的自吸对比方法的流程示意图；[0032] 图2是本发明实施例中自吸测量仪器的结构示意图；
[0033] 图3为本发明实施例中9个石英砂模型的自吸速度与自吸水排气采收率倒数的关系曲线示意图；
[0034] 图4为本发明实施例中石英砂模型的标准曲线示意图；
[0035] 图5为本发明实施例中煤岩模型的自吸水排气采收率与自吸水无因次时间的关系曲线与石英砂模型的标准曲线的对比结果示意图；[0036] 附图标记：1、恒温箱；2、电子天平；3、悬线、4、石英砂模型或煤岩模型；5、升降架；6、实验烧杯；7、数据传输线；8、电脑。
[0030]
具体实施方式
[0037] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
[0038] 图1是本发明实施例中测定煤岩润湿性的自吸对比方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括如下步骤：[0039] 步骤101：制备石英砂模型和待测润湿性煤岩的煤岩模型；将水润湿石英砂模型的能力作为标准能力；[0040] 步骤102：采用孔隙度检测仪，检测石英砂模型和煤岩模型的孔隙度，并计算石英砂模型和煤岩模型的孔隙体积；
步骤103：利用自吸测量仪器，检测石英砂模型和煤岩模型的自吸水时间和自吸
水体积；根据石英砂模型的自吸水时间、自吸水体积和孔隙体积，计算石英砂模型的自吸水排气采收率和自吸水无因次时间；根据煤岩模型的自吸水时间、自吸水体积和孔隙体积，计
[0041]
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算煤岩模型的自吸水排气采收率和自吸水无因次时间；[0042] 步骤104：根据石英砂模型的自吸水排气采收率和自吸水无因次时间，绘制石英砂模型的自吸水排气采收率与自吸水无因次时间的关系曲线作为标准曲线；根据煤岩模型的自吸水排气采收率和自吸水无因次时间，绘制煤岩模型的自吸水排气采收率与自吸水无因次时间的关系曲线作为对比曲线；计算对比曲线的下包面积与标准曲线的下包面积的比值，作为自吸润湿指数；[0043] 步骤105：根据自吸润湿指数，确定待测润湿性煤岩的润湿性；自吸润湿指数等于1，表明水对待测润湿性煤岩的润湿能力达到了标准能力，水完全润湿待测润湿性煤岩；自吸润湿指数等于零，表明水完全不能润湿待测润湿性煤岩，气完全润湿待测润湿性煤岩；自吸润湿指数越接近于0，表明待测润湿性煤岩的亲气性越强；自吸润湿指数越接近于1，表明待测润湿性煤岩的亲水性越强。
[0044] 本发明实施例提供的测定煤岩润湿性的自吸对比方法是一种直接利用煤岩自吸水排气采收率与无因次自吸时间的关系曲线判断煤岩润湿性的实验方法。该方法的原理是：以石英砂岩-水-气系统中水润湿岩石表面的能力为标准能力(水润湿石英砂岩的能力要远大于气体润湿石英砂岩的能力，因此，水和空气相比，水能润湿石英砂岩，而空气不能润湿石英砂岩)，把煤岩-水-气系统中水润湿煤岩的能力与上述标准能力进行比较，从而判断煤岩-水-气系统中水对煤岩的润湿性。具体做法是，以石英砂充填压实岩心所测量的自吸水排气采收率曲线与无因次自吸时间的关系曲线作为标准曲线，将煤粉充填压实岩心自吸水排气采收率曲线与无因次自吸时间的关系曲线下包面积与所述标准曲线的下包面积进行对比，两面积之比作为自吸润湿指数WR。当WR＝1时，表明煤岩-水-气系统中水对煤岩的润湿能力达到了石英砂岩-水-气系统中水对岩石的润湿能力，即水完全润湿煤岩。如果WR＝0，则表明水完全不能润湿煤岩，气完全润湿煤岩。当WR值在0与1之间时，WR越接近于0，表明煤岩亲气性越强，WR越接近1，则煤岩亲水能力越强。综上所述，本发明提供的技术方案能准确测定煤岩的润湿性。[0045] 具体实施时，在步骤101中，实验样品的制备：选取一定直径的石英砂充填到金属填砂筒中并压实，填砂筒端面用筛网封住以防砂子漏出，形成石英砂模型。将待测定润湿性的煤岩粉碎，过100目筛，称取一定量煤粉充填到金属填砂筒中并压实，填砂筒端面用筛网封住，形成煤岩模型。填砂筒直径2.5cm左右，长度6cm。由于煤岩孔隙结构与砂岩差别很大，且易碎，所以煤岩模型采用将待测定润湿性的煤岩粉碎称取一定量煤粉充填到金属填砂筒中并压实的方法，利于准确测定煤岩的润湿性。[0046] 具体实施时，在步骤102中，样品孔隙度测定：采用氦孔隙度测定仪测定石英砂模型和煤岩模型的孔隙度；根据石英砂模型的孔隙度，计算石英砂模型的孔隙体积；根据煤岩模型的孔隙度，计算煤岩模型的孔隙体积，具体地，可以按照下述公式(3)计算煤岩模型和石英砂模型的孔隙体积。
[0047] 图2是本发明实施例中自吸测量仪器的结构示意图；如图2所示，步骤103中的自吸测量仪器包括：恒温箱1；电子天平2，固定在恒温箱1的顶部；实验烧杯6，设置在恒温箱1的内部；电脑8，与电子天平2连接；石英砂模型或煤岩模型4悬挂在电子天平2的下端；测量开始时，将石英砂模型或煤岩模型4放入实验烧杯6的水中，同时，打开电子天平2，通过与电子天平2连接的电脑8采集不同时刻石英砂模型或煤岩模型的重量，直到
[0048]
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重量不变为止，以获取石英砂模型和煤岩模型4的自吸水时间和自吸水体积。[0049] 具体实施时，如图2所示，电子天平2固定在恒温箱1顶部，电子天平2底部有一挂钩，用铜丝缠结石英砂模型和煤岩模型4后，悬挂在电子天平2下端的挂钩上；实验烧杯6装好液体后放置在升降架5上，可以通过调节升降架5上的螺丝调节实验烧杯6的高度。实验开始时，将悬挂在电子天平2挂钩上的石英砂模型和煤岩模型4下端放入实验烧杯6的水中。放入石英砂模型和煤岩模型4的同时，打开电子天平2，通过与电子天平2连接的电脑8测取不同时刻石英砂模型和煤岩模型4的重量，一直到重量不变为止，分别对石英砂模型和煤岩模型进行测定。
[0050] 本发明实施例中自吸测量仪器结构简单，可以通过保温箱1模拟煤层温度，更真实的测定煤岩的表面润湿性。实验方法操作简单，数据处理方便。[0051] 在一个实施例中，自吸测量仪器中的实验烧杯6下设置有用于调整实验烧杯6高度的升降架5，这样的设置灵活、方便，以实现测量的准确度。[0052] 具体实施时，在步骤103中，根据石英砂模型的自吸水时间、自吸水体积和孔隙体积，计算石英砂模型的自吸水排气采收率和自吸水无因次时间，包括：[0053] 根据石英砂模型的自吸水时间和自吸水体积，计算石英砂模型的自吸速度；[0054] 根据石英砂模型的自吸水体积和孔隙体积，计算石英砂模型的自吸水排气采收率；
[0055] 绘制石英砂模型的自吸速度与自吸水排气采收率倒数的关系曲线，以得到斜率和截距，并根据斜率、截距、石英砂模型的自吸水时间和孔隙体积，计算石英砂模型的自吸水无因次时间。
[0056] 图3为本发明实施例中9个石英砂模型的自吸速度与自吸水排气采收率倒数的关系曲线示意图；图4为本发明实施例中石英砂模型的标准曲线示意图；下面结合图3和图4，以石英砂模型为例，具体说明步骤104中计算石英砂模型的自吸水排气采收率和自吸水无因次时间的过程，以及绘制石英砂模型的自吸水排气采收率和自吸水无因次时间标准曲线，以及计算标准曲线下包面积的过程：[0057] ①如图3所示，绘制水的自吸速度Qw与石英砂模型自吸水排气采收率倒数的关系曲线，得到斜率a和截距b：
[0058] 任意时刻石英砂模型或煤岩模型(以下简称实验样品)的自吸水排气采收率R定义为该时刻岩样累计吸水体积与孔隙体积的百分比，即按照如下公式计算石英砂或煤岩的自吸水排气采收率：
[0059] [0060] [0061]
由
[0062] [0063]
得
式中：x为任意时刻的自吸长度，cm；
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[0072]
[0073]
[0074] [0075] [0076] [0077]
截距b。
[0078] [0079] [0080]
[0081] [0082] [0083] [0084] [0085] [0086] [0087] [0088] [0089] [0090]
[0091]
N3wt为任意时刻的累计吸水体积(自吸水体积)，cm；A为自吸截面积，cm2；V3p为实验样品孔隙体积，cm；R为自吸水排气采收率，％；
为实验样品孔隙度，％；
Swf为自吸前缘后的含水饱和度，％。
自吸速度Qw与自吸水排气采收率的倒数之间成线性关系公式如下：
自吸速度Qw的计算公式：
式中：Qw为自吸速度，g/min；
a为自吸速度Qw与自吸水排气采收率倒数的关系曲线的斜率；
b为自吸速度Qw与自吸水排气采收率倒数的关系曲线中直线与横坐标交点。
由上述自吸数据，作出Qw与
的关系曲线图，图如3所示，可得到直线的斜率a和
②根据将实验样品自吸水时间转化成无因次自吸时间：无因次时间计算公式：
式中：Swf为自吸前缘后的含水饱和度，％；
kw为Swf对应的水的有效渗透率，10-3μm2；Pc为Swf对应的毛细管压力，Pa；
为实验样品孔隙度，％；μw为水的粘度，mPa·s；
t为自吸时间，min；L为实验样品长度，cm；c为重力与毛管力的比值；La为特性长度，cm。
该实验中特性长度La＝L。
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将Pc与kw的定义式代入等式(8)中可化简得
③如图4所示，在步骤104中，绘制石英砂自吸水排气采收率与无因次时间的关系曲线作为标准曲线，求出该标准曲线的下包面积。并将煤岩模型的自吸水排气采收率与无因次自吸水时间的关系曲线的下包面积与标准曲线的下包面积作比值。
[0095] [0096] [0097]
下包面积比值计算公式：
其中：WR定义为自吸润湿指数；
[0098] Wcoal为煤岩模型的自吸水排气采收率曲线的下包面积，cm2；[0099] Wstandard为标准曲线的下包面积，cm2。[0100] 在步骤103中，根据煤岩模型的自吸水时间、自吸水体积和孔隙体积，计算煤岩模型的自吸水排气采收率和自吸水无因次时间，包括：[0101] 根据煤岩模型的自吸水时间和自吸水体积，计算煤岩模型的自吸速度；[0102] 根据煤岩模型的自吸水体积和孔隙体积，计算煤岩模型的自吸水排气采收率；[0103] 绘制煤岩模型的自吸速度与自吸水排气采收率倒数的关系曲线，以得到斜率和截距，并根据斜率、截距、煤岩模型的自吸水时间和孔隙体积，计算煤岩模型的自吸水无因次时间。
[0104] 上述根据煤岩模型的自吸水时间、自吸水体积和孔隙体积，计算煤岩模型的自吸水排气采收率和自吸水无因次时间的步骤，以及绘制煤岩模型自吸水排气采收率与无因次自吸水时间关系曲线的过程，可以参考：如上述以石英砂模型为例，具体说明计算石英砂模型的自吸水排气采收率和自吸水无因次时间的过程，以及绘制石英砂模型自吸水排气采收率与无因次自吸水时间关系曲线的过程，即如上述①、②和③所述，在此不再详细说明。[0105] 具体实施时，在步骤103中，按照如下公式计算石英砂模型或煤岩模型的自吸水无因次时间：
[0106]
该公式即为上述公式(12)，具体推导过程如上述步骤①和②所述，本发明实施例
引入无因次自吸时间，这样就可以消除由于实验样品外形变化和物性不同等引起的误差，进一步保证了准确测定煤岩的润湿性。[0108] 其中，tD为石英砂模型或煤岩模型的自吸水无因次时间，a为石英砂模型或煤岩模型自吸速度与自吸水排气采收率倒数的关系曲线的斜率；b为石英砂模型或煤岩模型自吸速度与自吸水排气采收率倒数的关系曲线中直线与横坐标交点；Vp为石英砂模型或煤岩模型的孔隙体积；t为石英砂模型或煤岩模型的自吸水时间。[0109] 在步骤104中，标准曲线是石英砂模型的自吸水排气采收率与无因次自吸时间的
[0107]
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关系曲线，它的下包面积反映了水对石英砂岩石的润湿能力，同理，煤岩模型的自吸水排气采收率与自吸水无因次时间的关系曲线的下包面积反映了水对煤岩的润湿能力。[0110] 下面再以实例来进行说明，以便于理解如何实施本发明。
[0111] (1)标准曲线(即为石英砂模型的自吸水排气采收率与无因此自吸水时间的关系曲线)的准备及绘制过程：实验中制作9块强亲水的石英砂模型。实验过程中，电子天平2固定在恒温箱1的顶部，电子天平2底部有一挂钩，用铜丝缠结石英砂模型后悬挂在电子天平2下端的挂钩上。实验烧杯6装好水后放置在升降架5上，通过调节升降架5上的螺丝调节实验烧杯6的高度。实验开始时将悬挂在电子天平2上的石英砂模型下端放入烧杯6的水中。放入岩心的同时，打开电子天平2，电脑8测取不同时刻石英砂模型的重量，一直到重量不变。计算每一块石英砂模型的无因次自吸时间，如图3所示，绘制9块石英砂模型的无因次自吸时间和自吸水排气采收率曲线，其中三角、方框等9种图形连成的曲线分别代表石英砂模型1～9号。然后将9块石英砂模型的无因次自吸时间和自吸水排气采收率取平均值，绘制平均自吸水排气采收率与平均无因次自吸时间的关系曲线，即为标准曲线。[0112] 具体地，首先，绘制石英砂模型的自吸速度Qw与自吸水排气采收率R的倒数之间的关系曲线，得到斜率a和截距b，见表2。将斜率a和截距b代入简化后的无因次自吸时间的计算式(12)中，可求得无因次自吸时间tD。然后将9块砂岩填砂模型的自吸水排气采收率和无因次自吸时间求平均值，然后绘制得到标准曲线，如图4所示。[0113] (2)煤岩模型的自吸水排气采收率曲线的准备与绘制过程：本发明实施例中选取凤凰山和寺河矿的煤岩，碾碎后过100目筛，将煤粉压实，最后做成煤岩模型，按照上面石英砂模型的实验方法进行实验，如图5所示，在同一坐标系下，绘制煤岩自吸水排气采收率曲线与标准曲线对比。
[0114] 图5为本发明实施例中煤岩模型的自吸水排气采收率与自吸水无因次时间的关系曲线与石英砂模型的标准曲线的对比结果示意图；如图5所示和实验结果可知：石英砂的标准曲线的下包面积为114.0983，凤凰山煤岩自吸水排气采收率曲线的下包面积为69.6613，寺河矿煤岩自吸水排气采收率曲线的下包面积为21.5453。从表5中的结果可以看出，利用自吸润湿指数法可以定量的判断出煤岩的润湿性。根据等式(13)的定义可以计算出不同矿区煤岩的自吸润湿指数：凤凰山煤岩的WR为0.6105(即：凤凰山煤岩自吸水排气采收率曲线的下包面积与标准曲线的下包面积的比值)，寺河矿煤岩的WR为0.1888(即：寺河矿煤岩自吸水排气采收率曲线的下包面积与标准曲线的下包面积的比值)。由此可知，利用本发明中提出的方法可以定量的判断煤岩的润湿性，由结果可以看出寺河矿煤岩的亲水性比凤凰山煤岩的弱，凤凰山煤岩为弱亲水性，寺河矿煤岩不亲水。[0115] 表1砂岩填砂模型的基础数据
[0116]
岩心号12
长度(cm)直径(cm)4.0134.013
2.0422.042
Lc(cm)4.0134.013
Vp(cm3)6.6636.663
孔隙度(％)50.72550.725
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3456789
[0117] [0118]
岩心号a123456789
[0119] [0120] [0121]
4.9374.9484.9374.9484.0134.0134.937
2.0472.0672.0472.0672.0422.0422.047
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4.9374.9484.9374.9484.0134.0134.937
7.3367.8496.4496.6606.8266.8826.753
45.17447.29739.71240.13251.96652.39241.584
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表2实验得到自吸速度与自吸水排气采收率关系曲线的斜率及截距
b1.22820.39150.54350.78620.42120.34820.36980.38970.3837
1.07550.32750.38170.59030.35450.27450.26170.28880.2683
表3煤岩填砂模型的基础数据
[0122] [0123]
表4煤岩自吸水排气采收率曲线下包面积与标准曲线下包面积
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[0124] [0125]
表5自吸对比法测定实验结果
岩心号
自吸曲线下包面积
WR10.60620.1811
润湿性强亲水弱亲水不亲水
标准曲线114.0983F1S1
[0126]
69.661321.5453
与现有的技术相比，本发明技术方案可以达到如下有益效果：
[0127] (1)本发明技术方案是一种直接利用自吸水采收率曲线判断煤岩润湿性的实验方法，测定方便、简单，可以定量测定煤岩的润湿性，从而为煤层气开采提供可靠依据。实验仪器结构简单，可以模拟煤层温度，更真实的测定煤岩的表面润湿性。
[0128] (2)本发明技术方案考虑到岩石在自吸过程中受孔隙结构的影响，为了消除这一影响，在实验中用填砂的方式制备实验样品。采用填砂的方式，制成的煤粉填砂模型的孔隙结构和石英砂填砂模型的孔隙结构相似，排除了岩心孔隙结构的差异对实验的影响，得出的实验结果具有可比性。
[0129] (3)本发明技术方案的实验装置中利用电子天平通过数据传输线与电脑连接，电脑上安装有数据采集软件，通过数据采集软件可以自动采集电子天平上的读数，自动采集的方式很大程度上提高了实验效率。
[0130] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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图1
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图2
图3
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图4
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