表面活性劑對煤層氣解吸能力的影響

王恩東,吳海明,沈 健,劉 晶,魏 波,王國鋒

(1重慶工貿職業技術學院 2河北華北石油天成實業集團有限公司 3中國石油天然氣股份有限公司山西煤層氣勘探開發分公司 4華北油田第四采油廠測試大隊 5勝利油田孤島采油廠 6中國石油集團渤海鉆探工程有限公司定向井技術服務分公司)

0 引言

煤層氣資源的高效合理開發，不僅能夠補充我國常規油氣資源緊缺的不足，還能降低煤礦資源開采時瓦斯事故的發生概率，并能改善瓦斯排放產生的大氣污染現象[1- 4]。由于煤層氣主要吸附在煤儲層中，所以如何提高煤層氣在煤儲層中的解吸效率成為煤層氣高產與穩產的關鍵。通常情況下提高煤層氣解吸和擴散效率的途徑主要包括升高溫度、降低壓力以及對煤儲層表面進行改性。在煤層氣井排采生產過程中，通常采用排水降壓的方式來促進煤層氣的解吸；升高溫度主要通過物理或化學的方法使煤儲層溫度升高；煤儲層表面改性主要是采用加入表面活性劑、強氧化劑以及微生物等方法來實現，此種方法在煤層氣開采過程中的應用較多，也比較容易實現[5- 10]。

在煤層氣的勘探開發及生產過程中，為了提高返排效率，在入井流體中通常都會加入表面活性劑，這些表面活性劑會吸附在煤巖表面，不僅會影響煤巖表面的潤濕性，同時還會對溶液的表面張力和煤巖的相對滲透率產生一定影響，從而進一步的影響煤儲層中煤層氣的解吸能力[11- 16]。本文以鄂爾多斯某煤層氣礦區兩種不同煤樣和不同類型的表面活性劑為研究對象，在評價了不同表面活性劑對溶液表面張力以及煤巖表面潤濕性的影響基礎上，進一步評價了不同表面活性劑對煤樣中煤層氣解吸能力的影響，同時分析了表面活性劑提高煤層氣解吸能力的原因，以期為煤層氣勘探開發過程中表面活性劑的選擇提供一定的參考。

1 實驗部分

1.1 主要實驗材料及儀器

實驗材料：陽離子表面活性劑TAB- 1，陰離子表面活性劑AS- 02，非離子表面活性劑OP- 8，雙子表面活性劑GMN- 14，復配表面活性劑FP- GA(陰離子表面活性劑AS- 02和雙子表面活性劑GMN- 14按1∶3混合)，軟硬煤樣(取自于鄂爾多斯某煤層氣礦區)。

實驗儀器：JYW- 200A全自動表面張力儀，Theta Flex光學接觸角測量儀，煤層氣吸附/解吸試驗裝置，恒溫干燥箱。

1.2 實驗方法

1.2.1 表面張力和接觸角測定實驗

表面張力測定：使用清水配制質量濃度為0.5%的不同類型的表面活性劑溶液，在25℃下使用JYW- 200A全自動表面張力儀測定不同溶液的表面張力值。

接觸角測定：將煤樣制成尺寸統一的煤切片，在不同類型的表面活性劑溶液中浸泡48 h后，取出自然晾干，在25℃下使用Theta Flex光學接觸角測量儀測定蒸餾水在煤切片表面上的接觸角大小。

1.2.2 煤層氣解吸實驗

參照標準GB/T 19560—2008《煤的高壓等溫吸附實驗方法》，使用自行研制的煤層氣吸附/解吸試驗裝置開展表面活性劑對煤層氣解吸能力的影響實驗評價，主要實驗步驟如下：

(1)煤樣的制備。將煤樣粉碎，過篩收集60～80目的煤樣顆粒，然后將煤樣置于恒溫干燥箱中在105℃下恒溫干燥12 h；然后將煤樣分別使用清水和不同類型表面活性劑溶液(質量濃度均為0.5%)進行充分浸泡，過濾掉水分，自然晾干至煤樣含水率為15%時，將煤樣裝入密封袋，備用。

(2)裝置密封性檢測。打開裝置進氣閥門，充入氦氣至一定壓力，關閉進氣閥門，觀察樣品缸和參考缸的壓力變化，壓力變化控制在0.01 MPa以內。

(3)測定樣品缸的自由空間體積。將煤樣放入樣品缸，參照標準GB/T 19560—2008《煤的高壓等溫吸附實驗方法》，使用氦氣測定樣品缸的自由空間體積，并由此計算出煤樣的體積。

(4)吸附實驗。將系統溫度設定為25℃，打開樣品缸進氣閥，充入高純甲烷氣體，使壓力達到7 MPa，達到吸附平衡后，記錄吸附平衡壓力。

(5)解吸實驗。打開樣品缸出氣閥門，使壓力降低至常壓，開始解吸實驗，記錄不同時間的氣體解吸量，直至實驗煤樣不再產出氣體為止，計算單位質量煤樣的解吸氣量。進行變壓解吸實驗時，通過壓力控制裝置來調節解吸實驗壓力，壓力遞減幅度為1 MPa，從高壓至低壓開始進行變壓解吸實驗。

2 結果與討論

2.1 表面張力和接觸角測定實驗結果

按照1.2.1中的實驗方法，對不同類型表面活性劑溶液的表面張力和經過不同表面活性劑處理后的煤切片表面的接觸角進行了測定。由表面張力測定結果可知，在清水中加入質量濃度為0.5%的不同類型表面活性劑后，均能使溶液的表面張力值顯著下降，其中復配表面活性劑FP- GA降低表面張力的效果最好，表面張力值為22.6 mN/m。

由接觸角測定結果可知，兩種煤樣經過不同類型的表面活性劑浸泡處理后，其表面接觸角均出現不同程度的減小趨勢，其中陽離子表面活性劑TAB- 1和非離子表面活性劑OP- 8對兩種煤樣表面接觸角的影響較小，而非離子表面活性劑AS- 02、雙子表面活性劑GMN- 14和復配表面活性劑FP- GA均能夠顯著降低兩種煤樣表面的接觸角，其中陰離子表面活性劑AS- 02對煤樣表面接觸角的影響最大。

2.2 常壓解吸實驗結果

按照1.2.2中的實驗方法，開展了不同表面活性劑對不同煤樣的常壓解吸能力影響實驗，實驗結果見圖1和圖2。

圖1 硬煤常壓累計解吸量曲線

圖2 軟煤常壓累計解吸量曲線

由圖1和圖2結果可以看出，空白硬煤樣和軟煤樣的常壓累計解吸量分別為3.38 cm3/g和5.47 cm3/g，軟煤的解吸量明顯大于硬煤。兩種煤樣使用不同類型的表面活性劑處理后，其常壓累計解吸量均有不同程度的增大趨勢，其中使用復配表面活性劑FP- GA浸泡后煤樣的常壓解吸量增大幅度最大，硬煤和軟煤的最終累計解吸量分別達到了5.93 cm3/g和7.98 cm3/g，解吸量提升幅度較大。表面活性劑的加入提高煤巖中煤層氣的常壓解吸能力。

2.3 變壓解吸實驗結果

按照1.2.2中的實驗方法，開展了不同表面活性劑對不同煤樣的變壓解吸能力影響實驗，實驗結果圖3和圖4。

圖3 硬煤變壓累計解吸量曲線

圖4 軟煤變壓累計解吸量曲線

由圖3和圖4結果可以看出，空白軟煤樣的變壓累計解吸量明顯大于空白硬煤樣，兩種煤樣經過不同類型的表面活性劑浸泡處理后，其變壓累計解吸量均呈現出不同程度的增大現象，與上述常壓解吸實驗結果趨勢相同，使用復配表面活性劑FP- GA處理后的煤樣變壓累計解吸量提升幅度最大，硬煤和軟煤的最終累計解吸量分別由空白時的13.67 cm3/g和25.06 cm3/g增大至29.31 cm3/g和39.38 cm3/g，解吸量提升幅度明顯。表面活性劑的加入提高了煤巖中煤層氣的變壓解吸能力。

2.4 表面活性劑提高煤層氣解吸能力的原因分析

綜合分析以上表面活性劑對溶液表面張力、煤樣表面接觸角以及煤層氣常壓、變壓解吸量的影響實驗結果，認為表面活性劑對煤層氣的解吸能力具有一定的提高作用。這主要是由于表面活性劑的加入降低了表面張力、改變了煤樣的潤濕性，降低了煤層氣從煤樣孔隙中解吸時的毛細管阻力，使得煤層氣能夠更加容易地從煤樣中解吸出來[17- 18]。

根據2.1中的表面張力和接觸角實驗結果，并結合拉普拉斯方程，就能夠計算某一特定孔徑的毛細管力大小，假設孔徑為100 nm，將上述不同表面活性劑溶液(質量濃度為0.5%)的毛細管力進行計算，結果見表1。

表1 不同表面活性劑對毛細管力的影響

由表1結果可以看出，表面活性劑的加入能夠顯著降低水溶液的毛細管力，其中復配表面活性劑FP- GA的效果最好，其毛細管力大小為0.79 MPa，明顯小于清水的1.31 MPa。毛細管力的降低能夠大幅提高煤層氣壓裂施工時壓裂液的返排效率，降低煤層的束縛水飽和度和水鎖傷害程度，從而有利于煤層氣的滲流和解吸，提高煤層氣的開發效率。

3 結論與建議

(1)不同類型的表面活性劑降低表面張力和對潤濕接觸角的影響實驗結果表明，復配表面活性劑FP- GA降低溶液表面張力效果最好，陰離子表面活性劑AS- 02改變煤樣表面潤濕性效果最好。

(2)對空白煤樣而言，軟煤的常壓、變壓解吸量明顯大于硬煤，使用表面活性劑處理后兩種煤樣的常壓、變壓解吸量均明顯增大，使用復配表面活性劑FP- GA處理后煤樣的常壓和變壓解吸量最大。

(3)表面活性劑提高煤層氣解吸能力的主要原因是能夠通過降低表面張力和改變煤樣表面潤濕性，進而可以減小煤層氣從煤樣孔隙中擴散和滲流時的毛細管阻力，提高煤層氣解吸效率。因此，建議在煤層氣鉆井及壓裂開發中，應根據實際情況選擇合適的表面活性劑來降低煤儲層的傷害程度，提高煤層氣的解吸效率，進而達到高效穩定開發的目的。