表面活性劑對(duì)煤巖潤濕性及相對(duì)滲透率的影響

汪偉英 （油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（長江大學(xué)），湖北 武漢430100）

田中蘭 （中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京100195）

楊林江 （油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（長江大學(xué)），湖北 武漢430100）

楊恒林 （中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京100195）

歐陽云麗，張承洲 （油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（長江大學(xué)），湖北 武漢430100）

在煤層氣開采過程中，為了加強(qiáng)返排效果，對(duì)很多進(jìn)入到煤層中的液體都加入了表面活性劑，如鉆井液、壓裂液、洗井液等。這些入井液進(jìn)入儲(chǔ)層后，其中的表面活性劑很可能在煤巖表面吸附，使得其表面性質(zhì)發(fā)生變化，同時(shí)對(duì)相對(duì)滲透率產(chǎn)生影響。關(guān)于表面活性劑改變潤濕性的研究，有學(xué)者認(rèn)為表面活性劑的吸附使得煤巖表面親水性增強(qiáng)，這些研究主要針對(duì)沖洗近井地帶煤粉的洗井液，但對(duì)潤濕性改變影響相對(duì)滲透率的研究目前報(bào)道較少。通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了不同類型活性劑對(duì)表面潤濕性以及氣－液相對(duì)滲透率的影響，為煤層氣開采過程中的活性劑選擇，以及儲(chǔ)層傷害機(jī)理判斷提供科學(xué)依據(jù)。

1 活性劑對(duì)煤巖表面潤濕性的影響

采用山西沁水盆地鄭莊3＃煤，研究入井液中表面活性劑對(duì)煤巖潤濕性的影響，活性劑種類有陰離子表面活性劑和陽離子表面活性劑。煤巖潤濕性改變通過測定煤粉接觸不同活性劑水溶液后的自吸水速度來判斷。

1.1 試驗(yàn)方法

評(píng)價(jià)煤巖潤濕性的參數(shù)主要有ζ－電位、表面張力、潤濕速度、潤濕動(dòng)力、接觸角、潤濕熱等參數(shù)，以及將這些參數(shù)與煤含氧官能團(tuán)進(jìn)行關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)煤的潤濕性［1～4］。試驗(yàn)采用煤炭行業(yè)常用的煤粉自吸水法測定煤巖的潤濕性。試驗(yàn)前將煤磨成煤粉過100目篩備用，然后根據(jù)研究礦區(qū)煤層水的離子含量配制鹽水溶液。測量時(shí)將一定量的煤粉裝入標(biāo)有刻度的玻璃管（內(nèi)徑8mm）并振實(shí)壓緊，管的底端部固定上濾紙，以防止粉末落入溶液中。測量時(shí)玻璃管保持垂直于液面，當(dāng)固液相開始接觸時(shí)即開始計(jì)時(shí)，記錄不同時(shí)間溶液潤濕煤粉的高度（或長度），相同時(shí)間內(nèi)，煤粉潤濕的高度（或長度）值越大，該煤粉的親水性越強(qiáng)。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

對(duì)鄭莊3＃煤進(jìn)行了煤粉自吸速度測定試驗(yàn)，并與砂巖粉自吸速度進(jìn)行了對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果見表1?？梢钥闯?，試驗(yàn)所測的所有煤粉柱中都有水自吸上升的高度。這一結(jié)果說明，煤巖具有一定的親水性，但與砂巖的親水性相比要弱很多。水在煤粉柱中上升的動(dòng)力是毛細(xì)管壓力，假設(shè)所有測定的煤粉柱具有相同的孔隙半徑，在煤巖親水的條件下毛管力的方向與水上升的方向一致。由此可見，水在煤粉柱中上升的高度越高，煤巖親水性越強(qiáng)。

表1 在煤粉柱中不同種類表面活性劑溶液的自吸試驗(yàn)結(jié)果

加入陰離子表面活性劑的鹽水溶液在煤粉柱中上升的高度比沒加活性劑的鹽水要高，說明入井液中加入的陰離子表面活性劑與煤巖接觸使煤巖表面親水性增強(qiáng)。這一結(jié)果主要是因?yàn)槊旱谋砻娣肿訕?gòu)成以及表面活性劑在煤表面吸附造成的。煤是由許多相似結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的高分子化合物。煤分子表面上既有酸性（陰離子）基團(tuán)如羧基，又有堿性（陽離子）基團(tuán)如胺基。在一般中性條件下胺基不帶電荷，陰離子基團(tuán)使煤表面帶負(fù)電荷，陰離子型表面活性劑的陰離子基團(tuán)與煤表面上陰離子基團(tuán)相互排斥，疏水基團(tuán)趨向于吸附在煤表面上，陰離子基團(tuán)朝外，使得煤巖表面呈現(xiàn)極性，因此親水性增強(qiáng)。

加入陽離子表面活性劑的鹽水溶液在煤粉柱中上升的高度比沒加活性劑的鹽水要略低，這是因?yàn)殛栯x子表面活性劑中不含與煤表面上陰離子基團(tuán)相互排斥的基團(tuán)，定向吸附作用比陰離子表面活性劑差。陽離子表面活性劑很難吸附到煤巖表面，當(dāng)煤層水中加入陽離子表面活性劑后減小了水的界面張力。由毛細(xì)管壓力的計(jì)算公式可知，界面張力減小將使毛管力減小，由此導(dǎo)致水上升的高度減小。因此可以認(rèn)為，陽離子表面活性劑對(duì)煤的潤濕性影響較小。

2 活性劑對(duì)氣－液相對(duì)滲透率的影響

生產(chǎn)過程中使用的含有活性劑的入井液侵入煤層氣儲(chǔ)層后，可能引起煤巖表面潤濕性的改變，使煤層氣、水在孔隙中重新分布，從而改變煤層氣和水在孔隙中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，影響煤層氣的產(chǎn)能。試驗(yàn)采用山西沁水盆地鄭莊3＃煤進(jìn)行氣－液兩相相對(duì)滲透率試驗(yàn)，研究含有不同活性劑的入井液進(jìn)入煤儲(chǔ)層后，煤巖氣相和液相滲透率的改變。

2.1 試驗(yàn)方法

采用穩(wěn)態(tài)法測定氣－水相對(duì)滲透率［5～7］，該方法主要是基于穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的達(dá)西公式。飽和度測定采用體積法。試驗(yàn)過程中，首先將抽空飽和水的煤巖心放入巖心夾持器內(nèi)，測定單一水相滲透率。然后用微量泵和氮?dú)庠匆院愣ǖ呐帕亢鸵欢ū壤謩e將水和氣同時(shí)注入煤巖心。當(dāng)巖心出口水、氣流量分別等于注入的水、氣流量時(shí)，此時(shí)巖心兩端壓差不再改變，巖心中水、氣兩相達(dá)到穩(wěn)定，記錄巖心兩端壓差、巖心累積注入水量、累積出口水量、水和氣的流量，計(jì)算巖心當(dāng)前含水飽和度，根據(jù)達(dá)西公式計(jì)算該飽和度對(duì)應(yīng)的有效滲透率。改變注入巖心水、氣的比例，即相應(yīng)地改變巖心中的水、氣飽和度，重復(fù)上述測試過程，便可獲得一系列水、氣流量和壓差，最終可分別算出水和氣各相的相對(duì)滲透率，繪制出氣液相對(duì)滲透率曲線。相對(duì)滲透率曲線測定中采用煤粉填充壓實(shí)巖心進(jìn)行試驗(yàn)。選取鄭莊3＃煤磨成煤粉，過100目篩后壓制成填充模型。

2.1.1 表面活性劑吸附改變潤濕性對(duì)相對(duì)滲透率的影響

1）按照穩(wěn)態(tài)法，用煤層水和加濕氮?dú)鉁y定巖心的氣－水兩相相對(duì)滲透率。

2）將已完成氣－水兩相滲透率測定試驗(yàn)的巖心重新抽空飽和質(zhì)量濃度為2g／L的石油磺酸鹽（陰離子表面活性劑）溶液，抽空飽和后靜止48h，讓表面活性劑充分地吸附在整個(gè)巖心中。

3）按照穩(wěn)態(tài)法，用煤層水和加濕氮?dú)鉁y定吸附表面活性劑以后的巖心的氣－水兩相相對(duì)滲透率。在測定相對(duì)滲透率時(shí)首先用氣驅(qū)水，測定束縛水飽和度及其在此飽和度時(shí)的氣相滲透率，接著再測定其他飽和度時(shí)的相對(duì)滲透率，這樣可避免測定過程中活性劑降低界面張力對(duì)相對(duì)滲透率的影響。

2.1.2 表面活性劑降低界面張力對(duì)相對(duì)滲透率的影響

1）按照穩(wěn)態(tài)法，用煤層水和加濕氮?dú)鉁y定巖心的氣－水兩相相對(duì)滲透率。

2）將已完成氣－水兩相滲透率測定試驗(yàn)的巖心重新抽空飽和煤層水。

3）用煤層水配制質(zhì)量濃度為3g／L的十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）（陽離子表面活性劑）溶液，按照穩(wěn)態(tài)法，用加有CTAB的溶液和加濕氮?dú)鉁y定巖心的氣－水兩相相對(duì)滲透率。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)用QBZY系列全自動(dòng)表面張力儀測定25℃時(shí)加入活性劑前后水的界面張力，分別為70.3mN／m和26.8mN／m。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

表面活性劑在S1、S2、S3號(hào)煤巖表面吸附前后相對(duì)滲透率測定結(jié)果見圖1～3。從圖中的相對(duì)滲透率曲線可以看出，陰離子型表面活性劑——石油磺酸鹽在煤巖表面吸附后，氣相相對(duì)滲透率（Krg）下降，水相相對(duì)滲透率（Krw）提高。對(duì)比前面所做的活性劑吸附對(duì)潤濕性影響試驗(yàn)結(jié)果，可以認(rèn)為，陰離子活性劑在煤巖表面吸附后使煤巖親水性增強(qiáng)，潤濕性的改變使得氣、水在煤孔隙中的分布以及毛細(xì)管力都發(fā)生變化，氣相滲透率下降。這一結(jié)果說明，在煤層氣開發(fā)過程中最好不要使用陰離子型表面活性劑，以防潤濕性變化引起的儲(chǔ)層傷害發(fā)生。

圖1 S1號(hào)煤巖吸附表面活性劑前后相滲曲線

圖2 S2號(hào)煤巖吸附表面活性劑前后相滲曲線

入井液中表面活性劑降低界面張力對(duì)相對(duì)滲透率影響試驗(yàn)結(jié)果見圖4、5。試驗(yàn)在S4、S5這2塊巖心中通入陽離子活性劑CTAB的水溶液和氮?dú)?，測定相對(duì)滲透率。由于在水溶液中加入表面活性劑，氣水界面張力有所下降。對(duì)比圖4、5中的相對(duì)滲透率曲線可以看出，加入活性劑后，氣相相對(duì)滲透率有所提高，液相相對(duì)滲透率稍有下降。由于使用的是陽離子表面活性劑，活性劑吸附作用較小，因此相對(duì)滲透率的改變主要是界面張力下降所致［8，9］。

圖3 S3號(hào)煤巖吸附表面活性劑前后相滲曲線

3 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

1）在煤層氣開采過程中使用的入井液中加入陰離子表面活性劑后，活性劑的疏水基吸附在煤巖的表面，使煤巖親水性增強(qiáng)。陽離子表面活性劑在煤表面上的定向吸附作用比陰離子表面活性劑差，對(duì)潤濕性改變不大。

2）煤巖表面潤濕性向親水性轉(zhuǎn)化不利于入井液的返排，同時(shí)對(duì)氣相相對(duì)滲透率的影響也較大，因此對(duì)煤層氣儲(chǔ)層盡量不用陰離子表面活性劑，以防潤濕性轉(zhuǎn)變引起的儲(chǔ)層傷害。

圖4 S4號(hào)煤巖在溶液界面張力改變前后相滲曲線

3）入井液中加入表面活性劑可降低氣液界面張力，有利于入井液返排，也有利于氣相滲透率的提高，但活性劑盡量要選擇吸附性小的類型。

圖5 S5號(hào)煤巖在溶液界面張力改變前后相滲曲線

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