CN107831262A - 一种采用有机溶液对煤储层化学改性的方法 - Google Patents
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Abstract
一种采用有机溶液对煤储层化学改性的方法，属于煤矿生产技术领域。该采用有机溶液对煤储层化学改性的方法包括：选取长焰煤煤块，进行切割，挑选纵波波速为2～2.5km/s范围内的长焰煤煤块，制成标准煤样；选取表面活性剂，并配制成质量百分数为0.5～1.0wt.％的水溶液；将标准煤样放入配制好的有机溶液中浸泡，使标准煤样的煤芯与有机溶液充分接触；对浸泡后的标准煤样进行分析，具体分析浸泡后的标准煤样的微观结构变化、微观结构破坏机理和力学强度。该方法加入的有机溶液从微细观上改变煤样的矿物组成与结构，使其产生孔洞、孔隙等，增加其孔隙率，影响其渗透率，进而改变其峰值强度和弹性模量等宏观力学性质。
Description
技术领域
本发明属于煤矿生产技术领域，具体涉及一种采用有机溶液对煤储层化学改性的方法。
背景技术
煤的组成成分和结构非常复杂，其物理力学性质主要取决于煤中矿物质成分和颗粒间的联结状态。化学溶液的腐蚀将引起煤矿物成分和结构的改变，从而引起煤物理力学性质的改变。近些年来，大多数学者们研究重点放在单一组分或多组分的酸溶液或碱溶液等无机化学溶液对煤体的化学改性作用，这些具有强腐蚀性的化学溶液虽然能够达到改变煤体物理力学特性的效果，但同时也能腐蚀其他物质(如生产设备、运输设备等)，对生产不安全。因此，寻求一种既经济有效，又安全的化学溶液十分重要。
目前，研究者们对有机溶液化学作用下，煤体的物理力学特性的影响研究尚少。表面活性剂是一种无腐蚀性的有机溶液，具有固定的亲水亲油基团，在溶液的表面能定向排列，并能使表面张力显著下降的物质，其浸泡煤体具有较好的润湿性，当渗透到煤裂隙中，能够清除煤储层间隙中的油污杂质，使煤储层连通性增强；另外，表面活性剂能吸附于煤体表面，彻底改变煤体的表面性质，达到对煤储层改性的目的。
发明内容
本发明为消除上述无机化学溶液具有强腐蚀性的缺陷，提供一种采用有机溶液对煤储层化学改性的方法。该有机溶剂对设备无腐蚀性，利用有机溶液改变煤储层物理力学特性。通过考虑有机溶液对煤体物理力学特性的改性作用，分析煤样的微观破坏机理。加入的有机溶液从微细观上改变煤样的矿物组成与结构，使其产生孔洞、孔隙等，增加其孔隙率，影响其渗透率，进而改变其峰值强度和弹性模量等宏观力学性质。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明的一种采用有机溶液对煤储层化学改性的方法，按以下步骤进行：
步骤1，挑选标准煤样
选取长焰煤煤块，进行切割，挑选纵波波速为2～2.5km/s范围内的长焰煤煤块，制成标准煤样；
步骤2，配制有机溶液
选取表面活性剂，并配制成质量百分数为0.5～1.0wt.％的水溶液；
步骤3，浸泡
将标准煤样放入配制好的有机溶液中浸泡，使标准煤样的煤芯与有机溶液充分接触；
步骤4，分析
对浸泡后的标准煤样进行分析，具体分析浸泡后的标准煤样的微观结构变化、微观结构破坏机理和力学强度。
所述的步骤1中，所述的挑选，其方法为用超声波检测仪进行检测纵波波速。
所述的步骤1中，所述的制成标准煤样的具体步骤为：选取长焰煤煤块切割成大小为的煤样，用超声波检测仪选取纵波波速为2～2.5km/s范围内的长焰煤煤样，并剔除具有明显缺陷的煤样和波速离散性较大的煤样，选择均一性良好的煤样，最后得到标准煤样。
所述的步骤2中，所述的表面活性剂，具体为阴离子表面活性、阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂、双子表面活性剂。
所述的步骤2中，所述的表面活性剂，优选为阴离子表面活性剂，阴离子表面活性剂优选为硬脂酸钠，十六烷基磺酸钠，十二烷基磺酸钠，十六烷基硫酸酯钠或十六烷基磷酸酯钠中的一种。
所述的步骤3中，所述的浸泡，浸泡时间为24h～48h，浸泡温度为40～60℃。
所述的步骤4中，得到浸泡后的标准煤样表面逐渐被溶蚀成碎屑状的小颗粒，矿物之间粘结力下降，胶结面消失，结构逐渐变得松散脆弱，表观形貌发生巨大变化；煤样内部碳酸盐矿物逐渐溶解，粘土矿物相对含量不减反增，石英溶解率极低。
所述的步骤4中，所述的浸泡后的标准煤样相比于浸泡前，其孔隙率提高22％以上，峰值强度至少降低3.23MPa，弹性模量至少降低1015MPa。
所述的步骤4中，所述的力学强度采用单轴压缩实验进行分析。
本发明的一种采用有机溶液对煤储层化学改性的方法，相比与现有技术，其优点在于：
1.本发明提出的采用有机溶液对煤储层化学改性的方法较前人的改性法费用低，适用于实际工程。
2.本发明采用的有机溶液优选为十二烷基磺酸钠(化学式：CH3(CH2)10CH2-OSO3Na，简称SDS)，其分子结构中一端含有疏水基，一端含有带负电荷的亲水基，其在酸性介质中以及加热条件下都不会分解，无腐蚀性，化学性质十分稳定，具有良好的乳化、渗透、去污和分散性能。
3.本发明采用有机溶液能够与煤快速反应，缩短反应时间，达到反应效果仅需24～48h。
4.本发明主要是煤与有机溶液化学作用可从微细观上改变煤样的矿物组成与结构，使其产生孔洞、孔隙等，增加其孔隙率，影响其渗透率，进而改变其峰值强度和弹性模量等宏观力学性质。通过以上优点更加真实的体现了本发明在煤体改性等工程领域中应用价值和广阔前景。
附图说明
图1为本发明煤样浸泡前后电镜扫描图，其中，(a)为煤样浸泡前SEM图；(b)为煤样浸泡12h后的SEM图；(c)为煤样浸泡24h后的SEM图；(d)为煤样浸泡48h后的SEM图；
图2为本发明煤样浸泡前后X射线衍射图谱，其中，(e)为煤样浸泡前XRD图谱；(f)为煤样浸泡48h后的XRD图谱；
图3为煤样浸泡前后压汞曲线图；
图4为煤样浸泡前后应力-应变曲线对比图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
以下实施例中，选用的长焰煤为阜新平安矿的长焰煤。
以下实施例中，采用的电镜扫描仪为日立S-3400N电镜扫描仪，采用的X射线衍射仪为ShimadzuXRD-6100X射线衍射仪，采用的全自动压汞仪为Au-toPoreⅣ9510型全自动压汞仪。
以下实施例中，液压伺服岩石压力试验机采用YAW-2000液压伺服岩石压力试验机。
实施例1
一种采用有机溶液对煤储层化学改性的方法，按以下步骤进行：
步骤1，挑选标准煤样
将选取的阜新平安矿长焰煤煤块切割成大小为的煤样，用超声波检测仪选取纵波波速为2～2.5km/s范围内的长焰煤煤样，并剔除具有明显缺陷的煤样和波速离散性较大的煤样，选择均一性良好的煤样，最后得到标准煤样，保存，备用。
对标准煤样进行分析，具体分析标准煤样的微观结构变化、微观结构破坏机理和采用单轴压缩实验分析力学强度。
步骤2，配制有机溶液
选取十二烷基磺酸钠作为有机溶剂，并配制成质量百分数为0.5wt.％的十二烷基磺酸钠水溶液；
步骤3，浸泡
将标准煤样放入配制好的十二烷基磺酸钠水溶液中浸泡，浸泡时间为48h，浸泡温度为40℃，使标准煤样的煤芯与十二烷基磺酸钠水溶液充分接触；
步骤4，分析
对浸泡后的标准煤样进行分析，具体分析浸泡后的标准煤样的微观结构变化、微观结构破坏机理和采用单轴压缩实验分析力学强度。
(1)微观结构具体分析方法为：采用日立S-3400N电镜扫描仪、ShimadzuXRD-6100X射线衍射仪、Au-toPoreⅣ9510型全自动压汞仪对浸泡前后标准煤样的表观形貌、矿物质成分、微观孔隙结构进行检测，其具体的浸泡前后电镜扫描图见图1，其中，图1(a)为煤样浸泡前SEM图，从图中可以看出，煤样表面光滑无碎片，矿物与矿物之间以集合体的形式粘结在一起，具有较好的胶结面，结构致密，孔隙尺寸非常小，小于1μm；图1(b)为煤样浸泡12h后的SEM图，从图中可以看出，煤样表面产生大的粘土矿物碎片，碎片尺寸大于100μm，矿物与矿物之间的胶结面被破坏，结构稍微松散，孔隙数量较少，孔隙较小，个别大孔隙尺寸为30～50μm之间；图1(c)为煤样浸泡24h后的SEM图，从图中可以看出，煤样表面的粘土矿物碎片增多，大碎片尺寸80～100μm，局部新增碎屑状小颗粒，尺寸在10～20μm之间，这可能是碳酸盐矿物被溶蚀的结果，孔隙数量增加，但孔隙尺寸较小，个别孔隙尺寸在40μm以内；图1(d)为煤样浸泡48h后的SEM图，从图中可以看出，碎屑状小颗粒几乎覆盖整个煤样表面，大部分碎屑尺寸小于10μm，矿物之间的粘结力微弱，胶结面不复存在，孔隙尺寸增大且数量增多，大于10μm，个别孔隙尺寸接近50μm。可见，随着浸泡时间增加，有机溶液不断腐蚀煤样，造成煤样矿物之间胶结面消失，结构松散，孔隙尺寸增加。
(2)经ShimadzuXRD-6100X射线衍射仪对煤体的矿物质成分进行分析，其物相分析得出煤中主要含有以蒙脱石、伊利石、高岭石和石英为主的硅酸盐矿物，以方解石和白云石为主的碳酸盐矿物及一些黄铁矿等硫化物。通过图2(e)和图2(f)可看出，碳酸盐矿物(方解石、白云石和硫化物(黄铁矿))的衍射强度逐渐降低，而硅酸盐矿物(蒙脱石、伊利石和高岭石)的衍射强度升高，且出现新的衍射峰，为硫沉淀。
(3)采用Au-toPoreⅣ9510型全自动压汞仪对浸泡前后的煤样的微观孔隙结构进行分析，其煤样浸泡前后压汞曲线图见图3。图3中，浸泡前煤样的压汞曲线呈单峰分布，在微孔区域峰值最大，占总孔隙比例较大，过渡孔、中孔、大孔占总孔隙比例较小；经40℃有机溶液浸泡后，煤样的压汞曲线呈明显双峰分布，峰值分别出现在大孔(大于10μm)和过渡孔区域，说明微孔数量下降较多，而大孔数量增加较多。总孔隙率由11％增加到43％。由此可见，随着有机溶液温度的增加，煤样压汞曲线由单峰分布逐渐转变成双峰分布，孔隙类型由微孔逐渐向中孔、大孔转变，孔隙率随时间明显变大，此变化规律与SEM结果吻合。
经过对微观结构、矿物质成分、微观孔隙结构的对比分析，得出有机溶液对煤样微观结构的影响主要表现为，浸泡后煤样表面逐渐被溶蚀成碎屑状的小颗粒，矿物之间粘结力下降，胶结面消失，结构逐渐变得松散脆弱，表观形貌发生巨大变化；煤样内部碳酸盐矿物逐渐溶解，粘土矿物相对含量不减反增，石英溶解率极低，几乎不与有机溶液反应；最终导致煤样微孔体积逐渐减少，大孔体积逐渐增加，总体孔隙率增加。经过分析孔隙率为11％，相比于浸泡前提高32％。
(4)通过化学吸附、离子交换等化学反应和溶质迁移理论等一系列理论支撑，分析有机溶液作用下煤样破坏的微观机理。
煤是一种复杂的高分子化合物，表面含有大量的脂肪烃和芳香烃等憎水的非极性基团，从而使煤体表面具有较强的疏水性，当向水中添加阴离子表面活性剂时，由于阴离子表面活性剂具有带一个负电荷的亲水基，能与煤体表面发生化学吸附(包括离子交换、离子转移或共存等)作用。煤体在吸附过程中，由于煤体表面含有许多微孔隙、孔洞等缺陷，使煤体表面的原子处在不对称的力场中，而使固体表面不平衡，表面层具有过剩自由能。为使表面能降低，固体表面的原子会自发地利用其未饱和的自由价来捕获表面活性剂分子，使之在界面上富集，形成固-液界面的吸附，从而导致煤体表面原子的重新排列，化学键发生断裂或形成新的化学键。
煤体在吸附过程中，煤体中许多原始微孔隙、孔洞等缺陷，在表面活性剂作用下，不断萌生、扩展、互相贯通形成孔隙通道，表面活性剂分子通过孔隙通道逐渐渗透到煤体内部，在煤体内部形成新的固-液界面。当发生表面活性剂吸附后，必然改变体系的界面状态，而影响界面性质，对煤体表面起到一个改性的作用，从而改变煤体物理力学特性。
(5)采用YAW-2000液压伺服岩石压力试验机对浸泡前后煤样进行加载，采用轴向位移控制方式，加载速率恒定在0.01mm/s，测定得出经十二烷基磺酸钠水溶液浸泡后，煤样的峰值强度和弹性模量分别为7.59MPa和362MPa(见图4)，相比于浸泡前分别降低了3.99MPa、1123MPa。证明经十二烷基磺酸钠水溶液浸泡后，煤样的宏观力学特性下降，能够很好的验证煤样微观破坏机理。
煤样浸泡前后应力-应变曲线对比图见图4，由图4可知，整体上看，浸泡前后煤样的应力-应变曲线可将整个压缩过程分为压密阶段、弹性变形阶段、屈服阶段和峰后应变软化阶段。从原煤样的应力-应变曲线可以看出，原煤样的平均峰值强度和弹性模量分别为11.58MPa，1485MPa，峰值强度最大，峰值前变形几乎是线弹性的，局部出现1～2次锯齿状波动，这是由于在压缩过程中煤样表面开始剥落，并伴随着响亮的破裂声，支撑能力降低，应力-应变曲线突然下降，而随着继续加载，煤样承受载荷能力增加，应力-应变曲线上升，直至达到峰值强度，直到煤样彻底破坏为止。浸泡温度为40℃时，平均峰值强度和弹性模量分别为7.59MPa，362MPa，煤样平均峰值强度和弹性模量较原煤样分别降低了3.99MPa、1123MPa。可见，随着浸泡温度的增加，煤样的峰值强度和弹性模量逐渐减小，主要是因为有机溶液能够与煤样内部矿物质发生强电荷吸附，引起煤样内部组分发生离子交换、溶质迁移、物质溶解等化学反应，可从微细观上改变煤样的矿物组成与结构，使煤样的原始微裂隙、孔洞等逐渐增加，降低其抵抗变形的能力，进而减弱其峰值强度和弹性模量等宏观力学性质。
实施例2
一种采用有机溶液对煤储层化学改性的方法，按以下步骤进行：
步骤1，挑选标准煤样
将选取的阜新平安矿长焰煤煤块切割成大小为的煤样，用超声波检测仪选取纵波波速为2～2.5km/s范围内的长焰煤煤样，并剔除具有明显缺陷的煤样和波速离散性较大的煤样，选择均一性良好的煤样，最后得到标准煤样，保存，备用。
对标准煤样进行分析，具体分析标准煤样的微观结构变化、微观结构破坏机理和采用单轴压缩实验分析力学强度。
步骤2，配制有机溶液
选取十二烷基磺酸钠作为有机溶剂，并配制成质量百分数为0.8wt.％的十二烷基磺酸钠水溶液；
步骤3，浸泡
将标准煤样放入配制好的十二烷基磺酸钠水溶液中浸泡，浸泡时间为36h，浸泡温度为50℃，使标准煤样的煤芯与十二烷基磺酸钠水溶液充分接触；
步骤4，分析
对浸泡后的标准煤样进行分析，具体分析标准煤样的微观结构变化、微观结构破坏机理和采用单轴压缩实验分析力学强度。
经过分析，浸泡后的孔隙率为57％，相比于浸泡前提高46％，浸泡后的标准煤样的峰值强度和弹性模量分别为6.76MPa和256MPa，相比于浸泡前分别降低了4.82MPa、1229MPa。
实施例3
一种采用有机溶液对煤储层化学改性的方法，按以下步骤进行：
步骤1，挑选标准煤样
将选取的阜新平安矿长焰煤煤块切割成大小为的煤样，用超声波检测仪选取纵波波速为2～2.5km/s范围内的长焰煤煤样，并剔除具有明显缺陷的煤样和波速离散性较大的煤样，选择均一性良好的煤样，最后得到标准煤样，保存，备用。
对标准煤样进行分析，具体分析标准煤样的微观结构变化、微观结构破坏机理和采用单轴压缩实验分析力学强度。
步骤2，配制有机溶液
选取十六烷基磺酸钠作为有机溶剂，并配制成质量百分数为0.6wt.％的十六烷基硫酸酯钠水溶液；
步骤3，浸泡
将标准煤样放入配制好的十六烷基硫酸酯钠水溶液中浸泡，浸泡时间为30h，浸泡温度为55℃，使标准煤样的煤芯与十六烷基硫酸酯钠水溶液充分接触；
步骤4，分析
对浸泡后的标准煤样进行分析，具体分析标准煤样的微观结构变化、微观结构破坏机理和采用单轴压缩实验分析力学强度。
经过分析，浸泡后的孔隙率为33％，相比于浸泡前提高22％，浸泡后的标准煤样的峰值强度和弹性模量分别为8.35MPa和470MPa，相比于浸泡前分别降低了3.23MPa、1015MPa。
Claims (8)
1.一种采用有机溶液对煤储层化学改性的方法，其特征在于，按以下步骤进行：
步骤1，挑选标准煤样
选取长焰煤煤块，进行切割，挑选纵波波速为2～2.5km/s范围内的长焰煤煤块，制成标准煤样；
步骤2，配制有机溶液
选取表面活性剂，并配制成质量百分数为0.5～1.0wt.％的水溶液；
步骤3，浸泡
将标准煤样放入配制好的有机溶液中浸泡，使标准煤样的煤芯与有机溶液充分接触；
步骤4，分析
对浸泡后的标准煤样进行分析，具体分析浸泡后的标准煤样的微观结构变化、微观结构破坏机理和力学强度。
2.如权利要求1所述的采用有机溶液对煤储层化学改性的方法，其特征在于，所述的步骤1中，所述的挑选，其方法为用超声波检测仪进行检测纵波波速。
3.如权利要求1所述的采用有机溶液对煤储层化学改性的方法，其特征在于，所述的步骤1中，所述的制成标准煤样的具体步骤为：选取长焰煤煤块切割成大小为的煤样，用超声波检测仪选取纵波波速为2～2.5km/s范围内的长焰煤煤样，并剔除具有明显缺陷的煤样和波速离散性较大的煤样，选择均一性良好的煤样，最后得到标准煤样。
4.如权利要求1所述的采用有机溶液对煤储层化学改性的方法，其特征在于，所述的步骤2中，所述的表面活性剂，具体为阴离子表面活性、阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂、双子表面活性剂。
5.如权利要求4所述的采用有机溶液对煤储层化学改性的方法，其特征在于，所述的步骤2中，所述的阴离子表面活性剂为硬脂酸钠，十六烷基磺酸钠，十二烷基磺酸钠，十六烷基硫酸酯钠或十六烷基磷酸酯钠中的一种。
6.如权利要求1所述的采用有机溶液对煤储层化学改性的方法，其特征在于，所述的步骤3中，所述的浸泡，浸泡时间为24h～48h，浸泡温度为40～60℃。
7.如权利要求1所述的采用有机溶液对煤储层化学改性的方法，其特征在于，所述的步骤4中，所述的力学强度采用单轴压缩实验进行分析。
8.如权利要求1所述的采用有机溶液对煤储层化学改性的方法，其特征在于，所述的步骤4中，所述的浸泡后的标准煤样相比于浸泡前，其孔隙率提高22％以上，峰值强度至少降低3.23MPa，弹性模量至少降低1015MPa。
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