表面活性劑對煤層的多尺度傷害研究進展

宋峙潮，宋 瑞，卓振州，李小剛，任軍林

（1.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300457；2.西南石油大學，油氣藏地質與開發國家重點實驗室，四川成都 610500；3.渤海鉆探工程有限公司第一固井分公司，河北任丘 062552）

從煤層氣開發的角度講，由于煤層滲透率極低（可達到10-3mD），需要進行水力壓裂施工[1]。施工用壓裂液以活性水為主，少數井使用了線性膠和凍膠[2，3]。但活性水壓裂存在濾失大、攜砂及煤粉分散能力差等問題，導致施工后增產效果不明顯。線性膠及凍膠由于存在大量高分子聚合物，而煤基質主要成分為有機分子，對于高分子物質的吸附能力遠大于常規儲層，大分子物質會吸附在基質表面上，造成阻塞孔喉、增大滲流阻力、阻礙甲烷解吸等一系列后果，所以線性膠及凍膠兩種液體對煤層改造效果也不明顯[4]。

以表面活性劑為主要成分的清潔壓裂液及泡沫壓裂液，逐漸嘗試應用于煤層氣的開發，并越來越得到重視[5，6]。清潔及泡沫壓裂液具有無固相殘留、摩阻較小、煤層傷害低、攜砂能力強、濾失量小等優點。2006 年，中聯煤層氣有限責任公司對陜西省韓城地區的3 口井，共8 個煤層進行了清潔壓裂液壓裂試驗，施工成功率100 %，取得了良好的壓裂效果[7]。2014 年，劉敏[8]研制出了不添加高分子聚合物的泡沫壓裂液體系，并選擇山西省沁水縣的5 口井進行現場實驗，壓裂施工后氣井見氣率為80 %，相比周邊活性水壓裂后的見氣率30 %，有更顯著的效果。但使用表面活性劑壓裂也存在著少數失敗的案例，例如滇東黔西的EH-C6 井，同樣采用低傷害泡沫壓裂液體系進行壓裂施工后，最高產氣量僅為84.662 m3/d。針對問題井，需要分析其可能存在的傷害類型。2019 年，馮青[9]從地質、工程及排采三個方面分析了煤層氣井潛在傷害因素，總結后發現在工程因素中，壓裂液種類及浸泡時間、壓裂施工異常對儲層產氣量影響較大。假設施工過程不存在問題，壓裂液的侵入會對煤層造成怎樣的損害，液體傷害率實驗是否能完整的展現表面活性劑對煤層的傷害。筆者思考了煤層氣從地層到井底的整個過程，并梳理出每個環節中的潛在損害因素，總結了表面活性劑對煤層的傷害機理，提出了如何更科學的評價表面活性劑傷害率。

1 甲烷在煤基質中解吸能力損害

煤層氣的開采主要分為排水降壓、解吸擴散、滲流采氣這幾個過程。排水是為了通過帶走地層中的物質，進而帶走地層能量，降低地層壓力，使原本吸附在煤基質中的甲烷氣體解吸出來，這一過程與常規砂巖儲層存在顯著差別。煤巖有特殊的賦存機理[10]，一般把煤基質理想化為若干個規則的立方體單元，這些單元是煤層氣的主要儲集空間，而割理則是流體運移的主要通道。表面活性劑作為小分子進入煤層，可能不會對甲烷在煤層中的運移造成巨大影響，但是相對于甲烷分子的大小，含有12～18 個碳（或更多碳）的表面活性劑已經屬于大分子，它吸附在煤基質中會對更小分子的甲烷解吸造成影響，通過常規的滲透率實驗，無法準確地評價表面活性劑對煤層的真實傷害。

2016 年，高波等[11]以沁水盆地石炭統太原組15 號煤為研究對象，研究了低傷害活性水壓裂液通過毛管自吸進入煤儲層后，會對儲層吸附解吸性能的影響。實驗通過對比未經處理煤粉及壓裂液處理后煤粉的甲烷解吸量，發現壓裂液處理后煤樣的甲烷解吸率下降了10.23 %。

雖然高波等使用活性水進行的甲烷在基質中的解吸能力損害實驗，但對以表面活性劑為主要成分的清潔壓裂液及泡沫壓裂液依然具有指導意義。雖然活性水壓裂液在攜砂降濾等方面與清潔及泡沫壓裂液相比，性能較差，但對煤層的傷害程度卻最低[12]。所以考慮不同種類單一表面活性劑或多種表面活性劑混合，對甲烷在煤基質中的解吸能力損害是有意義的。

2018 年，康志勤等[13]使用自行設計的塊煤吸附解吸實驗裝置，研究了低壓下塊狀同體積原生結構煤、碎裂煤和糜棱煤的CH4吸附解吸能力。實驗發現，結構致密的原生煤甲烷吸附量低，而碎裂煤則由于脆性變形，增加了中孔和微小孔等吸附孔體積，導致煤中CH4解吸量的增加。2019 年，Xiaokai Xu[14]、Zhenni Ye 等[15]對比了原生煤與構造煤結構的區別，討論了構造應力對孔隙結構的影響，并進一步分析了孔隙結構對瓦斯吸附和滲流的控制機理，結果表明：強烈的構造應力引起的變形，有利于形成甲烷吸附的孔隙，但會破壞天然形成的割理裂縫，造成甲烷滲流能力變差。綜合前人結論可知，相較于使用煤粉進行的實驗，使用煤塊能夠顯示出煤體結構對甲烷吸附解吸能力的影響。2019 年，NiGuanhua 等[16]指出，脈動水力壓裂使用低壓高頻、高壓低頻、高壓高頻能促進甲烷氣體的解吸，相較于傳統的靜態水力壓裂，具有提高甲烷解吸能力的效果。所以考慮，對高波等的實驗裝置進行改進，使裝置能夠模擬不同的水力壓裂方法，且樣品為煤塊狀態。通過對比表面活性劑未處理及處理后的甲烷解吸率，將會更加真實地還原，使用清潔或泡沫壓裂液進行壓裂施工后，煤層中甲烷解吸能力損害情況。

2 甲烷在割理縫中滲流能力損害

甲烷通過解吸擴散過程順利進入割理裂縫后，將會滲流進入支撐裂縫中。而最能表現滲流能力損害情況的指標就是滲透率。2018 年，鄭力會等[17]在室內采用恒壓法、恒流量法、巖屑脈沖衰減法、柱塞脈沖衰減法、壓力振蕩法和核磁共振法對15 個煤樣，進行了鉆井液及壓裂液傷害前后滲透率測定。綜合實驗結果及數學處理得出，巖屑脈沖衰減法適用于煤基質的傷害程度測試，而恒流量法適用于測量整體的傷害程度，兩者并行使用測定滲透率以評價煤層氣儲層傷害程度最為合理。針對甲烷滲流能力損害程度，雖然鄭力會等通過比選分析，給出了較為完整的測試方法。但這種方法只具備宏觀性與整體性，表面活性劑對甲烷滲流能力的損害是通過多個方面體現的，需要“抽絲剝繭”通過宏觀或微觀的手段一一分析。筆者思考，表面活性劑對滲流的影響是從吸附這個方面來體現。

2005 年，鄭軍等[18]考察了陰離子、陽離子、非離子表面活性劑（共六種藥劑）對煤樣的氣相損害率ag，實驗發現陰離子表面活性劑對氣相滲透率的損害程度最大，損害率高達97.2 %。因為存在以下兩點條件：（1）煤分子表面上的胺基在中性條件下一般不帶電荷，故羧基使煤表面帶負電荷。（2）微粒之所以能吸附在孔壁上，是因為煤微粒與孔壁之間的范德華引力大于靜電斥力。所以可以推斷，陰離子表面活性劑對煤層傷害程度高是因為：陰離子型表面活性劑的陰離子基團與煤表面上陰離子基團相互排斥，疏水基團趨向于吸附在煤表面上，陰離子基團朝外，使煤微粒與孔隙壁面之間排斥作用增加，促使微粒分散運移，對煤巖造成損害。鄭軍等從可能會造成煤粉運移這個角度，指出了表面活性劑吸附對甲烷滲流能力的損害。筆者考慮，這種推斷可以通過掃描電鏡等微觀手段，定點觀測不同表面活性劑處理前后，煤樣結構的變化來驗證。

由于表面活性劑結構的特殊性，吸附在煤層中還會造成潤濕性的改變，進而影響氣相滲透率[19-21]。邱正松等[22]、胡友林等[23]認為：在壓裂液中加入憎水的表面活性劑，增大壓裂液與儲層的接觸角，使得壓裂液不易進入儲層的基質孔隙、且不易附著在儲層孔隙表面形成水鎖。但2018 年，宋金星等[24]指出，在壓裂施工過程中，壓裂液是被壓裂車高壓壓入，而非通過毛管自吸進入儲層，所以親水的表面活性劑能增大水相滲流能力，使排水降壓過程進行得更加充分，防止產生水鎖[21]。宋金星等篩選了一種親水的表面活性劑復配體系AN，并評價了親水表面活性劑對煤層造成的水鎖損害率，實驗發現表面活性劑壓裂液的水鎖傷害率比活性水壓裂液降低約40 %。

根據鄭軍等的研究可知，使煤層表現為親水的表面活性劑應為陰離子型表面活性劑，但陰離子表面活性劑對氣相滲透率的損害程度是最大的，所以不應該只比較含親水表面活性劑壓裂液與活性水壓裂液的水鎖傷害率。例如，2019 年Shuaifeng Lyu 等[25]就使用了一種無毒、可降解的天然表面活性劑大豆磷脂，雖然這種表面活性劑本身性能并不突出，但與常用的非離子表面活性劑OP-10 以1:3 的比例復配后，能夠有效降低水鎖傷害，提高氣相滲流能力。所以筆者認為，可以考慮使用結構致密的原生煤，對比不同類型表面活性劑處理前后，束縛水飽和度下氣相滲透率的大小，即可準確判斷哪種表面活性劑對煤層造成的水鎖損害更低。使用結構致密的原生煤主要原因：（1）原生煤喉道較細，能夠使水鎖造成的氣相滲透率損害放大；（2）原生煤結構完整，不易產生煤粉影響實驗結果。

同樣由于表面活性劑結構的特殊性，表面活性劑溶液更易與氣體形成一個相對穩定的體系[26]，即泡沫。人們對注氣提高采收率進行研究，發現氣水交替注入相對于連續注氣，實施效果要更好一些[27]。2018 年，王微[28]通過室內實驗比較了不同注入程序下，驅油效率的大小，發現氣水交替注入驅油效率最高（83.2 %），并準確給出了最佳段塞體積以及氣水比。氣水交替注入能夠通過增大氣體滲流阻力，有效改善流度控制，擴大注入波及體積，減緩氣水突破時間。從這種思路出發，人們發現如果向水中加入表面活性劑，氣水兩相形成泡沫，在某些情況下能更有效的提高驅油效率，還能提供封堵調剖的效果[29]。含有表面活性劑的壓裂液通過濾失進入煤層后，吸附在割理裂縫上。前文中提到表面活性劑吸附會改變煤層潤濕性、誘導煤粉脫落產出，出現液、固兩相滯留在割理裂縫中的現象。當甲烷通過解吸進入割理中，氣液兩相就會形成泡沫，夾雜脫落的煤粉形成相對穩定的三相流[30]，導致滲流產生的賈敏效應增強[31]，與泡沫驅原理類似，這會極大增加氣體滲流阻力。但在泡沫驅中是為了提高波及效率，而在煤層氣井開發中，則會導致嚴重損害，影響氣井產能。

前人實驗大多在含水條件下進行，排除液體對氣相滲流能力的影響，深入分析表面活性劑的吸附可能對甲烷滲流能力造成的傷害。2019 年，筆者采用滇東黔西地區L 煤礦煤樣，鉆取直徑約為2.5 cm 的巖心，按如下步驟進行氣測滲透率實驗：（1）烘干巖樣正驅做氣測滲透率K1；（2）將煤樣飽和自行篩選的表面活性劑復配體系XN-QP；（3）烘干巖樣正驅做氣測滲透率K2。氣測滲透率實驗結果（見圖1）。

圖1 表面活性劑溶液對煤心傷害實驗

在經表面活性劑溶液飽和后，出現滲透率升高的現象，傷害率為-40.96%。而在實驗后期，出現了滲透率陡降的現象，這可能是因為煤體結構較弱，出現了煤粉運移堵塞，但隨著繼續驅替，滲透率有所恢復。為了研究為什么會出現氣相滲透率升高的現象，使用掃描電鏡的手段，進行鏡下觀察（見圖2、圖3）。

圖2 未浸泡煤巖，850 倍

圖3 浸泡后煤巖，2 800 倍

由圖2 可知，未經浸泡處理的煤巖，其表面微裂縫很少。而在圖3 中可以看出，浸泡處理后的煤巖上發生了表面活性劑吸附且吸附現象主要發生在次生微裂縫產生較多的區域，而沒有吸附現象發生的區域，就沒有次生微裂縫產生。

2002 年Colin RWard[32]研究發現煤質中的礦物通常包括方解石、白云石、黃鐵礦和黏土礦物等，黏土礦物主要為高嶺石及伊利石。Yiyu Lu 等[33，34]使用XRD 衍射及掃描電鏡等手段綜合分析發現，表面活性劑能夠降低煤中黏土礦物的含量，提高煤樣滲透率，改善甲烷在割理裂縫中的流動。2019 年Fan C 等[35]指出鹽酸和氫氟酸的復合溶液，可以破壞煤的孔隙結構，提高煤層的滲透性，在后續研究中發現，十二烷基硫酸鈉（SDS）與酸溶液有協同增效作用，與土酸溶液混合后，能有效提高酸蝕破壞程度，使煤層中裂隙明顯增加。可以假設，表面活性劑在煤層吸附，可能會生成次生微裂縫，提高甲烷滲流能力。在后續研究中，可以考慮使用不同種類的單一表面活性劑分別飽和巖心，鏡下觀察表面活性劑吸附區域次生微裂縫發育情況是否有區別，嘗試解釋表面活性劑吸附致裂的機理。

3 表面活性劑對支撐裂縫導流能力的損害

前文提到，以表面活性劑為主要成分的壓裂液主要為清潔壓裂液及泡沫壓裂液。清潔壓裂液對支撐裂縫導流能力的損害主要體現在，由于表面活性劑壓裂液的濾失及吸附（在割理及微裂縫發育的煤巖中尤其嚴重），導致表面活性劑的蠕蟲狀膠束被破壞[36，37]。失去黏彈性的表面活性劑壓裂液攜砂能力降低，支撐劑沉降過快影響壓裂施工效果，甚至會造成砂堵[38]。由于泡沫的特殊結構，雖然其濾失程度低，在煤層中的吸附量也較少，但其相對穩定的氣液兩相結構如果不能及時被破壞，就會導致賈敏效應增強，阻礙甲烷氣體的流動，影響支撐裂縫的導流能力。肖博等[39]，通過在表面活性劑溶液中加入納米復合纖維，使此壓裂液體系在預防支撐劑回流、緩解煤粉聚集、降低濾失、增強攜砂性能、降低摩阻等方面效果顯著，降低對支撐劑層的導流能力傷害。但是如何通過一些宏觀或微觀的手段，量化表面活性劑對支撐裂縫導流能力造成的損害，還有待研究。

4 結論

隨著表面活性劑在煤層中的應用越來越廣泛，表面活性劑對煤層傷害性能評價的研究也需要隨之深入。表面活性劑對煤層的傷害因素分析及評價手段正在逐步完善，廣大學者需要結合前人研究內容，篩選或研發出性能更加優越的表面活性劑體系。筆者對煤層傷害的認識及對未來的研究展望有如下幾個方面：

（1）通常使用的滲透率評價實驗，無法準確揭示表面活性劑對煤層可能造成的損害，在未來的研究中需要進行多尺度評價；

（2）結合活性水對煤層中甲烷解吸能力損害研究可知，為了防止甲烷無法脫離煤基質，深入探索表面活性劑對甲烷解吸能力的損害是有意義的。考慮到煤體結構也會影響甲烷解吸能力，在今后的研究中，推薦使用目標區塊煤層中的煤塊進行表面活性劑對甲烷解吸能力傷害實驗；

（3）表面活性劑對割理裂縫滲流能力的損害需要結合煤粉運移、水鎖、表面活性劑吸附、致裂等多種損害因素綜合分析；

（4）如何更加直接地評價表面活性劑對支撐裂縫導流能力的損害還有待研究，且如何量化表示表面活性劑對導流能力的傷害率也是一個亟待解決的問題。