不同表面活性剂对镜煤和暗煤的润湿性影响.pdf
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1、第 卷第 期 年 月西安科技大学学报 季亮,王伟,杨宏涛,等 不同表面活性剂对镜煤和暗煤的润湿性影响 西安科技大学学报,():,():收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目();中石油煤层气有限责任公司科技项目();中国石油天然气股份有限公司科技课题项目()第一作者:季亮,男,山西朔州人,硕士,工程师,:通信作者:陈跃,男,安徽安庆人,博士,副教授,:不同表面活性剂对镜煤和暗煤的润湿性影响季亮,王伟,杨宏涛,张铜,张正朝,王浩,李敬轩,陈跃,郑超(中石油煤层气有限责任公司,陕西 西安 ;西安科技大学 地质与环境学院,陕西 西安 )摘要:为研究烷基糖苷、十六烷基三甲基氯化铵、十二烷基二甲基甜菜
2、碱、十二烷基苯磺酸钠等 种表面活性剂对镜煤和暗煤润湿性的影响,通过煤矿井下煤层块样分离出镜煤和暗煤成分,利用接触角测定、润湿热测定、粉末浸透试验、吸水核磁共振测试等多种技术手段,分析镜煤和暗煤润湿性差异。结果表明:低阶煤具弱亲水性,与镜煤相比,暗煤的接触角更小,暗煤的润湿热和表面自由能更高,粉末浸透速率快,吸水能力强,暗煤的亲水性比镜煤强;种不同类型的表面活性剂均可显著降低水的表面张力,而且随着活性剂溶液浓度的增加,煤样表面的接触角明显减小,不同类型表面活性剂溶液与煤样接触角的变化趋势略有不同;阳离子表面活性剂与阴离子表面活性剂随溶液浓度增加接触角呈现指数函数降低;非离子表面活性剂对接触角的作
3、用则呈现二次函数降低,曲线变化趋势反映了影响机制的差异;表面活性剂作用下暗煤的黏附功降低因子小于镜煤,煤中水分主要为吸附态水和游离态水,以吸附态水为主。镜煤中吸附态水比例高,游离态水比例低。种表面活性剂均增强了煤的吸水能力。关键词:宏观煤岩成分;润湿性;表面活性剂;水分分布;吸水特征中图分类号:文献标志码:文章编号:():开放科学(资源服务)标识码():,(,;,):,;,第 期季亮,等:不同表面活性剂对镜煤和暗煤的润湿性影响 ,:;引言中国能源禀赋特点及能源产业结构现状 决定了天然气将是由传统高碳化石能源向低碳清洁能源过渡不可逾越的桥梁 。随着中国低煤阶煤层气勘探开发的深入,低含气量和含水性
4、问题逐渐凸显,水分对于煤层气的高效解吸是一个重要的因素 。煤层气资源的高效合理开发受众多因素的影响,煤的润湿性是一项非常重要的指标,通过添加不同种类表面活性剂在水中来提高煤体的润湿性已经在国内外广泛应用 。煤储层的物质组成 和多元孔隙结构造成其具有很强的非均质性 ,其中镜煤与暗煤作为宏观煤岩组分的典型代表,其润湿性差异致使煤层内部气水微观分布非常复杂 。煤表面润湿性是煤的基本性质之一,是煤体界面由煤 气界面转变为煤 水界面的现象,反映了煤对液体的吸附特性 。对煤中显微组分的接触角进行了研究,发现各显微组分疏水性强弱为壳质组 镜质组 惰质组。镜煤与暗煤润湿性受物质组成和孔隙结构影响显著 。灰分具
5、有亲水性,而挥发分疏水,导致暗煤润湿性更好。含量高,润湿性变差,、对润湿性的影响较为复杂,取决于含氧官能团的类型,暗煤含有更多的羟基和羧基等极性含氧官能团,镜煤含醚氧基和酯键较多,故暗煤的润湿性更好。相较于暗煤,镜煤的孔隙以半封闭孔为主,连通性差,分选差,孔径小,比表面积大,表面更粗糙,使得润湿性更差。舒新前等发现镜煤与丝炭在元素组成和电动电位等方面均有不同 。镜煤的氧含量虽然较高,但其含氧官能团较少,整体表现为疏水性;丝炭的氧含量较低,但其含氧官能团较高,整体表现为亲水性。从煤的物质组成来看,灰分、水分是亲水因素 ,固定碳是疏水因素;挥发分由于其来源复杂、与接触角的关系不确定。李伟明认为,镜
6、煤具有较高的挥发分、氢元素和氧元素,丝炭具有较高的灰分和碳元素 ;镜煤中含 和烷基侧链等阳离子型基团较多,而丝炭中含氧官能团较多,镜煤的疏水性优于丝炭。等通过对低阶煤润湿性的研究发现了表面活性剂对低阶煤的影响,其中非离子表面活性剂可降低低阶煤的亲水性,而阴离子表面活性剂可提高低阶煤的亲水性 ;、胡友林等发现非离子表面活性剂会使煤体的疏水性增强 ;郭中雅等通过测算表面活性剂 在煤表面的吸附量,发现煤样的润湿热在吸附表面活性剂后,润湿热均有所下降,表明了吸附阳离子表面活性剂 会使煤的疏水性增强 。目前对润湿性的测定主要通过定量和定性相结合的方法 ,通过确定表面活性剂对润湿性的作用机制,分析表面活性
7、剂处理前后镜煤与暗煤的内在水分分布,以探究不同表面活性剂对煤体润湿性的影响,为煤储层润湿性改造中活性剂的选择及促进煤层气解吸产出提供理论依据。样品与试验 样品采集与处理根据镜煤与暗煤颜色、光泽和断面结构的差异,在镜煤富集条带和暗煤区域利用线切割法,从大块煤样中切割 的块样,为了尽可能得到煤样的本征接触角,依次用 目、目、目、目、目的高精细砂纸及金相抛光机依次打磨接近至理想光滑,用于接触角测定。从大块煤样中切割 的柱样用于低场核磁共振测试和吸水试验,将剥离出的镜煤与暗煤碎块研磨成 目的煤粉样用于粉末浸透试验和润湿热测定(图 )。园子沟镜煤、园子沟暗煤、黄陵镜煤和黄陵暗煤分别简称为 ,和 。?图
8、样品采集 试验方法 煤 水接触角测定接触角测定选用德国 仪器股份有限公司的 视频光学接触角测量仪,测量范围:,精度:,分辨率:。用微注射器将液体滴在煤的光滑表面(每滴约 ),待液滴稳定后进行拍照,并测量接触角。每种样品测定 个数值,最终求取该煤样的平均接触角,避免局部表面粗糙度对其准确性的影响。润湿热测定润湿是固体表面上气体被液体取代的自发过程,润湿过程的热效应可用微量热仪测得。在 恒温条件下,选用 型微量热仪测定样品的润湿热。称取 样品放入膜混合池底部。利用 软件记录润湿热流曲线,并对热流曲线进行积分,得到润湿热值 。煤粉浸透速度测定煤粉浸透速度法可以定性判断煤样的润湿性,其原理是将煤粉样品
9、之间的孔隙看作毛细管,液体在毛细管力作用下、沿着毛细管上升。相同时间内,煤粉浸润的高度越大,亲水性越强。将相同质量的煤粉装入带有刻度的玻璃管中,底部固定上滤纸并振实压紧,以免煤粉掉入溶液中。测量过程中,确保玻璃管垂直于液面,在固 液两相接触瞬间开始计时,记录不同时间溶液浸润煤粉的高度。加压饱和吸水法煤的润湿性属于煤的基本属性,对煤的润湿性改造主要依靠表面活性剂,润湿性改造主要采用不同类型表面活性剂(表 )。表 表面活性剂的优选 中文名称英文缩写活性剂种类化学式分子量分子结构十六烷基三甲基氯化铵 阳离子?十二烷基苯磺酸钠 阴离子?十二烷基二甲基甜菜碱 两性离子?烷基糖苷 非离子?饱和吸水法属于煤
10、体吸湿法的一种,可以定性分析煤的润湿性。利用煤孔隙表征时,在加压饱和状态下,煤的吸水率大小侧面反映煤的亲水能力。吸水率越高、煤的亲水性越强。煤储层中水分分布特征主要通过分析煤柱样在表面活性剂溶液中自然吸水后,其质量变化特征及核磁共振测试煤中水分峰面积变化。试验步骤为首先配置相同浓度()的表面活性剂溶液,然后将煤柱样浸泡在 种表面活性剂溶液中,分别在浸泡 ,及离心后称其质量,进行 测试。镜煤和暗煤的润湿性差异 煤 水界面接触角煤 水界面的接触角均小于 ,表明低阶煤整体是弱亲水的(图 )。的平均接触角为 ,的平均接触角为 ;的平均接触角为 ,的平均接触角为 ,即同一煤样中镜煤的煤 水接触角大于暗煤
11、,反映出暗煤的亲水性优于镜煤。煤样与矿井水和蒸馏水的接触角结果如图所示,在同一煤样中,矿井水与蒸馏水的测试结果均为暗煤的接触角小于镜煤,暗煤的润湿性同样强于镜煤,相对更加亲水。西 安科技大学学报 年第 卷第 期季亮,等:不同表面活性剂对镜煤和暗煤的润湿性影响?图 煤样与蒸馏水的接触角 对比同一样品与蒸馏水的接触角和与矿井水的接触角发现,、和 的接触角依次增加了 、和 ,暗煤的接触角增幅是镜煤的 倍左右,说明水中离子对暗煤的影响程度大于镜煤。表面自由能是指在一定的温压条件下,产生单位新的固体表面积所引起的体系吉布斯自由能的增加,相当于在该温度下产生单位固体表面所作的可逆功 ,是反映固体表面润湿性
12、的一个重要指标,煤的表面自由能越大,润湿性越好。由于固体结构中的分子化学键比较稳定,对于固体,原子几乎不可移动,其表面不像液体那样易于伸缩或变形,所以很难测定固体表面的自由能,将润湿与吸附结合起来,并忽略液滴大小及重力对润湿的影响,利用吉布斯吸附方程,建立了以接触角为基础的润湿过程中固体表面自由能的热力学模型 。通过测量得到的煤蒸馏水接触角,计算润湿条件下煤样的表面自由能,同一煤样中暗煤的表面自由能大于镜煤,表明暗煤的润湿性优于镜煤(图 )。?图 镜煤与暗煤的表面自由能 润湿热润湿热是通过监测液体对固体浸润时的热量变化来评价润湿性,通常情况下润湿热越大,润湿性越强。当润湿热值大于零时,代表放热
13、以及积极的热效应,有利于液体润湿;反之视为吸热以及消极的热效应,对润湿不利 。根据首峰时间和平衡时间将热流曲线基本划分为 个阶段 。第 阶段,由于煤体自身重力的影响,煤粉与液体快速接触浸润,表现为较大的放热峰,反映出煤样表面自由能快速降低;第 阶段,液体在毛细管力的作用下进一步渗入煤样的内部深处,但是润湿速率和放热效应显著降低,表明液体对煤表面不同的润湿位点有选择性的吸附。由于煤表面的非均质性,热流曲线下降幅度和耗时有很大的差别;第 阶段,由于煤吸附水的位点及煤孔隙被流体所饱和,逐渐进入到相对稳定且缓慢的润湿阶段,直至润湿放热结束(图 )。的润湿热为 ,的润湿热为 ;的润湿热为 ,的润湿热为
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