不同粒度泥巖顆粒的分散劑優(yōu)選研究

張雙源，王 平，劉子亮，魏迎春，陳夢(mèng)希，馮 堃，王 晨，尹軍杰

(1.中聯(lián)煤層氣國(guó)家工程研究中心有限責(zé)任公司，北京 100095；2.中石油煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100028；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083；4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

煤粉產(chǎn)出是影響煤層氣高效開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵問(wèn)題之一[1]。煤粉具有疏水性，容易在井底、管柱內(nèi)聚集沉降、結(jié)塊形成煤泥，造成埋泵、卡泵，嚴(yán)重影響煤層氣井的連續(xù)、穩(wěn)定排采[2，3]。因此，通常在壓裂液和洗井液中加入表面活性劑，改善煤粉的潤(rùn)濕性，增加煤粉返排的能力，以此來(lái)減少煤層氣井排采中的修井作業(yè)次數(shù)，保障煤層氣井的高效開(kāi)發(fā)。

在壓裂工藝方面，張勁[4]、王丹[5]通過(guò)煤粉的分散導(dǎo)流實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)壓裂液中加入分散劑增加了分散導(dǎo)流能力，有利于煤粉的分散和產(chǎn)出。王麗偉[6]、羅莉濤[7]認(rèn)為FYXF-3型煤粉分散劑可以穩(wěn)定懸浮煤粉，有效攜帶出運(yùn)移通道和井筒中的煤粉，與常規(guī)活性水壓裂液相比，對(duì)地層的傷害程度小。鄒雨時(shí)[8]提到添加支撐劑表面改性劑(SMA)可增加支撐劑表面摩擦力，在支撐劑充填層前緣吸附聚集煤粉等地層微粒，防止微粒侵入充填層后對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的傷害。許耀波[9]提出在水平井鉆井結(jié)束以后，加強(qiáng)水平段循環(huán)清洗工作，建議采用泡沫沖洗液，增強(qiáng)沖洗液攜粉效果。在洗井工藝方面，魏迎春等[10]通過(guò)不同粒徑的煤粉分散劑優(yōu)選實(shí)驗(yàn)，分析不同分散劑對(duì)不同粒徑煤粉懸浮液的分散穩(wěn)定性影響。李超等[11]探究了十二烷基硫酸鈉(SDS)分散劑對(duì)煤粉分散穩(wěn)定性的影響規(guī)律，分析了分散劑與煤粉之間的相互作用機(jī)理。以上學(xué)者關(guān)于表面活性劑和分散劑的研究對(duì)象是以煤粉為主，但根據(jù)對(duì)煤層氣現(xiàn)場(chǎng)煤層氣井和驅(qū)替實(shí)驗(yàn)排出煤粉的成分分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)出煤粉顆粒中黏土礦物平均含量可達(dá)50%以上[12-14]，而目前關(guān)于分散劑對(duì)無(wú)機(jī)礦物的影響研究并不多見(jiàn)。

因此，基于上述研究，采用鄂爾多斯盆地東緣韓城區(qū)塊太原組11#頂板泥巖樣品，應(yīng)用分散劑改性機(jī)理和特點(diǎn)，對(duì)常用的陰離子型分散劑在泥巖表面的潤(rùn)濕機(jī)理及分散性能進(jìn)行探討，為改善煤層氣井洗井工藝效果提供理論基礎(chǔ)。

1 樣品及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 樣品及試劑

1)實(shí)驗(yàn)?zāi)鄮r樣品為鄂爾多斯盆地東緣韓城區(qū)塊太原組11#煤層頂板泥巖，顏色為灰黑色、黑色，致密堅(jiān)硬的粉砂質(zhì)泥巖，XRD分析結(jié)果見(jiàn)表1，泥巖成分中以黏土礦物為主，其次為石英，含少量長(zhǎng)石。

2)分散劑：選擇腐植酸鈉(HA-Na)、萘磺酸鈉(SN)、木質(zhì)素磺酸鈉(CMN)、十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)、十二烷基硫酸鈉(SDS)等五種陰離子型分散劑，均為分析純。分散劑樣品信息見(jiàn)表2。

表1 泥巖樣品XRD定量分析結(jié)果 %

表2 分散劑樣品信息

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

為研究不同分散劑在泥巖顆粒表面的分散性能特征，采用單因素分析法，開(kāi)展多組不同粒度泥巖顆粒的分散劑優(yōu)選實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)主要步驟如下：

1)根據(jù)韓城區(qū)塊煤層氣井產(chǎn)出煤粉粒度特征，產(chǎn)出煤粉粒徑多小于210μm[12]，因此，選擇<100μm，100～200μm，200～300μm三種粒度范圍的泥巖顆粒。為減少其他陰陽(yáng)離子對(duì)泥巖顆粒聚集的影響，采用去離子水配置泥巖顆粒懸浮液，按照去離子水，2g分散劑，50g泥巖顆粒的順序進(jìn)行配置。為使泥巖顆粒與分散劑充分作用，將懸浮液充分?jǐn)嚢?0min，最終獲得分散劑為2g/L、泥巖顆粒質(zhì)量濃度為50g/L的不同粒度、不同分散劑泥巖顆粒懸浮液。

2)靜態(tài)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)：靜置并觀察不同時(shí)間(0h、12h、24h)泥巖顆粒懸浮液的顏色變化和沉淀分層特征，定性表征分散劑對(duì)泥巖顆粒的分散穩(wěn)定性。

3)懸浮液質(zhì)量濃度測(cè)定：將定量濾紙放入烘干箱中，在60℃條件下恒溫干燥2h，冷卻至室溫，使用電子天平反復(fù)稱重穩(wěn)定后取平均值。分別在2h、6h取100mL懸浮液，利用快速過(guò)濾裝置(由漏斗、濾紙、真空泵組成的聚集裝置)過(guò)濾，在40℃條件下干燥12h后，反復(fù)測(cè)量待稱重穩(wěn)定后取平均值。計(jì)算泥巖顆粒懸浮液質(zhì)量濃度，質(zhì)量濃度越大表示分散穩(wěn)定程度越高，分散效果越好。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 泥巖顆粒懸浮液分散特征

靜置不同時(shí)間的泥巖顆粒懸浮液懸浮狀態(tài)如圖1所示。隨靜置時(shí)間變化，不同分散劑的泥巖顆粒懸浮液的分散特征不同。隨靜置時(shí)間的增加，清水和SN分散劑的泥巖顆粒懸浮液內(nèi)逐漸出現(xiàn)分層的現(xiàn)象，泥巖顆粒多下沉于底部，上浮在液面頂部的顆粒較少，泥巖顆粒懸浮液靜置12h后中間溶液已經(jīng)為透明的膠體狀態(tài)。HA-Na分散劑和CMN分散劑溶于懸浮液內(nèi)呈棕褐色，不能清晰觀察泥巖顆粒懸浮液的分散情況。隨靜置時(shí)間的增加，SDBS和SDS分散劑的泥巖顆粒懸浮液顏色明顯變淺，沒(méi)有發(fā)生明顯的分層現(xiàn)象，且SDS分散劑的泥巖顆粒懸浮液顏色淺于SDBS分散劑的泥巖顆粒懸浮液顏色，兩種分散劑的泥巖顆粒懸浮液均表現(xiàn)出良好的分散性能，且SDBS分散劑分散效果較優(yōu)。整體上看，隨靜置時(shí)間的增加，不同分散劑的泥巖顆粒懸浮液分散穩(wěn)定性均降低。

相同分散劑，不同泥巖顆粒粒度對(duì)泥巖顆粒懸浮液的分散效果影響也不相同。在相同的靜置時(shí)間內(nèi)，清水和SN分散劑的泥巖顆粒懸浮液明顯分層，溶液清澈，顏色變化不明顯，小于100μm泥巖顆粒懸浮液頂部液面懸浮少量泥巖顆粒，但隨粒度的增加，泥巖顆粒懸浮液頂部懸浮泥巖顆粒逐漸減少。SDBS，SDS分散劑的泥巖顆粒懸浮液隨泥巖顆粒粒度增大，泥巖顆粒懸浮液顏色變淺。HA-Na和CMN分散劑的泥巖顆粒懸浮液在粒度<100μm時(shí)，泥巖顆粒懸浮液頂部具有部分泥巖顆粒，隨粒度的增加，泥巖顆粒懸浮液頂部懸浮的泥巖顆粒量逐漸減少。泥巖顆粒懸浮液中呈懸浮狀態(tài)的多為小于100μm的泥巖顆粒，大粒度的泥巖顆粒受到的重力大于水的浮力和附加力作用力，沉淀于燒杯底部。

2.2 懸浮液質(zhì)量濃度特征

靜置不同時(shí)間泥巖顆粒懸浮液質(zhì)量濃度結(jié)果見(jiàn)表3。在泥巖顆粒粒度<100μm，靜置時(shí)間為2h時(shí)，不同分散劑的泥巖顆粒懸浮液質(zhì)量濃度由高到低依次為：SDS、HA-Na、CMN、SDBS、SN、清水；靜置時(shí)間為6h時(shí)，不同分散劑的泥巖顆粒懸浮液質(zhì)量濃度由高到低依次為：SDS、HA-Na、SDBS、CMN、SN、清水。在泥巖顆粒粒度100～200μm，靜置時(shí)間為2h時(shí)，不同分散劑的泥巖顆粒懸浮液質(zhì)量濃度由高到低依次為：SDS、HA-Na、SDBS、CMN、SN、清水；靜置時(shí)間為6h時(shí)，不同分散劑的泥巖顆粒懸浮液質(zhì)量濃度由高到低依次為：SDS、SDBS、HA-Na、CMN、SN、清水。在泥巖顆粒粒度為200～300μm，靜置時(shí)間為2h時(shí)，不同分散劑的泥巖顆粒懸浮液質(zhì)量濃度由高到低依次為：SDS、SDBS、HA-Na、CMN、SN、清水；靜置時(shí)間為6h時(shí)，不同分散劑的泥巖顆粒懸浮液質(zhì)量濃度由高到低依次為：SDS、HA-Na、SDBS、SN、CMN、清水。

表3 泥巖顆粒懸浮液質(zhì)量濃度結(jié)果 g/L

SDS分散劑的泥巖顆粒懸浮液在不同粒度，不同靜置時(shí)間條件下泥巖顆粒質(zhì)量濃度最大。所有分散劑在相同粒度條件下，隨靜置時(shí)間的增加，懸浮液的泥巖顆粒質(zhì)量濃度降低。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果探討

3.1 分散劑對(duì)泥巖分散機(jī)理的探討

泥巖是一種非均質(zhì)體，主要由黏土礦物和碎屑礦物組成。三類(lèi)黏土礦物(高嶺石、蒙脫石、伊利石)中的基本單元為硅氧四面體和鋁氧八面體。高嶺石和伊利石晶層間分別具有氫鍵和K+離子形成的強(qiáng)連結(jié)，分子/離子難以進(jìn)入層間，而蒙脫石的晶層間形成O—O弱連結(jié)力，分子/離子極易出入晶層間空隙，使得蒙脫石具有較強(qiáng)的吸水特性與離子交換特性[15]。碎屑礦物中的石英零電點(diǎn)較低，陰離子型分散劑很難在帶負(fù)電荷的石英表面吸附[16]。泥巖的基本結(jié)構(gòu)決定了泥巖顆粒表面會(huì)吸附一定量的分散劑，改變泥巖顆粒在懸浮液中的分散狀態(tài)。

本文選用的泥巖顆粒含有親水性較好的黏土礦物和石英[17]，在懸浮液中，泥巖顆粒表面吸附了一定量的分散劑，使泥巖顆粒-水界面處的水分子緊密分布排列在泥巖顆粒表面上，泥巖顆粒-水之間界面張力降低，顆粒表面親水性增強(qiáng)[18]，靜電斥力分散作用及空間位阻效應(yīng)增加了泥巖顆粒水溶液的分散穩(wěn)定性能[19]。分散劑的自身結(jié)構(gòu)性質(zhì)的不同決定了其在顆粒表面的潤(rùn)濕能力以及對(duì)顆粒在懸浮液內(nèi)所呈現(xiàn)出的分散特征的差異性。SDS和SDBS分散劑的疏水基為直鏈烷烴，SN的疏水基為稠環(huán)芳香烴，HA-Na，CMN分散劑則是高分子結(jié)構(gòu)，表面官能團(tuán)復(fù)雜[20-22]。泥巖中的高嶺石在堿性范圍內(nèi)端面和層面均帶負(fù)電荷，在酸性范圍內(nèi)端面帶正電[23]，石英在pH>2時(shí)均帶負(fù)電荷[24]。受分散劑疏水基團(tuán)和泥巖顆粒表面電荷的影響，陰離子分散劑在泥巖顆粒表面的吸附能力不同，進(jìn)而影響顆粒間的靜電斥力，疏水基為直鏈烷烴的分散劑在顆粒表面更易吸附，且對(duì)水分子的作用力較強(qiáng)，增強(qiáng)了泥巖顆粒的表面潤(rùn)濕性[25]，所以SDS分散劑對(duì)于泥巖顆粒的分散穩(wěn)定性較好。

3.2 粒度對(duì)懸浮液分散特征影響

隨泥巖顆粒粒度增大，相同分散劑的泥巖顆粒懸浮液的分散穩(wěn)定性不同。在相同靜置時(shí)間，隨粒度的增加，SDS、SDBS、HA-Na、CMN分散劑的泥巖顆粒懸浮液的泥巖顆粒質(zhì)量濃度降低，SN分散劑的泥巖顆粒懸浮液質(zhì)量濃度升高。

根據(jù)擴(kuò)展DLVO理論，泥巖顆粒粒子間的總相互作用能由范德華吸引能、疏水/親水相互作用能和電雙層排斥能組成[26]，前兩者是由泥巖顆粒類(lèi)型及粒度等本身性質(zhì)決定[27]。在不同粒度泥巖顆粒懸浮液配置過(guò)程中，加入相同比例的泥巖顆粒和水，泥巖顆粒粒度越小，顆粒數(shù)量越多，比表面積越大，增加了表面張力和吸附水的能力[28，29]，分散劑更易吸附于顆粒表面，因此<100μm的泥巖顆粒懸浮液分散效果較好。

泥巖顆粒具有一定的親水作用，且其中黏土礦物具有水化分散效果，高嶺石、伊利石、蒙脫石顆粒遇水發(fā)生速敏、水敏反應(yīng)，易于分散和水化膨脹，使固體顆粒的尺寸和密度減小，細(xì)小顆粒懸浮于水中形成膠體狀態(tài)，使懸浮液體系變得穩(wěn)定[30]。粒度越小，黏土礦物分散效果越好，顆粒密度越小，越容易分散在懸浮液中。

泥巖顆粒的沉降速率受粒度影響。根據(jù)前人顆粒沉降影響因素實(shí)驗(yàn)得到的顆粒在溶液中的沉降公式[30]，在顆粒自由沉降條件下，顆粒末速度符合Stokes沉降規(guī)律，顆粒沉降速度與泥巖顆粒粒度呈正相關(guān)，與介質(zhì)的黏度呈負(fù)相關(guān)性。因此，泥巖顆粒粒度越大，沉降速率越快，SDS、SDBS、HA-Na、CMN分散效果越差。

3.3 分散劑在煤粉管控措施中的應(yīng)用

在清水中加入分散劑能夠有效提高泥巖顆粒的分散穩(wěn)定性，從而提高洗井工藝中泥巖顆粒的返排率。分散劑對(duì)煤粉和泥巖的分散能力具有差異性，魏迎春[10]所做不同粒徑煤粉的分散劑優(yōu)選實(shí)驗(yàn)，針對(duì)韓城區(qū)塊煤粉特征，優(yōu)選出SDS分散劑對(duì)煤粉分散效果最優(yōu)，穩(wěn)定性最好。本文所做不同粒徑泥巖顆粒的分散劑優(yōu)選實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)SDS分散劑對(duì)三種粒度的泥巖顆粒能起到很好的分散效果，具有較強(qiáng)的懸浮分散效果和靜態(tài)穩(wěn)定性能。基于顆粒的分散穩(wěn)定性和濕潤(rùn)性及懸浮液質(zhì)量濃度結(jié)果，針對(duì)不同類(lèi)型分散劑對(duì)煤粉顆粒和泥巖顆粒分散懸浮穩(wěn)定性的差異，建議在煤層氣洗井工藝中選擇SDS作為分散劑。

4 結(jié) 論

1)不同分散劑對(duì)不同粒度的泥巖顆粒分散穩(wěn)定性影響不同。隨粒度增加，SDS、SDBS分散劑的泥巖顆粒懸浮液分散穩(wěn)定性均變差；SN分散劑的泥巖顆粒懸浮液分散穩(wěn)定性變化不明顯。隨靜置時(shí)間增加，不同分散劑泥巖顆粒懸浮液分散穩(wěn)定性降低。

2)隨靜置時(shí)間增加，不同分散劑的泥巖顆粒懸浮液質(zhì)量濃度均不同程度降低。SDS分散劑的泥巖顆粒懸浮液在不同粒度、不同靜置時(shí)間條件下泥巖顆粒質(zhì)量濃度最大。

3)SDS具有的直鏈烷烴疏水基更易吸附于泥巖顆粒表面，對(duì)三種粒度的泥巖顆粒均能起到很好的分散效果，具有較強(qiáng)的懸浮分散效果和靜態(tài)穩(wěn)定性能。

4)為減少煤粉堵塞導(dǎo)致埋泵卡泵所造成的修井作業(yè)次數(shù)，根據(jù)韓城區(qū)塊實(shí)際的煤粉產(chǎn)出情況，基于顆粒的分散穩(wěn)定性和濕潤(rùn)性及懸浮液質(zhì)量濃度結(jié)果，針對(duì)不同類(lèi)型分散劑對(duì)煤粉顆粒和泥巖顆粒分散懸浮穩(wěn)定性的差異，建議在煤層氣洗井工藝中選擇SDS作為分散劑。