表面活性劑對煤巖潤濕性的影響實驗研究

劉良華, 李松

(中石油冀東油田公司陸上油田作業(yè)區(qū)，河北 唐海 063299)

表面活性劑對煤巖潤濕性的影響實驗研究

劉良華, 李松

(中石油冀東油田公司陸上油田作業(yè)區(qū)，河北 唐海 063299)

在煤層氣儲層鉆井過程中，鉆井液浸泡并一定程度地侵入煤巖，鉆井液中的各種添加劑與煤巖表面接觸，容易使煤巖表面性質(zhì)發(fā)生變化，影響煤層氣的解析和滲流，從而影響煤層氣產(chǎn)能。因此，開展表面活性劑對煤巖潤濕性的影響研究具有重要的實際意義。通過實驗研究了不同表面活性劑種類對煤巖潤濕性的影響，加入陰離子表面活性劑后，煤巖表面親水性增強(qiáng)，加入陽離子表面活性劑后，煤巖表面親水性減弱。該研究揭示了表面活性劑對煤巖潤濕性的影響規(guī)律，為鉆井液體系優(yōu)選與鉆井液性能調(diào)配提供了技術(shù)指導(dǎo)，有助于保護(hù)儲層并提高煤層氣產(chǎn)能。

表面活性劑；潤濕高度；親水性

煤的表面潤濕性是指煤表面與水作用這種界面現(xiàn)象的強(qiáng)弱程度[1]，在煤層氣儲層鉆井過程中，為了改善鉆井液的性能，通常會在鉆井液中添加一些處理劑，如表面活性劑、絮凝劑等，這些處理劑隨鉆井液一起浸泡并一定程度地侵入煤巖，容易使煤巖表面性質(zhì)發(fā)生變化，影響煤層氣的解析和滲流，從而影響煤層氣產(chǎn)能。

因此，開展表面活性劑對煤巖潤濕性的影響研究具有重要的實際意義。

本文通過實驗研究了不同表面活性劑種類與表面活性劑濃度對煤巖潤濕性的影響，揭示了表面活性劑對煤巖潤濕性的影響規(guī)律，對于鉆井液體系優(yōu)選與鉆井液性能調(diào)配具有重要的實際意義，有助于保護(hù)儲層并提高煤層氣產(chǎn)能。

1 實驗原理

本項實驗采用煤粉自吸速度法，利用毛細(xì)作用原理進(jìn)行實驗[2]，實驗流程圖見圖1。

圖1 自吸速度法實驗流程圖Fig.1 Flowchart of self-priming speed method

2 實驗過程

（1）實驗方法

為了驗證不同表面活性劑對煤粉自吸速度的影響，在煤層水中分別加入5種濃度為0.1%的表面活性劑，并采用未添加表面活性劑的煤層水做空白樣進(jìn)行對比。為了排除煤階、煤巖組分等對煤樣自吸速度的影響，每一種煤樣均來自于同一礦區(qū)的同一工作面、層理方向相同、構(gòu)造相同或相近的塊煤，并研磨過100目篩。將研磨后的煤粉以同樣的壓實程度充填于玻璃管，并懸掛玻璃管于盛有不同溶液的燒杯中，然后記錄不同時刻煤粉的潤濕高度[3]。

（2）實驗步驟

①稱取幾份8 g 100目的煤粉。

②用濾紙將玻璃管的端部包住，把稱好的煤粉裝填到玻璃管中震實壓緊，保證每根玻璃管中煤粉的壓實程度一致，記錄此時煤粉的高度。

③將玻璃管懸掛于裝有潤濕溶液的燒杯中，保持玻璃管垂直于液面玻璃管底部沒入液面0.5 cm，當(dāng)固液相開始接觸時即開始記時，記錄不同時刻玻璃管中液面上升的高度。

④20 h后，保持玻璃管垂直靜止?fàn)顟B(tài)，向燒杯中加入表面活性劑，配制成0.1%的表面活性劑溶液。

⑤記錄5 h內(nèi)的實驗數(shù)據(jù)，靜置到50、70 h再觀察實驗結(jié)果。

3 實驗結(jié)果及分析

在實驗中為了消除偶然誤差的影響，共進(jìn)行了三組平行實驗，實驗結(jié)果見表1至表3。

表1 煤粉在不同表面活性劑溶液中自吸實驗結(jié)果（第一組）Table 1 Experimental results of pulverized coal’s self-priming (first group)

表2 煤粉在不同表面活性劑溶液中自吸實驗結(jié)果（第二組）Table 2 Experimental results of pulverized coal’s self-priming (second group)

表3 煤粉在不同表面活性劑溶液中自吸實驗結(jié)果（第三組）Table 3 Experimental results of pulverized coal’s self-priming (third group)

通過實驗可以得出如下結(jié)果：

（1）加入陰離子表面活性劑后（表4中的活性劑），煤巖表面親水性增強(qiáng)。

表4中所用的活性劑均為陰離子表面活性劑，表中數(shù)據(jù)顯示，煤粉在標(biāo)準(zhǔn)鹽水中自吸24 h，加入表面活性劑后煤粉的潤濕高度均增加，說明加入陰離子表面活性劑后煤巖的水潤濕性增強(qiáng)。這是由于水中加入陰離子表面活性劑不僅能減小液體的內(nèi)聚力，使其易于在煤表面鋪展，而且能夠在煤表面形成一定的吸附層，將低能的煤表面變?yōu)楦吣鼙砻妫黾恿伺c水的親和性[4,5]。

（2）加入陽離子活性劑后，煤巖表面親水性稍有減弱。

圖2 煤粉在同濃度不同表面活性劑溶液中自吸48 h的平均潤濕高度差Fig.2 Average wetting height difference of pulverized coal’s 48-hour self-priming in the different surfactant solutions with the same concentration

圖3 煤粉在不同表面活性劑中的潤濕高度差隨時間的變化關(guān)系Fig.3 Changing curve of pulverized coal’s wetting height difference in the different surfactants with time

（3）不同表面活性劑對煤粉的潤濕性改變不同。由圖2可知，煤粉在不同表面活性劑中自吸48小時后平均潤濕高度差不同，說明煤巖的潤濕性增強(qiáng)程度不同，增強(qiáng)的程度由大到小排序為：石油磺酸鹽＞十二烷基硫酸鈉＞OP-10＞十二烷基苯磺酸鈉＞雙子表面活性劑＞無表面活性劑。根據(jù)計算得知，十二烷基硫酸鈉屬陰離子表面活性劑，HLB值（親水親油平衡值）為40；OP-10為非離子活性劑，HLB值為14.5；十二烷基苯磺酸鈉為陰離子表面活性劑，HLB值為5.54。由這些表面活性劑的HLB值可知親水性大小為十二烷基硫酸鈉＞OP-10＞十二烷基苯磺酸鈉。另外，十二烷基硫酸鈉的親水基團(tuán)-OSO2-3-親水性最強(qiáng)也決定了十二烷基硫酸鈉的親水性大于另外兩種表面活性劑的，將這些親水性不同的表面活性劑加入水中后增強(qiáng)煤巖潤濕性的幅度自然不相同。

（4）加入表面活性劑后，煤巖的潤濕速度先升高后又逐漸降低。由圖3可以看出，隨著時間的推進(jìn)，煤巖在表面活性劑中的潤濕速度先增加，然后減小。這是由于剛開始加入表面活性劑之后，親水基團(tuán)吸附水分子，潤濕高度上升較快，但經(jīng)過一段時間之后煤巖吸附的水分子足夠多，毛管上升力與液柱的重力相等，因此潤濕高度上升速度減慢。

表4 煤粉在同濃度不同表面活性劑溶液中自吸70 h的平均潤濕高度差Table 4 Average wetting height difference of pulverized coal’s 70-hour self-priming in the different surfactant solutions with the same concentration

4 結(jié) 論

（1）加入陰離子表面活性劑后，煤巖表面親水性增強(qiáng)，加入陽離子活性劑后，煤巖表面親水性稍有減弱，而且不同表面活性劑對煤粉的潤濕性改變不同。

（2）加入表面活性劑后，煤巖的潤濕速度先升高后又逐漸降低，且煤巖的親水性與表面活性劑的濃度有關(guān)。

（3）在煤層氣儲層鉆井過程中，為了充分保護(hù)儲層免受鉆井液的侵害，并提高煤層氣產(chǎn)能，建議加入適當(dāng)濃度的陰離子表面活性劑。

［1］董平,單忠健,李哲.超細(xì)煤粉表面潤濕性的研究[J].煤炭學(xué)報,2004,29(3):346-349.

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［3］蔣海波,肖躍龍,趙嫵.新型表面活性劑溶液對煤塵的潤濕性能研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2013,9(6):11-15.

［4］楊靜,譚允禎,王振華.煤塵表面特性及潤濕機(jī)理的研究[J].煤炭學(xué)報,2007,32(7):737-740.

［5］韓一秀,梅擁軍,韋勇強(qiáng).表面活性劑溶液潤濕行為研究進(jìn)展[J].膠體與聚合物,2012,30(3):133-136.

［6］李慶會,游藝,歐陽云麗.淺析影響煤巖潤濕性的因素[J].石油化工應(yīng)用,2013，32(1):88-90.

Experimental Research on the Influence of Surfactants on the Wettability of Coal Rock

LIU Liang-hua, LI Song
(Jidong Oilfield Branch Company Onshore Oilfield Operation Area,CNPC, Hebei Tanghai 063299, China)

During the drilling of CBM reservoir, the drilling fluid invades into the coal rock to some extent, the various additives in the drilling fluid contact with the surface of coal rock, which is easy to change the surface properties of coal rock, and affects the seepage and production capacity of CBM. Therefore, it is important to research the influence of surfactants on the coal rock’s wettability.In this paper, the influence of surfactant types on the coal rock’s wettability was studied through experiments. The results showed that the hydrophilicity of coal rock’s surface was enhanced by adding an anionic surfactant, while the hydrophilicity was weakened by adding a cationic surfactant. The research reveals the influence of surfactants on the coal rock’s wettability, which is useful to provide technical guidance for choosing drilling fluid system and improving the properties of drilling fluid, it is helpful to protect the CBM reservoir and improve the production capacity.

Surfactant; Wetting height; Hydrophilicity

TE 311

A

1671-0460（2017）11-2270-03

2017-04-25

劉良華(1985-)，男，河北省唐山市人，工程師，2009年畢業(yè)于長江大學(xué)石油工程專業(yè)，研究方向：石油天然氣開采技術(shù)方面的研究與管理工作。E-mail: 1405612154@qq.com。