鉆井液pH值對(duì)煤巖潤(rùn)濕性的影響研究

張文敏

摘 要：在煤層氣儲(chǔ)層鉆井過(guò)程中，鉆井液與煤巖及裂縫表面充分接觸，其酸堿度直接影響煤巖表面的潤(rùn)濕性，進(jìn)一步影響煤層氣的滲流。因此，開(kāi)展鉆井液pH值對(duì)煤巖潤(rùn)濕性的影響研究具有重要的實(shí)際意義。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了不同鉆井液pH值對(duì)煤巖潤(rùn)濕性的影響規(guī)律，認(rèn)為煤巖潤(rùn)濕性隨著pH值先減小后增大再又減小，pH值為9時(shí)煤巖的親水性最弱，加入表面活性劑會(huì)進(jìn)一步減弱煤巖的親水性。該結(jié)論為鉆井液體系優(yōu)選與優(yōu)化鉆井液性能提供了有力的技術(shù)指導(dǎo)，有助于保護(hù)儲(chǔ)層并提高煤層氣產(chǎn)能。

關(guān) 鍵 詞：pH值；潤(rùn)濕高度；親水性；表面活性劑

中圖分類(lèi)號(hào)：TE254 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2017）07-1393-03

Research on Effect of Drilling Fluids pH

Value on the Wettability of Coal Rock

ZHANG Wen-min

（Second Drilling Company， Great Wall Drilling Engineering Co.， Ltd.，CNPC， Liaoning Panjin 124000， China）

Abstract： Drilling fluid fully contacts with the surface of coal rock and fractures during the drilling process for CBM， its pH value has direct impact on the wettability of coal rock， affecting the seepage of CBM furtherly.Therefore，the research on effect of drilling fluids pH value on the coal rocks wettability has important practical significance. In this paper， the influence law of drilling fluids pH value on the coal rocks wettability was studied through lots of experiments. The results show that the wettability is related to the pH value of drilling fluid；with increasing of pH value，it decreases firstly and then increases and decreases again at last； the coal rocks hydrophilicity is the weakest at the pH value of 9，and the hydrophilicity of coal rock weakens further after addition of surfactants.The conclusions provide strong technical guidance for selecting drilling fluid and optimizing fluid performance，it helps to protect the reservoir and increase CBM production.

Key words： PH value； Wetting height； Hydrophilicity； Surfactant

在煤層氣儲(chǔ)層鉆井過(guò)程中，鉆井液長(zhǎng)期浸泡并一定程度地侵入煤巖，鉆井液與煤巖及裂縫表面充分接觸，其酸堿度對(duì)煤巖表面的潤(rùn)濕性具有直接影響，進(jìn)一步影響煤層氣的解析和滲流，乃至煤層氣產(chǎn)能[1]。因此，鉆井液pH值是一項(xiàng)重要的性能指標(biāo)，深入研究鉆井液pH值對(duì)煤巖潤(rùn)濕性的影響，科學(xué)設(shè)計(jì)有效的煤層氣儲(chǔ)層保護(hù)方案，最大限度提高煤層氣產(chǎn)能是一項(xiàng)重要課題。針對(duì)該問(wèn)題，本文結(jié)合煤粉自吸實(shí)驗(yàn)探討了煤巖潤(rùn)濕性隨鉆井液pH值的變化規(guī)律，得出了一系列具有實(shí)際意義的結(jié)論，對(duì)于鉆井液體系優(yōu)選與優(yōu)化鉆井液性能調(diào)配具有重要的實(shí)際意義，有助于保護(hù)儲(chǔ)層并提高煤層氣產(chǎn)能。

1 鉆井液pH值對(duì)煤巖潤(rùn)濕性影響研究

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)采用煤粉自吸速度法，利用毛細(xì)作用原理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[2]，實(shí)驗(yàn)流程圖見(jiàn)圖1。

1-托架；2-潤(rùn)濕溶液；3-已潤(rùn)濕煤粉；

4-未潤(rùn)濕煤粉；5-玻璃管；6-燒杯

圖1 自吸速度法實(shí)驗(yàn)流程圖

Fig.1 Flowchart of self-priming speed method

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1）實(shí)驗(yàn)方法

為了驗(yàn)證鉆井液pH值對(duì)煤巖潤(rùn)濕性的影響及不同表面活性劑對(duì)煤粉自吸速度的影響，配制不同pH值的潤(rùn)濕溶液。為了排除煤階、煤巖組分等對(duì)煤樣自吸速度的影響，每一種煤樣均來(lái)自于同一礦區(qū)的同一工作面、層理方向相同、構(gòu)造相同或相近的塊煤，并研磨過(guò)100目篩。將研磨后的煤粉以同樣的壓實(shí)程度充填于玻璃管，并懸掛玻璃管于盛有不同pH值溶液的燒杯中，然后記錄不同時(shí)刻煤粉的潤(rùn)濕高度[3]。

（2）實(shí)驗(yàn)步驟

①稱(chēng)取幾份8 g 100目的煤粉。

②用濾紙將玻璃管的端部包住，把稱(chēng)好的煤粉裝填到玻璃管中震實(shí)壓緊，保證每根玻璃管中煤粉的壓實(shí)程度一致，記錄此時(shí)煤粉的高度。

③將玻璃管懸掛于裝有潤(rùn)濕溶液的燒杯中，保持玻璃管垂直于液面，玻璃管底部沒(méi)入液面0.5 cm，當(dāng)固液相開(kāi)始接觸時(shí)即開(kāi)始記時(shí)，記錄不同時(shí)刻玻璃管中液面上升的高度。

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在實(shí)驗(yàn)中為了消除偶然誤差的影響，共進(jìn)行了兩組平行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1（a）至表1（b）。其它實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，圖2-3。

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，溶液的pH值直接影響煤巖的潤(rùn)濕性，而且pH值不同對(duì)潤(rùn)濕性的改變也不同。這是因?yàn)槿芤簆H值的變化影響了煤巖表面羧基、酚羥基的電離行為，從而影響了煤表面的 電勢(shì)，最終影響煤的潤(rùn)濕性[4，5]。由圖2可以看出，煤粉的自吸高度隨著pH值得升高先減小后增大再又減小，pH值為9時(shí)煤粉潤(rùn)濕高度的最小，說(shuō)明溶液pH值為9時(shí)使煤巖的親水性最弱。因此，在配制鉆井液時(shí)應(yīng)注意調(diào)節(jié)其pH值。

2 pH值與表面活性劑的共同作用對(duì)煤巖潤(rùn)濕性的影響

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

同樣采用煤粉自吸速度法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中將煤塊磨成煤粉并過(guò)100目篩，裝填到玻璃管中。配制不同pH的溶液各兩份，分別添加表面活性劑和不加表面活性劑，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分析pH值和表面活性劑的共同作用對(duì)煤巖表面潤(rùn)濕性的影響。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在實(shí)驗(yàn)中為了消除偶然誤差的影響，共進(jìn)行了兩組平行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3（a）至表3（b）。其它實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，圖4-5。

（2）由表4和圖5分析可得出，向pH值為12的溶液中加入表面活性劑后，煤粉的自吸高度下降的幅度為5.47%，向pH值為7的溶液中加入表面活性劑后，煤粉的自吸高度下降的幅度為2.77%。加入表面活性劑后煤粉的自吸高度降低幅度更大，說(shuō)明pH值為12的溶液中加入表面活性劑后將大幅減弱煤巖的親水性。因此，在配制鉆井液時(shí)應(yīng)該避免向pH為12的溶液中加入表面活性劑。

3 結(jié) 論

（1）鉆井液的pH值直接影響煤巖的潤(rùn)濕性，而且pH值不同對(duì)潤(rùn)濕性的改變也不同。煤粉的自吸高度隨著pH值得升高先減小后增大再又減小，pH值為9的溶液使煤巖的親水性最弱，在配制鉆井液時(shí)應(yīng)注意調(diào)節(jié)其pH值。

（2）對(duì)于同一pH值，添加表面活性劑以后，煤粉的自吸高度明顯下降，說(shuō)明和pH值和表面活性劑共同作用使煤巖的親水性減弱。

（3）pH值為12的溶液中加入表面活性劑后將大幅減弱煤巖的親水性。因此，在配制鉆井液時(shí)應(yīng)該避免向pH為12的溶液中加入表面活性劑。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張公社，汪偉英.pH值改變對(duì)巖石表面潤(rùn)濕性的影響[J].中國(guó)海上油氣（地質(zhì)），2000，14（2）：129-131.

[2]李相臣，康毅力，尹中山.不同化學(xué)環(huán)境下煤巖表面電性與潤(rùn)濕性特征[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，43（5）：864-869.

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[5]李慶會(huì)，游藝，歐陽(yáng)云麗，柯文麗，楊林江. 淺析影響煤巖潤(rùn)濕性的因素[J].石油化工應(yīng)用，2013，32（1）：88-90.