CN104745172B - 一种用于煤层气藏的煤粉稳定剂及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于煤层气藏的煤粉稳定剂及其使用方法。本发明的煤粉稳定剂由下列重量百分比的组分组成：有机季铵盐表面活性剂或聚季铵盐表面活性剂20～40%、无机阳离子聚合物1～10%、醇5～30%；最后，由水补齐至100%。在压裂施工中、压裂施工后返排阶段或排采阶段，可以大排量注入煤粉稳定剂溶液，阳离子吸附在负电荷的煤表面，使煤岩的Zeta 电位增至零左右，降低煤粉和煤粉、煤粉和煤基质表面间负电荷的排斥力，使煤粉固定。本煤粉稳定剂具有方便易得、无毒、运输方便，现场施工简单的特点。适用温度范围为10‑60℃，适用范围广。
Description
技术领域
本发明涉及煤层气藏开发开采领域，具体涉及一种用于煤层气藏的煤粉稳定剂及其使用方法。
背景技术
煤层气压裂是煤层气井开采过程中的重要环节。但是，不合理的压裂工艺和返排措施会造成煤层中煤粉运移，在天然裂缝、人工压裂缝和井筒中形成煤粉堵塞。不但增加了施工压力、对压裂设备造成危害，而且也会降低网缝的导流能力，使得气井的排水降压难以达到理想状态。因此，煤粉治理是煤层气井压裂开采的核心问题之一。
煤粉根据来源可以分为原生煤粉和次生煤粉。原生煤粉与煤体结构有关，在原生结构煤中发育较少，主要富集在次级褶皱的轴部、断层带以及层间滑动面内的构造煤中，其发育程度与煤体结构的破碎程度有关。次生煤粉与工程因素有关，是在钻井、压裂和压裂后的返排过程中形成的。由于煤的硬度差、弹性模量小，泊松比低，在相同外力条件下，煤岩比常规储层更容易发生破坏、产生大量煤粉，运移后产生架桥堵塞。
煤粉可以分有机成分和无机成分，表面具有一定的亲水性，表面Zeta电位为-20～-30mV。活性水压裂过程，以及压裂后的排水降压过程，是煤粉运移伤害的主要时期。
阳离子稳定剂是利用颗粒表面离子交换特性，以破坏离子交换能力或破坏双电层离子之间的斥力来防止颗粒的分散迁移。无机盐虽可暂时稳定粘土，但有效期短；无机聚合物，如羟基铝的有效期较长，但对使用的条件要求较高；有机季铵盐表面活性剂效果较好，但用量大；聚季铵盐表面活性剂的用量小、效果好，但分子量大，对地层有一定的堵塞作用。
针对煤粉运移伤害问题，现有的对策是增加压裂液的煤粉分散悬浮能力。悬浮剂的机理是改变煤的润湿能力，使煤粉能长时间分散悬浮于工作液中，在返排时携带出井筒。据检索，发现如下相关专利文献，CN101693829提供了一种煤层气井压裂用煤粉分散剂及活性水压裂液，主要成分是非离子表面活性剂，有机铵盐及低碳醇。CN101735794A提供了一种改善煤粉润湿性能的添加剂，主要成分为有机磺酸、脂肪醇聚氧乙烯醚、低级脂肪醇和水。CN101948684A涉及煤层气井压裂施工用的一种压裂液，添加阴离子或非离子聚丙烯酰胺做降阻剂，木质素磺酸盐作为煤粉分散剂。CN201110313042.7提供了一种用于煤层压裂的煤粉悬浮剂，组分包括季铵盐表面活性剂、乙醇胺、低级脂肪醇和水。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于煤层气藏的煤粉稳定剂，本发明煤粉稳定剂在压裂施工中、压裂施工后返排阶段或排采阶段，可以大排量注入煤粉稳定剂溶液，阳离子吸附在负电荷的煤表面，使煤岩的Zeta电位增至零左右，降低煤粉和煤粉、煤粉和煤基质表面间负电荷的排斥力，使煤粉固定。采用有机季铵盐表面活性剂或聚季铵盐表面活性剂，与无机阳离子聚合物、醇进行复配。材料在煤粉颗粒上形成不可逆的吸附膜、防止煤粉分散迁移。
本发明煤粉稳定剂的机理是：(1)“中和”作用和“包被”作用，煤岩的Zeta电位增至零左右，降低煤粉和煤粉、煤粉和煤基质表面间负电荷的排斥力，使煤粉不易运移；(2)“桥连”作用，同时吸附多个颗粒，从而抑制煤粉的分散和运移。
本发明通过下述技术方案实现：
一种用于煤层气藏的煤粉稳定剂，所述煤粉稳定剂由下列重量百分比的组分组成：
有机季铵盐表面活性剂或聚季铵盐表面活性剂 20～40％
无机阳离子聚合物 1～10％
醇 5～30％；
最后，由水补齐至100％。
进一步地，所述有机季铵盐表面活性剂为：二甲基二烯丙基氯化铵、2-氯乙基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十二烷基三甲基氯化铵、十八烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基三甲基溴化铵、十四烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基溴化铵、十二烷基二甲基溴化铵、双十二烷基二甲基溴化铵或2-羟乙基三甲基氯化铵中的一种或两种以上混合物。
再进一步地，所述聚季铵盐表面活性剂为：丙烯酰胺与二甲基二烯丙基氯化铵的合成产物、丙烯酰胺与三甲基单烯丙基氯化铵的合成产物、丙烯酰胺和甲醛与二甲胺的合成产物、环氧氯丙烷与二甲胺的合成产物中的一种或两种以上的混合物。
更进一步地，所述无机阳离子聚合物为羟基铝、羟基锆或氯氧化锆中的一种或两种以上的混合物。
另外，所述醇为甲醇、乙醇、丙醇或乙二醇中的一种或两种的混合物。
作为一种优选，所述煤粉稳定剂由下列重量百分比的组分组成：有机季铵盐表面活性剂40％、无机阳离子聚合物5％、醇25％、水30％。
作为另一种优选，所述煤粉稳定剂由下列重量百分比的组分组成：聚季铵盐表面活性剂35％、无机阳离子聚合物5％、醇25％、水35％。
作为第三种优选，所述煤粉稳定剂由下列重量百分比的组分组成：有机季铵盐表面活性剂30％、无机阳离子聚合物5％、醇25％、水40％。
本发明是现场制备，也就是直接将各原料按比例混合均匀，即可直接使用。
上述用于煤层气藏的煤粉稳定剂的使用方法，包括以下步骤：
在前置液阶段，将煤粉稳定剂配制好后泵入地层；
在压裂过程中，将煤粉稳定剂配制好后泵入地层；
在压裂后，将煤粉稳定剂作为顶替液配制号后泵入地层；
在生产过程中，井筒发生堵塞时，将煤粉稳定剂配制好后泵入地层。
本发明具有以下优点及有益效果：
本发明煤粉稳定剂对地层的伤害率低，适用于消除煤层气井的压裂、压后返排过程和排水采气过程中的煤粉运移伤害。本发明煤粉稳定剂无毒无害，性质稳定。本发明所涉及的煤粉稳定剂耐候性好，耐酸碱，水溶性好，便于现场应用。本发明可以和阳离子类型的黏弹性表面活性剂一起使用。
与现有的煤粉防治技术相比，本发明煤粉稳定剂具有方便易得、无毒、运输方便，现场施工简单的特点。在压裂施工中、压裂施工后返排阶段或排采阶段，可以大排量注入煤粉稳定剂溶液，阳离子吸附在负电荷的煤表面，使煤岩的Zeta电位增至零左右，降低煤粉和煤粉、煤粉和煤基质表面间负电荷的排斥力，使煤粉固定。适用温度范围为10-60℃，适用范围广。由于煤粉主要包括有机成分和粘土矿物，表面具有一定的亲水性，表面Zeta电位为负值，本发明采用的对策是采用有机季铵盐表面活性剂或聚季铵盐表面活性剂，与无机阳离子聚合物、醇进行复配。材料可增加煤粉的Zeta电位，降低煤粉和煤粉、煤粉和煤基质表面间负电荷的排斥力，并且在煤粉颗粒上形成不可逆的吸附膜、防止煤粉分散迁移。通过比较，上述专利与本专利存在较大区别。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的实施方式并不限于此。
实施例1
一种用于煤层气藏的煤粉稳定剂，按以下质量百分比配置：2-氯乙基三甲基氯化铵40％，氯氧化锆5％，甲醇25％，水30％。
其制备方法为直接将各原料按比例混合均匀，即可直接使用。
其使用方法，包括以下情况：
在前置液阶段，将煤粉稳定剂配制好后泵入地层；
在压裂过程中，将煤粉稳定剂配制好后泵入地层；
在压裂后，将煤粉稳定剂作为顶替液配制号后泵入地层；
在生产过程中，井筒发生堵塞时，将煤粉稳定剂配制好后泵入地层。
本实施例的煤粉稳定剂的性能测试如下：
Zeta电位测试
把实施例1的产品加水配成不同浓度的表面活性剂稀溶液。取煤样粉碎后，加入不同浓度的表面活性剂，高速搅拌30分钟，静置24小时吸附达到平衡，进行Zeta电位测定，实验测试温度为室温。数据如表1所示：
表1
实施例1中的煤粉运移的影响测试
把实施例1中的产品，加水分别配成0.5％、1％、1.5％和2％的稀溶液。将煤样粉碎后，过100目筛，将一定量煤粉填充到金属筒中，压实后在金属筒两端用筛网封好。将填充好的煤岩心先饱和2％KCl溶液，24h后装入岩心夹持器，加围压到5MPa。以0.1mL/min的流速用2％KCl测定煤岩初始渗透率；将表面活性剂溶液以0.1mL/min的流速注入岩心，注入5PV后静置12小时，再用2％KCl进行速度敏感性实验，确定岩心在表面活性剂接触后的临界流速和速敏伤害程度。通过对比不同表面活性剂以及不同浓度的表面活性剂与煤岩接触后的临界流速、速敏指数，分析表面活性剂对煤粉运移的影响。以上试验条件下各重复5次，取平均值。如表2所示。
表2
实施例2
一种用于煤层气藏的煤粉稳定剂，按以下质量百分比配置：环氧氯丙烷与二甲胺的合成产物(合成条件为：环氧氯丙烷:二甲胺为1:1.2)35％，氯氧化锆5％，甲醇25％，水35％。
本实施例的煤粉稳定剂的性能测试如下：
Zeta电位测试
把实施例2的产品加水配成不同浓度的表面活性剂稀溶液。取煤样粉碎后，加入不同浓度的表面活性剂，高速搅拌30分钟，静置24小时吸附达到平衡，进行Zeta电位测定，实验测试温度为室温。如表3所示。
表3
| 浓度(％) | 0 | 0.25 | 0.5 | 0.75 | 1 | 2 | 4 |
| Zeta电位 | -25.7 | -22.1 | -21.5 | -20.5 | -10.7 | -5.2 | -2.7 |
| (mV) |
实施例2中的煤粉运移的影响测试
把实施例2中的产品，加水分别配成0.5％和1％、1.5％和2％的稀溶液。将煤样粉碎后，过100目筛，将一定量煤粉填充到金属筒中，压实后在金属筒两端用筛网封好。将填充好的煤岩心先饱和2％KCl溶液，24h后装入岩心夹持器，加围压到5MPa。以0.1mL/min的流速用2％KCl测定煤岩初始渗透率；将表面活性剂溶液以0.1mL/min的流速注入岩心，注入5PV后静置12小时，再用2％KCl进行速度敏感性实验，确定岩心在表面活性剂接触后的临界流速和速敏伤害程度。通过对比不同表面活性剂以及不同浓度的表面活性剂与煤岩接触后的临界流速、速敏指数，分析表面活性剂对煤粉运移的影响。在以上试验条件下各重复5次，取平均值。如表4所示。
表4
实施例3
一种用于煤层气藏的煤粉稳定剂，按以下质量百分比配置：十八烷基三甲基溴化铵30％，羟基锆5％，甲醇25％，水40％。
实施例4
一种用于煤层气藏的煤粉稳定剂，按以下质量百分比配置：二甲基二烯丙基氯化铵10％，十二烷基三甲基溴化铵10％，十六烷基三甲基氯化铵10％，羟基铝5％，丙醇10％，乙二醇15％，水40％。
实施例5
一种用于煤层气藏的煤粉稳定剂，按以下质量百分比配置：十二烷基三甲基氯化铵5％，十四烷基三甲基溴化铵15％，双十二烷基二甲基溴化铵15％，氯氧化锆5％，甲醇10％，乙醇10％，水40％。
实施例6
一种用于煤层气藏的煤粉稳定剂，按以下质量百分比配置：丙烯酰胺与二甲基二烯丙基氯化铵的合成产物15％、丙烯酰胺与三甲基单烯丙基氯化铵的合成产物20％，氯氧化锆5％，乙醇25％，水35％。
实施例7
一种用于煤层气藏的煤粉稳定剂，按以下质量百分比配置：2-羟乙基三甲基氯化铵20％，十二烷基三甲基溴化铵20％，羟基铝3，氯氧化锆7％，甲醇10％，乙醇10％，水30％。
实施例8
一种用于煤层气藏的煤粉稳定剂，按以下质量百分比配置：丙烯酰胺和甲醛与二甲胺的合成产物35％，羟基铝3，氯氧化锆7％，乙醇25％，水30％。
应当说明的是，以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
Claims (6)
1.一种用于煤层气藏的煤粉稳定剂，其特征在于，所述煤粉稳定剂由下列重量百分比的组分组成：
有机季铵盐表面活性剂或聚季铵盐表面活性剂 20～40％
无机阳离子聚合物 1～10％
醇 5～30％；
最后，由水补齐至100％；
所述有机季铵盐表面活性剂为：二甲基二烯丙基氯化铵、2-氯乙基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十二烷基三甲基氯化铵、十八烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基三甲基溴化铵、十四烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基溴化铵、十二烷基二甲基溴化铵、双十二烷基二甲基溴化铵或2-羟乙基三甲基氯化铵中的一种或两种以上混合物；
所述聚季铵盐表面活性剂为：丙烯酰胺与二甲基二烯丙基氯化铵的合成产物、丙烯酰胺与三甲基单烯丙基氯化铵的合成产物、丙烯酰胺和甲醛与二甲胺的合成产物、环氧氯丙烷与二甲胺的合成产物中的一种或两种以上的混合物；
所述无机阳离子聚合物为羟基铝、羟基锆或氯氧化锆中的一种或两种以上的混合物。
2.根据权利要求1所述的一种用于煤层气藏的煤粉稳定剂，其特征在于，所述醇为甲醇、乙醇、丙醇或乙二醇中的一种或两种的混合物。
3.根据权利要求1所述的一种用于煤层气藏的煤粉稳定剂，其特征在于，所述煤粉稳定剂由下列重量百分比的组分组成：有机季铵盐表面活性剂40％、无机阳离子聚合物5％、醇25％、水30％。
4.根据权利要求1所述的一种用于煤层气藏的煤粉稳定剂，其特征在于，所述煤粉稳定剂由下列重量百分比的组分组成：聚季铵盐表面活性剂35％、无机阳离子聚合物5％、醇25％、水35％。
5.根据权利要求1所述的一种用于煤层气藏的煤粉稳定剂，其特征在于，所述煤粉稳定剂由下列重量百分比的组分组成：有机季铵盐表面活性剂30％、无机阳离子聚合物5％、醇25％、水40％。
6.权利要求1～5任一项所述的一种用于煤层气藏的煤粉稳定剂的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
在前置液阶段，将煤粉稳定剂配制好后泵入地层；
在压裂过程中，将煤粉稳定剂配制好后泵入地层；
在压裂后，将煤粉稳定剂作为顶替液配制好后泵入地层；
在生产过程中，井筒发生堵塞时，将煤粉稳定剂配制好后泵入地层。
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