阳离子三聚体压裂液对气体-煤润湿性调节及孔结构重塑的协同效应：实验与分子动力学研究

煤炭层水力压裂技术中，新型三元阳离子表面活性剂CSJT与DTAB/KCl复合后显著降低煤表面张力至27.379 mN/m，接触角降至19.8°，实现亲脂煤向亲水煤转变，同时扩大孔隙直径9.45倍，形成58.38?稳定吸附层，揭示分子级润湿调控与孔隙重构协同机制。

　　

周刚|黄凯|朱连杰|于海明|杨赫|李刚|孟群志|牛晨曦|王琪

山东科技大学安全与环境工程学院，中国青岛266590

摘要：

煤层注水压裂技术通过改变煤层性质显著降低了煤尘浓度，是实现安全高效煤炭开采的关键方法。然而，传统压裂液在润湿调节和孔隙重塑之间的协同机制尚不明确，这限制了其性能的进一步优化。为了解决这一问题，本文创新合成了一种阳离子三聚表面活性剂（CSJT）。将其与十二烷基三甲基溴化铵（DTAB）和氯化钾（KCl）混合，形成了一种复合压裂液，旨在协同增强煤层改性效果。通过接触角测量和低温氮吸附实验，评估了该复合压裂液对瓦斯煤的润湿性和孔隙结构的影响，揭示了其协同机制。结果表明，该系统显著改变了煤的润湿性，表面张力降至27.379 mN/m，接触角降至19.8°，使煤变得亲水。同时，该系统有效增加了煤样品中亲水官能团的含量，并扩大了平均孔径，表明孔隙显著扩张。模拟结果显示，该系统显著增强了水在煤表面的扩散能力，扩散系数（D）为17.98 × 10^-9 m²/s，界面吸附层厚度为58.38 ?，从而从分子层面阐明了润湿性增强的动态机制。本研究为煤层注水压裂技术提供了创新的材料设计策略，有助于有效控制粉尘并实现绿色采矿实践。

引言

能源是全球经济增长、工业进步和社会发展的基础。鉴于中国煤炭资源丰富而石油和天然气资源匮乏，预计煤炭将在中短期内继续保持其在中国能源结构中的主导地位（Zhan等人，2024；Sang等人，2020；Song等人，2021）。随着全机械化煤炭开采技术的不断改进，近年来煤炭产量显著增加，由此产生的粉尘量也大幅上升。这种可吸入粉尘不仅对人体健康有害，在特定浓度条件下还存在爆炸风险（Zhou等人，2024；Huang等人，2023；Hou等人，2023）。在恶劣的煤矿环境中，煤尘是一个亟待解决的严重问题。

煤层注水压裂技术通过注入高压流体来扩展煤层裂缝网络。通过显著提高煤层的润湿性和渗透性，该方法能够主动且有效地控制粉尘（Yang等人，2021；Xie等人，2021；Wang等人，2025）。现场经验表明，有效的煤层注水显著降低了煤炭开采过程中的粉尘浓度，并改善了地下作业环境（Ma等人，2021；Zhang等人，2022；Chao等人，2022；Yan等人，2020；Chen等人，2021）。煤层注水压裂液主要由油基液、瓜尔胶、滑润水和泡沫系统组成。其中，由于环境和安全问题，油基压裂液正在逐步被淘汰（Yang等人，2020）；而基于瓜尔胶的液体会因回流残渣造成地层损伤（Wu等人，2024）；滑润水压裂液粘度低，也可能造成地层损伤（Xu等人，2023）；尽管泡沫压裂液在减少此类损伤方面有效，但需要更复杂的表面设备（Abdelaal等人，2021）。近年来，日益严重的环境问题促使人们开发了基于粘弹性表面活性剂的清洁高效压裂液。由于其优异的粘弹性和高表面活性，这类液体通过降低煤表面的疏水性来增强其润湿性。此外，它们还改变了煤的表面形态和孔隙结构，从而整体提高了煤层的连通性。Zhang等人（Zhang等人，2023）证明，HCl/CTAB复合酸性压裂液能有效增强孔隙连通性并增大煤的平均孔径，从而显著提高其润湿性。Wang等人（Wang等人，2024）报告称，添加AES表面活性剂后，煤中含极性氧官能团的含量增加。随着AES浓度的升高，表面张力逐渐降低，接触角显著减小，进一步证实了润湿性的增强。Zhu等人（Zhu等人，2024）研究了SDS、SDBS和CEDA表面活性剂对不同变质程度煤样品润湿性的影响。他们的宏观和微观实验表明，随着煤化程度的增加，煤的润湿性降低，同时表面活性剂的添加显著增强了其润湿性。Zhou等人（Zhou 2024）使用XPS、SEM-EDS和分子动力学模拟等多尺度方法研究了多种Gemini压裂液系统对焦煤物理化学性质的影响。结果表明，GAS-22/Gemini-3OH复合系统表现出最佳的润湿性，并在煤样品中诱导出显著的多级孔隙结构。

三聚表面活性剂是一类新型粘弹性表面活性剂，其特征是三个疏水性烷基链通过柔性间隔基团共价连接到三个亲水头基团上，形成独特的星形结构。这一结构特性使其在低浓度下具有优异的表面活性、更低的临界胶束浓度和更强的界面吸附能力，适用于多种应用。值得注意的是，这类高性能表面活性剂已在非常规油气储层压裂中展现出良好的性能，包括耐温性和可控的凝胶破裂行为（Du等人，2022）。然而，关于其在煤层注水压裂中的应用研究仍然不足，特别是关于压裂液作用下煤的润湿性转变机制和孔隙结构动态演变规律的深入研究仍十分缺乏。

总之，为了解决煤矿中可吸入粉尘的控制问题，本研究创新设计并合成了一种新型超长链阳离子三聚表面活性剂CSJT，将环保材料十二烷基葡萄糖苷引入长疏水链中。基于这种表面活性剂，制备了CSJT/DTAB/KCl复合压裂液系统。通过XPS、低温N₂吸附实验和分子动力学模拟等多维方法评估了该压裂液对煤样品的改性效果，揭示了该复合系统在协同调节煤润湿性和诱导孔隙重构方面的动态机制。结果表明，该复合压裂液系统有效增强了润湿性的改变与孔隙结构的改性的协同作用。宏观上，它将溶液表面张力降至27.379 mN/m，接触角降至19.8°，实现了从疏水性到亲水性的转变；微观上，它增加了煤中亲水官能团的含量，并使孔隙结构向更大尺寸重构，平均孔径扩大了9.45倍。在分子层面，模拟结果显示形成了稳定的58.38 ?厚的吸附层，并将水分子扩散系数提高至17.98 × 10^-9 m²/s，阐明了润湿性增强的根本机制。本研究扩展了基于粘弹性表面活性剂的压裂液在煤层水力压裂中的应用，为源头主动控制粉尘提供了新的清洁压裂材料，并为推进更绿色、更安全、更高效的煤炭开采实践奠定了理论基础。

实验所需材料

N,N-二甲基-1,3-丙二胺（DMAPA）购自北京Inokai科技有限公司，十二烷基葡萄糖苷（C₁₂APG）购自上海泰坦科技有限公司，对甲苯磺酸（PTS）购自盛工生物工程有限公司，环氧氯丙烷（ECH）、N,N-二甲基甘氨酸（DMG）、盐酸（HCl）、无水乙醇（EtOH）、氢氟酸（HF）、氢氧化钾（KOH）、乙酸乙酯（EA）、十二烷基硫酸钠（SDS）、十二烷基三甲基溴化铵（DTAB）、椰子油

材料的FTIR分析结果

图5(a)的FTIR光谱分析显示，-OH的伸缩振动吸收峰位于3332 cm^-1附近，699 cm^-1处的吸收峰对应于-OH的弯曲振动，1040 cm^-1处的特征吸收峰属于C-O的伸缩振动。2920 cm^-1和2850 cm^-1处的峰分别对应于-CH₂基团的不对称和对称伸缩振动，1450 cm^-1处的吸收峰

讨论

• (1)
  在CSJT的分子设计中，特意加入了环保活性成分十二烷基葡萄糖苷（C₁₂APG）。尽管其合成涉及多个反应步骤，但CSJT的超低临界胶束浓度（CMC）使其能够在低剂量下高效改性，从而显著减少了表面活性剂的使用量和潜在的环境残留。此外，DTAB和KCl都是具有良好环境行为的工业化学品

结论

• (1)
  新合成的阳离子三聚表面活性剂CSJT具有高表面活性，表面张力降至27.603 mN·m^-1。与纯水系统相比，CSJT/DTAB/KCl复合压裂液将接触角降低了74.4%，同时保持了高表面活性。经复合系统处理后，煤中亲水官能团的含量增加了3.18%，表明该系统增强了煤的亲水性。
• (2)
  CSJT/DTAB/KCl复合

CRediT作者贡献声明

黄凯：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，数据管理，概念构思。周刚：监督，项目管理，资金获取，概念构思。于海明：监督，方法论。朱连杰：监督，实验研究。王琪：验证，监督，方法论。牛晨曦：方法论，实验研究。孟群志：方法论，实验研究。李刚：方法论，实验研究。杨赫：方法论，实验研究

未引用参考文献

Wang等人，2025；Liu等人，2023；Zhang等人，2024；Du等人，2022。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52274215）和山东科技大学的杰出青年人才计划（项目编号：SKR22-5-01）的财政支持。