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从水锁束缚到动力学活化:非离子表面活性剂驱动煤岩甲烷解吸的界面级联机制

王成旺 许星光 金鑫 伏海蛟 陈高杰 郭世远 蒋庆灵 王星锦

王成旺, 许星光, 金鑫, 伏海蛟, 陈高杰, 郭世远, 蒋庆灵, 王星锦. 从水锁束缚到动力学活化:非离子表面活性剂驱动煤岩甲烷解吸的界面级联机制[J]. 地质科技通报. doi: 10.19509j.cnki.dzkq.tb202604065
引用本文: 王成旺, 许星光, 金鑫, 伏海蛟, 陈高杰, 郭世远, 蒋庆灵, 王星锦. 从水锁束缚到动力学活化:非离子表面活性剂驱动煤岩甲烷解吸的界面级联机制[J]. 地质科技通报. doi: 10.19509j.cnki.dzkq.tb202604065
WANG Chengwang, XU Xingguang, jin xin, FU Haijiao, chen gaojie, guo shiyuan, jiang qingling, WANG Xingjin. From Water Block Entrapment to Kinetic Activation: Interfacial Cascade Mechanism of Nonionic Surfactant-Driven Methane Desorption in Coal Rock[J]. Bulletin of Geological Science and Technology. doi: 10.19509j.cnki.dzkq.tb202604065
Citation: WANG Chengwang, XU Xingguang, jin xin, FU Haijiao, chen gaojie, guo shiyuan, jiang qingling, WANG Xingjin. From Water Block Entrapment to Kinetic Activation: Interfacial Cascade Mechanism of Nonionic Surfactant-Driven Methane Desorption in Coal Rock[J]. Bulletin of Geological Science and Technology. doi: 10.19509j.cnki.dzkq.tb202604065

从水锁束缚到动力学活化:非离子表面活性剂驱动煤岩甲烷解吸的界面级联机制

doi: 10.19509j.cnki.dzkq.tb202604065
基金项目: 国家科技重大专项项目编号: (2025ZD1405701);中石油股份公司基础性应用性项目编号: (2023ZZ18YJ04)

From Water Block Entrapment to Kinetic Activation: Interfacial Cascade Mechanism of Nonionic Surfactant-Driven Methane Desorption in Coal Rock

  • 摘要: 【目的】非离子表面活性剂因其良好的界面活性、耐盐性及生物降解性,在诱导煤层气解吸增产方面展现出广阔应用前景,但宏观实验难以揭示非离子表面活性剂与煤岩、水、甲烷的微观界面作用机制,大幅限制了该技术工业化应用。【方法】本研究采用全原子分子动力学模拟,构建煤-非离子表面活性剂-水-甲烷复合体系,在353 K和20 MPa模拟条件下探究三种非离子表面活性剂(Tween80、Span80、OP4)在三种真实类型煤岩(DJ_1、DJ_2、DJ2_2)表面的吸附行为及对甲烷解吸的界面级联机制。【结果】研究表明非离子表面活性剂可以通过范德华作用在煤岩表面形成吸附层: Tween80单分子作用原子多、范德华力最强;Span80和OP4结构简单,易进入孔隙竞争亲水位点。表面活性剂削弱甲烷-煤岩相互作用,使甲烷吸附自由能升高、势阱变浅,产生“热力学排斥效应”;同时竞争氢键位点,破坏水膜连续性,解除水锁效应,提升水分子扩散系数。径向分布与数密度分析表明,甲烷从吸附层“结构性剥离”为游离态。自由能曲线证实,表面活性剂对甲烷具有普适性排斥作用,对水的效应具有煤岩依赖性(DJ_2、DJ2_2中水分子势阱加深)。接触角模拟显示,处理后接触角降低33~44°,OP4在DJ2_2中效果最佳(由59.5°降至15.5°)。【结论】表面活性剂通过范德华作用吸附于煤岩表面,竞争亲水位点,重构煤-水界面,破坏水膜连续性,解除水锁效应;削弱甲烷-煤岩相互作用,剥离吸附态甲烷;改善煤岩润湿性,降低接触角。实现了“竞争吸附—水膜破坏—润湿改善—甲烷解吸”的级联作用机制,为化学强化煤层气开采的表面活性剂优选与设计提供了理论依据。

     

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出版历程
  • 收稿日期:  2026-04-30
  • 录用日期:  2026-06-08
  • 修回日期:  2026-05-25
  • 网络出版日期:  2026-06-22

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     《地质科技通报》编辑部