阴阳离子表面活性剂对煤层自转向酸液的性能影响及优选

2024-04-13苗彦平张金贵郑旭鹤王宏梁程卫民

煤矿安全 2024年3期

苗彦平，张金贵，郑旭鹤，王宏梁，折刚，谢瑶，程卫民

（1.陕煤集团神木红柳林矿业有限公司，陕西榆林 719300；2.中国矿业大学（北京），北京 100083；3.神木市能源局，陕西榆林 719300；4.山东科技大学安全与环境工程学院，山东青岛 266590）

矿井采掘生产过程中会产生大量粉尘，污染工作环境，降低生产现场能见度，严重威胁矿工的身心健康[1-4]。为了保证煤矿安全生产，降低采煤过程中粉尘的产生，可采用煤层注水的方法增强煤体内部润湿性能，提高煤的含水率，该方法是减少煤矿采掘过程中粉尘产生的基本途径。在注水过程中，往往利用酸-岩化学反应的酸化压裂方式，溶蚀煤的裂隙或孔隙中堵塞的黏土矿物，扩大水的流动通道，使水更多的浸润煤体，提高煤层含水率[5-8]。但常规酸液往往趋向于流入高孔高渗的区域，难以流向低孔低渗区域[9-11]，滤失量较大，导致了酸化范围有限，尤其难渗透煤层注水效果不佳。自转向酸化技术主要是由黏弹性表面活性剂和酸以一定比例混合而成，在储层的流动过程中，酸与煤中的矿物发生反应，导致酸浓度降低，溶液pH 值升高，使黏弹性表面活性剂黏度增加，由流体状态逐渐转变为凝胶状，增加已经流入高孔高渗区域的流动阻力，从而使后续的酸液趋向低孔低渗区域流动[12-17]，实现煤储层均匀布酸。ZHU 等[18]研制了一种新型的自转向酸化体系，由疏水改性聚丙烯酰胺和黏弹性表面活性剂（SA-16）组成，并测试了其温度、黏度稳定性、凝胶破裂和酸岩动力学性能，表现优良；YAN等[19]自行合成了一种可重复使用的黏弹性表面活性剂（rVES）压裂液，并且黏弹性好，高温和剪切稳定性好，携砂能力强。然而，自转向酸液在煤矿领域中的研究还不够成熟，不同类型添加剂对自转向酸液性能的影响规律不够清晰，导致自转向酸液在煤矿领域应用效果不佳。因此，立足阴阳离子表面活性剂，利用黏度测定、表面张力及红外光谱等实验分析不同类型、含量的阴阳离子表面活性剂对自转向酸液的黏弹性能、润湿性能的影响规律，并探究性能变化的内部原因，为自转向酸液在煤矿中的更好应用提供理论依据。

1 研究方法与步骤

1.1 实验材料

研究所用煤样为红柳林矿井北二盘区3-1 煤辅运巷，为了避免煤样取样位置不同造成的误差，本研究选取的煤样均为同源煤，并对井下现场所取煤样进行密封保存。将煤块放入转速为35 000 r/min 的破碎机进行研磨，保留粒径75 μm 以下煤粉。选择油酸酰胺丙基甜菜碱表面活性剂（OAPB）、盐酸（HCl）、蒸馏水作为自转向酸液的基本试剂，阳离子表面活性剂选择2 种，分别是十二烷基三甲基溴化铵（DTAB）、双葵基二甲基氯化铵（DDAC）；阴离子表面活性剂选择2 种，分别是十二烷基苯磺酸钠（SDBS）、十六烷基苯磺酸钠（SDBS-16），根据前期研究[20-22]，确定阴阳离子表面活性剂的添加量为1、2、3、4、5、6、7 g。

1.2 试剂制备

利用蒸馏水和盐酸（20%）配制容量为100 mL，酸浓度为5%的HCl 溶液，然后向烧杯中加入6%的OAPB 和10 g 研磨后的煤粉，用玻璃棒搅拌并混合均匀，充分反应5 h。向配制好的自转向酸液里面分别加入含量为1、2、3、4、5、6、7 g 的DTAB、DDAC、SDBS、SDBS-16 表面活性剂，得到不同类型的复合溶液，分别命名为SSA/DTAB、SSA/DDAC、SSA/SDBS、SSA/SDBS-16。

1.3 测试和表征实验

1）黏度实验。在室温下选用旋转黏度计-NDJ-5S 进行测量，测量范围为0.001～100 Pa·s，选用2 号转子，转速设置为60 r/min，每个样品在黏度计中测量3 次，计算平均值作为最终黏度值。

2）电位实验。利用Zetasizer 纳米粒度电位仪对不同类型表面活性剂自转向酸液进行电位测定，实验温度为25 ℃，样品量约5 mL，重复测量3 次，取平均值作为最终的电位值。

3）表面张力实验。使用JK99C 型全自动张力仪进行实验，测试范围为0～500 mN/m，选用吊片法进行检测。将制备好的自转向酸液倒入样品杯中，点击“测试”后样品台自动上升，直到铂板接触样品自动停止，此时显示的数值即为样品的表面张力值。

4）红外光谱实验。采用Nicolet iS10 傅立叶红外(FT-IR) 光谱仪进行测试，光谱范围为4 000～500 cm-1。取400 mg 干燥的KBr 粉末充分研磨，置于锭剂成型器中，在15 MPa 压力下加压30 s，得到锭片，然后将制备的溶液均匀少量涂抹在锭片上，放入仪器中测量即可。

5）三轴渗流实验。利用三轴渗流实验系统进行自转向酸液渗流效果测试，压力加载系统通过压力泵向煤样施加轴向压力，通过向压力室入口注入液体向煤样提供围压，通过将气瓶与压力缸连接，设定注水压力，记录管道出液后360 s 内的流量数据。

2 实验结果

2.1 黏度结果

对不同含量的SSA/DTAB、SSA/DDAC、SSA/SDBS、SSA/SDBS-16 溶液进行黏度测定，不同表面活性剂自转向酸液黏度图如图1。可以发现，阴离子表面活性剂配制而成的自转向酸液黏度（yn）总体高于阳离子表面活性剂。

图1 不同表面活性剂自转向酸液黏度图Fig.1 Results of viscosity of self-diverting acid solutions with different surfactants

通过测试得到未添加阴阳离子表面活性剂的自转向酸液黏度为0.30 Pa·s，SSA/DTAB 和SSA/DDAC 溶液的黏度随表面活性剂的增加总体呈现增加的趋势，稳定在0.002～0.01 Pa·s 范围内，该黏度值处于破胶边缘，不具备转向性能；SSA/SDBS、SSA/SDBS-16 溶液黏度随含量的增加呈现先增后减的趋势，均在含量为3 g 时达到黏度最高值，分别为0.43、0.40 Pa·s，在含量为7 g 时黏度达到最低值，分别为0.31、0.30 Pa·s。不同溶液黏度(yn) 与表面活性剂质量(x) 的关系式如图1。考虑到自转向酸液首要性能是转向性能，阳离子表面活性剂会导致自转向酸液破胶，使其不具备自转向性能，而阴离子表面活性剂的添加使自转向酸液黏度增加，转向性能增强。因此，选择阴离子表面活性剂进行进一步研究。

2.2 电位分析

对不同含量下的SSA/SDBS、SSA/SDBS-16溶液进行电位测定，不同表面活性剂自转向酸液电位结果如图2。

图2 不同表面活性剂自转向酸液电位结果Fig.2 Potential results of self-diverting acid solutions with different surfactants

可以发现，SSA/SDBS、SSA/SDBS-16 溶液的电位值(yp) 随含量(x) 的增加呈先增后减的趋势，均在含量3 g 时电位达到最高值21.00、20.31 mV，此时溶液的表面活性剂分子的荷电性最强，胶束内部相互作用力增强，有利于胶束的聚积，使胶束体系更加稳定，故此时自转向酸液的黏度最高。

2.3 表面张力

对含量分别为1、2、3、4、5、6、7 g 的SSA/SDBS、SSA/SDBS-16 溶液进行表面张力实验，不同表面活性剂自转向酸液表面张力结果如图3。

图3 不同表面活性剂自转向酸液表面张力结果Fig.3 Results of surface tension of self-diverting acid solutions with different surfactants

由图3 可知，SSA/SDBS-16 自转向酸液的表面张力总体高于SSA/SDBS 自转向酸液，因此SSA/SDBS-16 自转向酸液的润湿性能较差。2 种溶液的表面张力值(ys)均随含量(x)的增加呈先下降后上升的趋势，在添加量为3 g 时达到表面张力的最低值，分别为24.12、24.41 mN/m，此时溶液的润湿性能最强；在添加量为7 g 时达到表面张力的最高值，分别为27.87、28.24 mN/m，润湿性能最差。

结合图2，SSA/SDBS、SSA/SDBS-16 的电位值随添加量的增加呈先增后减的趋势，即溶液与煤体的吸附性能随添加量的增加呈先增后减的趋势，在3 g 时吸附性能也最强。相对而言，SSA/SDBS 的吸附性能高于SSA/SDBS-16，浸润煤体的能力更强。

2.4 红外光谱

分析实验结果可以发现，在添加量为3、7 g时各性能参数基本达到最值。因此，利用红外光谱实验分析含量为3、7 g 的SSA/SDBS、SSA/SDBS-16 溶液对OAPB 分子间相互作用的影响。不同表面活性剂自转向酸液红外光谱结果如图4。

图4 不同表面活性剂自转向酸液红外光谱结果Fig.4 Infrared spectral results of self-diverting acid solutions with different surfactants

由图4 可以发现：对于添加量同为3 g 的SSA/SDBS、SSA/SDBS-16 溶液，SSA/SDBS 溶液中OH 基团的拉伸振动峰出现在3 446.08 cm-1位置，比SSA/SDBS-16 的3 457.42 cm-1位置有所下降，表明OAPB 分子中有更多的OH 基团参与氢键[23-26]。对于C=O 酰胺基团，SSA/SDBS 溶液中C=O 酰胺基团位于1 637.00 cm-1，SSA/SDBS-16 溶液中C=O 酰胺基团位于1 637.37 cm-1，同样SSA/SDBS溶液处于低波数区域，表明更多的C=O 酰胺基团参与氢键。当添加量为7 g 时，2 种溶液也表现出相同的规律，说明相比SSA/SDBS-16 溶液而言，SSA/SDBS 溶液更倾向于使体系形成氢键。

分析实验结果发现，相比SSA/SDBS-16，阴离子表面活性剂SSA/SDBS 具有更强的润湿性能和吸附性能，并在添加量为3 g 时效果达到最佳。因此优选添加量为3 g 的SSA/SDBS 进行煤层自转向酸液的三轴渗流实验。

2.5 三轴渗流实验

为验证煤层自转向酸液的渗流效果，利用三轴渗流实验系统分别对清水、常规酸液、自转向酸液在型煤中进行渗流实验。

参考红柳林煤矿的瓦斯压力及上覆岩层压力，将注水压力设定为5 MPa，记录管道出液后360 s内的流量数据，每隔20 s 记录1 次，不同试剂单位流量随时间的变化关系如图5。

图5 不同试剂单位流量随时间的变化关系Fig.5 Relationship between unit flow rate and time of different reagents

由图5 可知，清水的单位流量随时间变化基本在0.4～0.8 mL 范围内浮动变化，总体呈现平缓趋势，说明清水在渗流煤柱内部的渗流规律是稳定的；常规酸液单位流量随时间的增加总体呈现增加的趋势，说明常规酸液溶蚀了煤中的矿物质，增加了润湿通道，因此单位时间内流量增加；自转向酸液的流量随时间的变化趋势与清水、常规酸液均不相同，在中间时间段单位流量较低，而后逐渐上升，说明煤中高渗透区受阻力影响大，流速缓慢。通过对比发现，在相同时间内，自转向酸液的累计流量最大，说明渗流效果好。