表面活性剂对煤层气解吸能力的影响

王恩东,吴海明,沈 健,刘 晶,魏 波,王国锋

(1重庆工贸职业技术学院 2河北华北石油天成实业集团有限公司 3中国石油天然气股份有限公司山西煤层气勘探开发分公司 4华北油田第四采油厂测试大队 5胜利油田孤岛采油厂 6中国石油集团渤海钻探工程有限公司定向井技术服务分公司)

0 引言

煤层气资源的高效合理开发，不仅能够补充我国常规油气资源紧缺的不足，还能降低煤矿资源开采时瓦斯事故的发生概率，并能改善瓦斯排放产生的大气污染现象[1- 4]。由于煤层气主要吸附在煤储层中，所以如何提高煤层气在煤储层中的解吸效率成为煤层气高产与稳产的关键。通常情况下提高煤层气解吸和扩散效率的途径主要包括升高温度、降低压力以及对煤储层表面进行改性。在煤层气井排采生产过程中，通常采用排水降压的方式来促进煤层气的解吸；升高温度主要通过物理或化学的方法使煤储层温度升高；煤储层表面改性主要是采用加入表面活性剂、强氧化剂以及微生物等方法来实现，此种方法在煤层气开采过程中的应用较多，也比较容易实现[5- 10]。

在煤层气的勘探开发及生产过程中，为了提高返排效率，在入井流体中通常都会加入表面活性剂，这些表面活性剂会吸附在煤岩表面，不仅会影响煤岩表面的润湿性，同时还会对溶液的表面张力和煤岩的相对渗透率产生一定影响，从而进一步的影响煤储层中煤层气的解吸能力[11- 16]。本文以鄂尔多斯某煤层气矿区两种不同煤样和不同类型的表面活性剂为研究对象，在评价了不同表面活性剂对溶液表面张力以及煤岩表面润湿性的影响基础上，进一步评价了不同表面活性剂对煤样中煤层气解吸能力的影响，同时分析了表面活性剂提高煤层气解吸能力的原因，以期为煤层气勘探开发过程中表面活性剂的选择提供一定的参考。

1 实验部分

1.1 主要实验材料及仪器

实验材料：阳离子表面活性剂TAB- 1，阴离子表面活性剂AS- 02，非离子表面活性剂OP- 8，双子表面活性剂GMN- 14，复配表面活性剂FP- GA(阴离子表面活性剂AS- 02和双子表面活性剂GMN- 14按1∶3混合)，软硬煤样(取自于鄂尔多斯某煤层气矿区)。

实验仪器：JYW- 200A全自动表面张力仪，Theta Flex光学接触角测量仪，煤层气吸附/解吸试验装置，恒温干燥箱。

1.2 实验方法

1.2.1 表面张力和接触角测定实验

表面张力测定：使用清水配制质量浓度为0.5%的不同类型的表面活性剂溶液，在25℃下使用JYW- 200A全自动表面张力仪测定不同溶液的表面张力值。

接触角测定：将煤样制成尺寸统一的煤切片，在不同类型的表面活性剂溶液中浸泡48 h后，取出自然晾干，在25℃下使用Theta Flex光学接触角测量仪测定蒸馏水在煤切片表面上的接触角大小。

1.2.2 煤层气解吸实验

参照标准GB/T 19560—2008《煤的高压等温吸附实验方法》，使用自行研制的煤层气吸附/解吸试验装置开展表面活性剂对煤层气解吸能力的影响实验评价，主要实验步骤如下：

(1)煤样的制备。将煤样粉碎，过筛收集60～80目的煤样颗粒，然后将煤样置于恒温干燥箱中在105℃下恒温干燥12 h；然后将煤样分别使用清水和不同类型表面活性剂溶液(质量浓度均为0.5%)进行充分浸泡，过滤掉水分，自然晾干至煤样含水率为15%时，将煤样装入密封袋，备用。

(2)装置密封性检测。打开装置进气阀门，充入氦气至一定压力，关闭进气阀门，观察样品缸和参考缸的压力变化，压力变化控制在0.01 MPa以内。

(3)测定样品缸的自由空间体积。将煤样放入样品缸，参照标准GB/T 19560—2008《煤的高压等温吸附实验方法》，使用氦气测定样品缸的自由空间体积，并由此计算出煤样的体积。

(4)吸附实验。将系统温度设定为25℃，打开样品缸进气阀，充入高纯甲烷气体，使压力达到7 MPa，达到吸附平衡后，记录吸附平衡压力。

(5)解吸实验。打开样品缸出气阀门，使压力降低至常压，开始解吸实验，记录不同时间的气体解吸量，直至实验煤样不再产出气体为止，计算单位质量煤样的解吸气量。进行变压解吸实验时，通过压力控制装置来调节解吸实验压力，压力递减幅度为1 MPa，从高压至低压开始进行变压解吸实验。

2 结果与讨论

2.1 表面张力和接触角测定实验结果

按照1.2.1中的实验方法，对不同类型表面活性剂溶液的表面张力和经过不同表面活性剂处理后的煤切片表面的接触角进行了测定。由表面张力测定结果可知，在清水中加入质量浓度为0.5%的不同类型表面活性剂后，均能使溶液的表面张力值显著下降，其中复配表面活性剂FP- GA降低表面张力的效果最好，表面张力值为22.6 mN/m。

由接触角测定结果可知，两种煤样经过不同类型的表面活性剂浸泡处理后，其表面接触角均出现不同程度的减小趋势，其中阳离子表面活性剂TAB- 1和非离子表面活性剂OP- 8对两种煤样表面接触角的影响较小，而非离子表面活性剂AS- 02、双子表面活性剂GMN- 14和复配表面活性剂FP- GA均能够显著降低两种煤样表面的接触角，其中阴离子表面活性剂AS- 02对煤样表面接触角的影响最大。

2.2 常压解吸实验结果

按照1.2.2中的实验方法，开展了不同表面活性剂对不同煤样的常压解吸能力影响实验，实验结果见图1和图2。

图1 硬煤常压累计解吸量曲线

图2 软煤常压累计解吸量曲线

由图1和图2结果可以看出，空白硬煤样和软煤样的常压累计解吸量分别为3.38 cm3/g和5.47 cm3/g，软煤的解吸量明显大于硬煤。两种煤样使用不同类型的表面活性剂处理后，其常压累计解吸量均有不同程度的增大趋势，其中使用复配表面活性剂FP- GA浸泡后煤样的常压解吸量增大幅度最大，硬煤和软煤的最终累计解吸量分别达到了5.93 cm3/g和7.98 cm3/g，解吸量提升幅度较大。表面活性剂的加入提高煤岩中煤层气的常压解吸能力。

2.3 变压解吸实验结果

按照1.2.2中的实验方法，开展了不同表面活性剂对不同煤样的变压解吸能力影响实验，实验结果图3和图4。

图3 硬煤变压累计解吸量曲线

图4 软煤变压累计解吸量曲线

由图3和图4结果可以看出，空白软煤样的变压累计解吸量明显大于空白硬煤样，两种煤样经过不同类型的表面活性剂浸泡处理后，其变压累计解吸量均呈现出不同程度的增大现象，与上述常压解吸实验结果趋势相同，使用复配表面活性剂FP- GA处理后的煤样变压累计解吸量提升幅度最大，硬煤和软煤的最终累计解吸量分别由空白时的13.67 cm3/g和25.06 cm3/g增大至29.31 cm3/g和39.38 cm3/g，解吸量提升幅度明显。表面活性剂的加入提高了煤岩中煤层气的变压解吸能力。

2.4 表面活性剂提高煤层气解吸能力的原因分析

综合分析以上表面活性剂对溶液表面张力、煤样表面接触角以及煤层气常压、变压解吸量的影响实验结果，认为表面活性剂对煤层气的解吸能力具有一定的提高作用。这主要是由于表面活性剂的加入降低了表面张力、改变了煤样的润湿性，降低了煤层气从煤样孔隙中解吸时的毛细管阻力，使得煤层气能够更加容易地从煤样中解吸出来[17- 18]。

根据2.1中的表面张力和接触角实验结果，并结合拉普拉斯方程，就能够计算某一特定孔径的毛细管力大小，假设孔径为100 nm，将上述不同表面活性剂溶液(质量浓度为0.5%)的毛细管力进行计算，结果见表1。

表1 不同表面活性剂对毛细管力的影响

由表1结果可以看出，表面活性剂的加入能够显著降低水溶液的毛细管力，其中复配表面活性剂FP- GA的效果最好，其毛细管力大小为0.79 MPa，明显小于清水的1.31 MPa。毛细管力的降低能够大幅提高煤层气压裂施工时压裂液的返排效率，降低煤层的束缚水饱和度和水锁伤害程度，从而有利于煤层气的渗流和解吸，提高煤层气的开发效率。

3 结论与建议

(1)不同类型的表面活性剂降低表面张力和对润湿接触角的影响实验结果表明，复配表面活性剂FP- GA降低溶液表面张力效果最好，阴离子表面活性剂AS- 02改变煤样表面润湿性效果最好。

(2)对空白煤样而言，软煤的常压、变压解吸量明显大于硬煤，使用表面活性剂处理后两种煤样的常压、变压解吸量均明显增大，使用复配表面活性剂FP- GA处理后煤样的常压和变压解吸量最大。

(3)表面活性剂提高煤层气解吸能力的主要原因是能够通过降低表面张力和改变煤样表面润湿性，进而可以减小煤层气从煤样孔隙中扩散和渗流时的毛细管阻力，提高煤层气解吸效率。因此，建议在煤层气钻井及压裂开发中，应根据实际情况选择合适的表面活性剂来降低煤储层的伤害程度，提高煤层气的解吸效率，进而达到高效稳定开发的目的。