预压裂液对深部煤层孔-裂隙结构及力学性质的影响

为什么煤中的隐蔽裂缝很重要

在地下深处，煤层储存着大量天然气，相较于传统燃煤可以为家庭和工业提供更低排放的能源。然而，能否把这些气体开采出来取决于气体在煤内部微小孔隙和裂缝中的流动难易。本研究提出了一个既务实又关系重大的问题：在工程师对深部煤层注入不同预处理液以进行水力压裂之前，哪些试剂能真正打开气体流动通道，哪些又会悄然损伤岩石甚至使情况更糟？

工程师如何对深部煤层进行“预处理”

在对煤层进行压裂以释放气体之前，作业人员常常注入专用液体，用以溶解矿物、拓宽微小通道或轻微削弱岩体，使裂缝更容易形成。研究人员对取自中国约2700米深处的煤芯样品测试了五种此类预压裂液。其中一种是常见的类润滑水混合物，类似于许多气井使用的配方。两种为基于盐酸的酸性混合液，其中一种加入了氢氟酸以增强作用。其余两种为氧化性液体，基于类似家用漂白剂和过氧化氢的化学品。由于所有测试均始于同一口深井的岩心，团队能够比较每种液体对相同类型煤的不同影响。

在不破坏样品的情况下观察煤内部

为了观察这些试剂如何重塑煤的内部结构，科学家们使用了多种成像手段。核磁共振（NMR），即医学磁共振成像的近亲，用于测量空隙总体积以及这些空间在超小孔、中等孔和较大孔之间的分布。扫描电子显微镜（SEM）提供了煤表面的近景图，揭示了坑洞、被溶解的颗粒和新生裂缝。原子力显微镜（AFM）描绘了表面的微小高低起伏，用以计算处理后表面的粗糙度。最后，压缩和拉伸试验对处理后的样品进行挤压和拉伸测试，以确定煤体变得多么脆弱或更易变形。

哪些液体打开通道——哪些又堵塞它们

五种液体均增加了孔隙总体积，但表现并不相同。混合酸（盐酸与氢氟酸）在改善气体流动方面表现最为突出：通过溶解石英和硅酸盐等顽固矿物并将小孔连接成更大、更连通的通道，其计算渗透率提高了百倍以上。类似漂白剂的氧化剂也通过膨胀并溶解部分有机物显著改善了流动，而润滑水和过氧化氢的效果则更为温和。令人意外的是，单纯的盐酸尽管扩大了一些孔隙，反而使流动变差。显微镜观察与孔隙度测量表明，松动的矿物颗粒迁移并堵塞了狭窄喉道，将一些原本连通的空间转变为被困的、不可流动的孔隙。

以产能换取强度

同样的化学反应在雕刻孔隙与裂缝的同时也改变了岩石承受应力的方式。对流动提升最显著的混合酸使煤体明显变软、更易变形，表现为最低的抗压强度和抗拉强度，以及在受压时最大的侧向膨胀趋势。漂白类氧化剂和单纯的盐酸也显著削弱了煤体，而润滑水尤其是过氧化氢则较多保留了原始强度。将力学行为与微观结构相比对时出现了清晰的规律：总体孔隙更多且表面更粗糙的样品变得更不刚性，且更粗糙的表面也使煤在拉伸中更容易撕裂。相比之下，抗压强度并未与任何单一的孔隙或裂隙指标呈现简单对应关系，这提示了更复杂的破坏模式。

为任务选择合适的工具

对于规划深部煤层气项目的作业者而言，结论是预压裂液并非可以互换。混合酸或强氧化剂能够显著提高煤层的气体流动性，但它们同时把煤雕刻成更弱、更具延展性的材料。这种弱化有助于裂缝的起裂与扩展，但也可能影响长期稳定性。更温和的液体能保持岩体更强，但带来的流动改善较小；而单纯的盐酸则有可能堵塞它本应清理的通道。通过将具体的液体配方与可测量的孔隙结构和强度变化联系起来，这项工作为选择与目标相匹配的处理方案提供了路线图——无论目标是最大化渗透率、定向削弱，还是在两者之间取得平衡。

引用: Wang, X., Sun, Z., Li, M. et al. Effects of pre-fracturing fluids on pore-fracture structure and mechanical properties of deep coal. Sci Rep 16, 9359 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38943-4

关键词: 煤层气, 水力压裂, 酸化处理, 氧化处理, 岩石力学