表面活性剂对煤岩润湿性的影响实验研究

刘良华, 李松

(中石油冀东油田公司陆上油田作业区，河北 唐海 063299)

表面活性剂对煤岩润湿性的影响实验研究

刘良华, 李松

(中石油冀东油田公司陆上油田作业区，河北 唐海 063299)

在煤层气储层钻井过程中，钻井液浸泡并一定程度地侵入煤岩，钻井液中的各种添加剂与煤岩表面接触，容易使煤岩表面性质发生变化，影响煤层气的解析和渗流，从而影响煤层气产能。因此，开展表面活性剂对煤岩润湿性的影响研究具有重要的实际意义。通过实验研究了不同表面活性剂种类对煤岩润湿性的影响，加入阴离子表面活性剂后，煤岩表面亲水性增强，加入阳离子表面活性剂后，煤岩表面亲水性减弱。该研究揭示了表面活性剂对煤岩润湿性的影响规律，为钻井液体系优选与钻井液性能调配提供了技术指导，有助于保护储层并提高煤层气产能。

表面活性剂；润湿高度；亲水性

煤的表面润湿性是指煤表面与水作用这种界面现象的强弱程度[1]，在煤层气储层钻井过程中，为了改善钻井液的性能，通常会在钻井液中添加一些处理剂，如表面活性剂、絮凝剂等，这些处理剂随钻井液一起浸泡并一定程度地侵入煤岩，容易使煤岩表面性质发生变化，影响煤层气的解析和渗流，从而影响煤层气产能。

因此，开展表面活性剂对煤岩润湿性的影响研究具有重要的实际意义。

本文通过实验研究了不同表面活性剂种类与表面活性剂浓度对煤岩润湿性的影响，揭示了表面活性剂对煤岩润湿性的影响规律，对于钻井液体系优选与钻井液性能调配具有重要的实际意义，有助于保护储层并提高煤层气产能。

1 实验原理

本项实验采用煤粉自吸速度法，利用毛细作用原理进行实验[2]，实验流程图见图1。

图1 自吸速度法实验流程图Fig.1 Flowchart of self-priming speed method

2 实验过程

（1）实验方法

为了验证不同表面活性剂对煤粉自吸速度的影响，在煤层水中分别加入5种浓度为0.1%的表面活性剂，并采用未添加表面活性剂的煤层水做空白样进行对比。为了排除煤阶、煤岩组分等对煤样自吸速度的影响，每一种煤样均来自于同一矿区的同一工作面、层理方向相同、构造相同或相近的块煤，并研磨过100目筛。将研磨后的煤粉以同样的压实程度充填于玻璃管，并悬挂玻璃管于盛有不同溶液的烧杯中，然后记录不同时刻煤粉的润湿高度[3]。

（2）实验步骤

①称取几份8 g 100目的煤粉。

②用滤纸将玻璃管的端部包住，把称好的煤粉装填到玻璃管中震实压紧，保证每根玻璃管中煤粉的压实程度一致，记录此时煤粉的高度。

③将玻璃管悬挂于装有润湿溶液的烧杯中，保持玻璃管垂直于液面玻璃管底部没入液面0.5 cm，当固液相开始接触时即开始记时，记录不同时刻玻璃管中液面上升的高度。

④20 h后，保持玻璃管垂直静止状态，向烧杯中加入表面活性剂，配制成0.1%的表面活性剂溶液。

⑤记录5 h内的实验数据，静置到50、70 h再观察实验结果。

3 实验结果及分析

在实验中为了消除偶然误差的影响，共进行了三组平行实验，实验结果见表1至表3。

表1 煤粉在不同表面活性剂溶液中自吸实验结果（第一组）Table 1 Experimental results of pulverized coal’s self-priming (first group)

表2 煤粉在不同表面活性剂溶液中自吸实验结果（第二组）Table 2 Experimental results of pulverized coal’s self-priming (second group)

表3 煤粉在不同表面活性剂溶液中自吸实验结果（第三组）Table 3 Experimental results of pulverized coal’s self-priming (third group)

通过实验可以得出如下结果：

（1）加入阴离子表面活性剂后（表4中的活性剂），煤岩表面亲水性增强。

表4中所用的活性剂均为阴离子表面活性剂，表中数据显示，煤粉在标准盐水中自吸24 h，加入表面活性剂后煤粉的润湿高度均增加，说明加入阴离子表面活性剂后煤岩的水润湿性增强。这是由于水中加入阴离子表面活性剂不仅能减小液体的内聚力，使其易于在煤表面铺展，而且能够在煤表面形成一定的吸附层，将低能的煤表面变为高能表面，增加了与水的亲和性[4,5]。

（2）加入阳离子活性剂后，煤岩表面亲水性稍有减弱。

图2 煤粉在同浓度不同表面活性剂溶液中自吸48 h的平均润湿高度差Fig.2 Average wetting height difference of pulverized coal’s 48-hour self-priming in the different surfactant solutions with the same concentration

图3 煤粉在不同表面活性剂中的润湿高度差随时间的变化关系Fig.3 Changing curve of pulverized coal’s wetting height difference in the different surfactants with time

（3）不同表面活性剂对煤粉的润湿性改变不同。由图2可知，煤粉在不同表面活性剂中自吸48小时后平均润湿高度差不同，说明煤岩的润湿性增强程度不同，增强的程度由大到小排序为：石油磺酸盐＞十二烷基硫酸钠＞OP-10＞十二烷基苯磺酸钠＞双子表面活性剂＞无表面活性剂。根据计算得知，十二烷基硫酸钠属阴离子表面活性剂，HLB值（亲水亲油平衡值）为40；OP-10为非离子活性剂，HLB值为14.5；十二烷基苯磺酸钠为阴离子表面活性剂，HLB值为5.54。由这些表面活性剂的HLB值可知亲水性大小为十二烷基硫酸钠＞OP-10＞十二烷基苯磺酸钠。另外，十二烷基硫酸钠的亲水基团-OSO2-3-亲水性最强也决定了十二烷基硫酸钠的亲水性大于另外两种表面活性剂的，将这些亲水性不同的表面活性剂加入水中后增强煤岩润湿性的幅度自然不相同。

（4）加入表面活性剂后，煤岩的润湿速度先升高后又逐渐降低。由图3可以看出，随着时间的推进，煤岩在表面活性剂中的润湿速度先增加，然后减小。这是由于刚开始加入表面活性剂之后，亲水基团吸附水分子，润湿高度上升较快，但经过一段时间之后煤岩吸附的水分子足够多，毛管上升力与液柱的重力相等，因此润湿高度上升速度减慢。

表4 煤粉在同浓度不同表面活性剂溶液中自吸70 h的平均润湿高度差Table 4 Average wetting height difference of pulverized coal’s 70-hour self-priming in the different surfactant solutions with the same concentration

4 结 论

（1）加入阴离子表面活性剂后，煤岩表面亲水性增强，加入阳离子活性剂后，煤岩表面亲水性稍有减弱，而且不同表面活性剂对煤粉的润湿性改变不同。

（2）加入表面活性剂后，煤岩的润湿速度先升高后又逐渐降低，且煤岩的亲水性与表面活性剂的浓度有关。

（3）在煤层气储层钻井过程中，为了充分保护储层免受钻井液的侵害，并提高煤层气产能，建议加入适当浓度的阴离子表面活性剂。

［1］董平,单忠健,李哲.超细煤粉表面润湿性的研究[J].煤炭学报,2004,29(3):346-349.

［2］牛蓉,卢建军,李凡.煤的表面处理及润湿性研究[J].煤炭转化,2001,24(1):44-48.

［3］蒋海波,肖跃龙,赵妩.新型表面活性剂溶液对煤尘的润湿性能研究[J].中国安全生产科学技术,2013,9(6):11-15.

［4］杨静,谭允祯,王振华.煤尘表面特性及润湿机理的研究[J].煤炭学报,2007,32(7):737-740.

［5］韩一秀,梅拥军,韦勇强.表面活性剂溶液润湿行为研究进展[J].胶体与聚合物,2012,30(3):133-136.

［6］李庆会,游艺,欧阳云丽.浅析影响煤岩润湿性的因素[J].石油化工应用,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

刘良华(1985-)，男，河北省唐山市人，工程师，2009年毕业于长江大学石油工程专业，研究方向：石油天然气开采技术方面的研究与管理工作。E-mail: 1405612154@qq.com。