CN111876141B - 一种清洁压裂液、制备方法及煤层注水中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于矿井煤层注水、防尘技术领域，公开了一种清洁压裂液、制备方法及煤层注水中的应用，按照质量百分比由0.5％～1.5％有机酸、0.5％～1.5％二乙胺类化合物、1.5％～3％环氧卤代烷、1％～2％盐酸、0.1％～3％粘土稳定剂、1％～2％水杨酸钠和水组成，水补足至100％。以二乙胺类化合物为基体，与有机酸发生反应，生成中间产物，再与环氧卤代烷在酸性条件、有机溶剂中进行季铵化反应，合成表面活性剂，再加入反离子促进剂，加入粘土稳定剂和增湿剂，制得清洁压裂液。本发明具有较好的剪切稳定性和较低的滤失性，破胶液残渣少，与地层水配伍性良好，不会对煤层造成二次损害；增加煤层渗透性，减少采煤时煤尘产量。

Description

一种清洁压裂液、制备方法及煤层注水中的应用

技术领域

本发明属于矿井煤层注水、防尘技术领域，尤其涉及一种清洁压裂液、制备方法及煤层注水中的应用。

背景技术

目前，我国是一个能源大国，煤炭是我国社会和经济发展的重要物质基础。但是随着煤矿开采综合机械化水平的不断提高，也导致了大量粉尘的产生，尤其是渗透性低、硬度较大的煤层不适合直接注水润湿。如不能进行合理的处理，采煤时将会在综采工作面产生大量的粉尘。这些粉尘会对煤矿工人的身体健康、精密仪器的使用寿命等造成重大影响，另外，当空气中粉尘浓度达到一定数值时还会容易引发粉尘爆炸，给煤矿生产造成重大损失。

从理论上讲，煤层注水是综采工作面防尘降尘的根本性措施。所以需要对煤层进行压裂增渗，对煤层进行扩裂，从而提高煤层注水的效率。在煤矿领域，一般使用水作为压裂液，但是由于水的粘度极低，在压裂过程中会有很大的滤失性，从而造成水资源的浪费，且对煤体的润湿性较差；或使用瓜尔胶压裂液、泡沫压裂液等常用压裂液，但这些压裂液存在破胶不完全，残渣含量多，与地层水配伍性差等缺点，不利于反排，导致对煤层空隙造成堵塞、二次损害等问题。

因此，需要进一步改进现有技术，改善压裂液的性能，提高煤层注水和增润能力，降低采煤时煤尘的产量。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：目前压裂液存在破胶不完全，残渣含量多，与地层水配伍性差等缺点，不利于反排，导致对煤层空隙造成堵塞、二次损害。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种清洁压裂液、制备方法及煤层注水中的应用。

本发明是这样实现的，一种清洁压裂液，所述清洁压裂液按质量百分比由0.5％～1.5％有机酸，0.5％～1.5％二乙胺类化合物、1.5％～3％环氧卤代烷、0.5％～1％盐酸、0.1％～3％粘土稳定剂及增湿剂、1％～2％水杨酸钠和水组成，水补足至100％。

进一步，所述有机酸为山嵛酸、二聚脂肪酸中的一种或其混合物。

进一步，所述二乙胺类化合物为3-氨基-2-羟基-N,N'-二乙基苯甲酰胺、3-氨基-N,N'-二乙基苯磺酰胺中的一种或其混合物。

进一步，所述有机溶剂选用乙醇，环氧卤代烷选用环氧氯丙烷。

进一步，所述粘土稳定剂和增湿剂为聚二甲基二烯丙基氯化铵。

进一步，所述反离子促进剂为水杨酸钠。

本发明的另一目的在于提供一种所述清洁压裂液的制备方法，所述清洁压裂液的制备方法包括：

第一步，将二乙胺类化合物在水中溶解后，使用恒压滴液漏斗缓慢加入有机酸，加入氢氧化钠为催化剂，将恒温搅拌仪的温度设置为85℃后搅拌加热4-6h，待全部溶解反应后得到中间产物；

第二步，将中间产物溶解在乙醇溶液中，向溶液中加入环氧卤代烷和盐酸，密封条件下80℃水浴加热10-12h，得到表面活性剂；

第三步，向表面活性剂中加入粘土稳定剂和反离子促进剂，40℃下充分搅拌均匀，调节pH，得到用于煤层注水的清洁压裂液。

进一步，所述表面活性剂再与水进行充分搅拌混合备用，表面活性剂、反离子促进剂、粘土稳定剂与水按照质量比为2～6：0.5～2：1～3：100的比例进行充分搅拌混合。

进一步，所述第三步中的pH值为6～7。

本发明的另一目的在于提供一种所述清洁压裂液在矿井煤层注水、防尘中的应用。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明通过活性酯法先活化山嵛酸上的羧基，使羧基与3-氨基-2-羟基-N,N'-二乙基苯甲酰胺上的含氢元素的氮发生缩合酰化反应，制得中间产物，将中间产物与环氧氯丙烷在酸性密封条件下，通过季铵化反应，将中间产物以支链的形式聚合在环氧氯丙烷上，其中，中间产物中具有较长的疏水性碳链，而合成的表面活性剂中具有较明显的亲水基团，在加入水的情况下，水杨酸钠可以促进亲水基团与疏水基团的相互作用下，可形成棒状或蠕虫状胶束，具有较强的粘度，反应中生成的酰胺基团使得压裂液对煤层具有一定的粘附性，可减少在压裂过程中的滤失，羟基使生成的整体结构对煤层的润湿能力增强。且加入的聚二甲基二烯丙基氯化铵可作为粘土稳定剂和增湿剂，既防止水敏性矿物水化膨胀及分散运移，又可以起到增加润湿的作用。且破胶液可以浸入煤层后，由于亲水基团的作用，提高了煤层的渗透性，对下一步的煤层润湿提供了方便。

本发明提供了一种粘度适宜，耐剪切性能好，滤失少，破胶性良好，与地层水配伍性良好，破胶液能提高煤层渗透性，便于润湿，适用于煤层注水的清洁压裂液。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的清洁压裂液的制备方法流程图。

图2是本发明实施例提供的清洁压裂液的制备方法实现流程图。

图3是本发明实施例提供的清洁压裂液的制备方法原理流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种清洁压裂液、制备方法及煤层注水中的应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。

本发明提供的清洁压裂液按质量百分比由0.5％～1.5％有机酸，0.5％～1.5％二乙胺类化合物，1.5％～3％环氧卤代烷，0.5％～1％盐酸，0.1％～3％粘土稳定剂及增湿剂，1％～2％水杨酸钠和水组成，水补足至100％。

有机酸为山嵛酸、二聚脂肪酸中的一种或其混合物。

二乙胺类化合物为3-氨基-2-羟基-N,N'-二乙基苯甲酰胺、3-氨基-N,N'-二乙基苯磺酰胺中的一种或其混合物。

有机溶剂选用乙醇，环氧卤代烷选用环氧氯丙烷。

粘土稳定剂和增湿剂为聚二甲基二烯丙基氯化铵。

反离子促进剂为水杨酸钠。

如图1所示，本发明提供的清洁压裂液的制备方法包括以下步骤：

S101：将二乙胺类化合物在水中溶解后，使用恒压滴液漏斗缓慢加入有机酸，加入适量氢氧化钠为催化剂，将恒温搅拌仪的温度设置为85℃后搅拌加热4-6h，待全部溶解反应后得到中间产物。

S102：将中间产物溶解在乙醇溶液中，向溶液中加入环氧卤代烷和盐酸，密封条件下80℃水浴加热10-12h，得到表面活性剂。

S103：向表面活性剂中加入粘土稳定剂和反离子促进剂，40℃下充分搅拌均匀，调节pH，即可得到用于煤层注水的清洁压裂液。

本发明制备的上述表面活性剂再与水进行充分搅拌混合备用，表面活性剂、反离子促进剂、粘土稳定剂与水按照质量比为2～6：0.5～2：1～3：100的比例进行充分搅拌混合。

本发明制备方法步骤S103中的pH值为6～7。

本发明提供的清洁压裂液的制备方法合成路线为：

本发明提供的清洁压裂液的制备方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的清洁压裂液的制备方法仅仅是一个具体实施例而已。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。

实施例1：

本发明实施例按照摩尔比：山嵛酸：3-氨基-2-羟基-N,N'-二乙基苯甲酰胺＝1：1备好材料，在带有温度计和搅拌装置的三口烧瓶中，按照摩尔配比加入到水中混合均匀，在氢氧化钠作催化剂的条件下，85℃搅拌加热6h，反应完成后冷却到室温，萃取的到中间产物。然后按照摩尔比：中间产物：环氧氯丙烷：盐酸＝2：1：2备好材料，在乙醇溶剂中混合均匀，密封条件下，搅拌升温至80℃，保持温度反应12h，冷却至室温，去除乙醇溶剂，得到表面活性剂。

反应完成后，按照如下配比在40℃下混合制得清洁压裂液V1。各组份以质量百分比计：表面活性剂2.5％、聚二甲基二烯丙基氯化铵1.5％、水杨酸钠1％、其余为水。

实施例2：

本发明实施例按照摩尔比：山嵛酸：3-氨基-2-羟基-N,N'-二乙基苯甲酰胺：3-氨基-N,N'-二乙基苯磺酰胺＝2：1：1备好材料，在带有温度计和搅拌装置的三口烧瓶中，按照摩尔配比加入到水中混合均匀，在氢氧化钠作催化剂的条件下，85℃搅拌加热6h，反应完成后冷却到室温，萃取的到中间产物。然后按照摩尔比：中间产物：环氧氯丙烷：盐酸＝2：1：2备好材料，在乙醇溶剂中混合均匀，密封条件下，搅拌升温至80℃，保持温度反应12h，冷却至室温，去除乙醇溶剂，得到表面活性剂。

反应完成后，按照如下配比在40℃下混合制得清洁压裂液V2。各组份以质量百分比计：表面活性剂2.5％、聚二甲基二烯丙基氯化铵1.5％、水杨酸钠1％、其余为水。

实施例3：

本发明实施例按照摩尔比：二聚脂肪酸：3-氨基-2-羟基-N,N'-二乙基苯甲酰胺：＝1：1：1备好材料，在带有温度计和搅拌装置的三口烧瓶中，按照摩尔配比加入到水中混合均匀，在氢氧化钠作催化剂的条件下，85℃搅拌加热6h，反应完成后冷却到室温，萃取的到中间产物。然后按照摩尔比：中间产物：环氧氯丙烷：盐酸＝2：1：2备好材料，在乙醇溶剂中混合均匀，密封条件下，搅拌升温至80℃，保持温度反应12h，冷却至室温，去除乙醇溶剂，得到表面活性剂。

反应完成后，按照如下配比在40℃下混合制得清洁压裂液V3。各组份以质量百分比计：表面活性剂2％、聚二甲基二烯丙基氯化铵1.5％、水杨酸钠1％、其余为水。

下面结合实施例1-实施例3所制清洁压裂液V1、V2、V3进行性能评价。

清洁压裂液体系属粘弹性表面活性剂压裂体系，其技术标准采用SY/T6376-2008《压裂液通用技术条件》中的表4(粘弹性表面活性剂压裂液通用技术指标)、SY/5107-2005《水基压裂液性能评价方法》。

1.流变性

使用ZNN-D12型数字粘度计对清洁压裂液的表观粘度和剪切稳定性进行评价。表1为清洁压裂液的在170s^-1剪切速率下剪切2h时各时间点的表观粘度的变化，可以看出，随着时间的增长，表观粘度的变小的较少，说明清洁压裂液具有较好的剪切稳定性。

表1本发明清洁压裂液的表观粘度评价

2、滤失性

使用高温高压滤失仪器对清洁压裂液的滤失性进行评价。通过高温高压滤失仪器对清洁压裂液的滤失系数和初滤失量进行了计算，结果如表2所示，由表2可知，清洁压裂液的滤失量少，满足清洁压裂液的要求标准。

表2本发明清洁压裂液的滤失性评价

项目	V1	V2	V3	通用技术标准
					<![CDATA[滤失系数(m/min<sup>1/2</sup>)]]>	<![CDATA[0.89×10<sup>-3</sup>]]>	<![CDATA[0.76×10<sup>-3</sup>]]>	<![CDATA[0.91×10<sup>-3</sup>]]>	<![CDATA[1.0×10<sup>-3</sup>]]>
初滤失量(m/min)	0.041	0.037	0.048	0.05

3、其他性质

其次对该清洁压裂液的破胶性，残渣含量，与地层水的配伍性，增润性(接触角测量)进行了评价。结果如表3所示，由表3可知，该清洁压裂液遇水稀释和与烃类物质都可实现破胶，且破胶粘度低，破胶时间短；无残渣、无滤饼，对地层无伤害；与地层水配伍性良好，无沉淀、无絮凝；对煤层具有较好的增润作用。

表3本发明清洁压裂液的其他性质评价

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种清洁压裂液，其特征在于，所述清洁压裂液按质量百分比由0.5％～1.5％有机酸，0.5％～1.5％二乙胺类化合物、1.5％～3％环氧氯丙烷、0.5％～1％盐酸、0.1％～3％粘土稳定剂及增湿剂、1％～2％水杨酸钠和水组成，水补足至100％；

所述有机酸为山嵛酸、二聚脂肪酸中的一种或其混合物；

所述二乙胺类化合物为3-氨基-2-羟基-N,N'-二乙基苯甲酰胺、3-氨基-N,N'-二乙基苯磺酰胺中的一种或其混合物；

所述清洁压裂液的制备方法包括：

第一步，将二乙胺类化合物在水中溶解后，使用恒压滴液漏斗缓慢加入有机酸，加入氢氧化钠为催化剂，将恒温搅拌仪的温度设置为85℃后搅拌加热4-6h，待全部溶解反应后得到中间产物；

第二步，将中间产物溶解在乙醇溶液中，向溶液中加入环氧氯丙烷和盐酸，密封条件下80℃水浴加热10-12h，得到表面活性剂；

第三步，向表面活性剂中加入粘土稳定剂及增湿剂和水杨酸钠，40℃下充分搅拌均匀，调节pH，得到用于煤层注水的清洁压裂液；

所述粘土稳定剂及增湿剂为聚二甲基二烯丙基氯化铵。

2.如权利要求1所述的清洁压裂液，其特征在于，所述有机溶剂选用乙醇。

3.如权利要求1所述的清洁压裂液，其特征在于，所述表面活性剂再与水进行充分搅拌混合备用，表面活性剂、水杨酸钠、粘土稳定剂及增湿剂与水按照质量比为2～6：0.5～2：1～3：100的比例进行充分搅拌混合。

4.如权利要求1所述的清洁压裂液，其特征在于，所述第三步中的pH值为6～7。

5.一种如权利要求1～4任意一项所述清洁压裂液在矿井煤层注水、防尘中的应用。

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