专利名称：煤层气井压裂用煤粉分散剂及活性水压裂液的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种煤层气井压裂用分散剂及活性水压裂液，具体涉及一种煤层气井
压裂用的能够使煤粉在压裂液中均匀分散、避免煤粉聚集成团、降低并稳定施工压力的煤 粉分散剂，以及包含该煤粉分散剂的活性水压裂液。
背景技术：
煤层气储层具有低孔、低渗的特点，常规煤层气直井如果不通过压裂改造很难获 得产能。由于煤是一种杨氏模量低、泊松比高、硬度低、易破碎的非常规储层，在压裂中易被 压碎、压实，产生煤粉，由于煤粉颗粒表面的润湿性，在水中无法分散开，成团分布，引起压 裂过程中泵压高且波动幅度大，煤粉还会造成裂缝通道堵塞，影响煤层气井的压裂效果。同 时在排采过程中，增加检泵次数，为煤层气井的开采开发增加成本。 目前国内尚没有能够解决这一问题的产品，本发明通过改变煤粉颗粒表面润湿 性，使煤粉能够在压裂液中均匀分散开，悬浮于压裂液中，避免压裂施工时压力波动，保证 压裂施工的效果，降低煤层气井的开采成本。
发明内容
本发明是为了解决上述技术问题而作出的，本发明的目的在于提供一种煤层气井 压裂用煤粉分散剂，该煤粉分散剂能够使煤粉在压裂液中均匀分布，降低施工压力，同时将 其在排液时随着压裂液排出地层，避免堵塞裂缝通道。 由于煤粉颗粒表面的憎水性，水分子无法吸附到煤粉颗粒的表面，亦无法进入到 煤粉颗粒之间的空隙中，造成了煤粉颗粒聚集成团漂浮在水的表面、或沉在水底。因此必须 改变煤粉颗粒表面的润湿性，使得煤粉表面由憎水改为亲水，使得水分子能够吸附到煤粉 颗粒的表面，同时进入到煤粉颗粒之间的空隙中，从而使煤粉不再成团分布，在水中均匀分 布。 由于表面活性剂分子结构的特殊性，分子同时具有憎水基和亲水基，一端的憎水 基能够轻易的吸附在煤粉颗粒的表面，另一端的亲水基与水分子结合，使水分子就能够吸 附在煤粉颗粒的表面，从而将煤粉颗粒均匀分散开来。 煤粉在1. 5%氯化钾(质量百分比)溶液中聚集成团，漂浮在液体表面，图la示出 煤粉在1.5% (质量百分比)氯化钾溶液中的分布状态；煤粉在煤粉分散剂溶液中能够均 匀分散，图lb示出煤粉在煤粉分散剂溶液中的分布状态。 图2是煤粉沉降时间随压裂液中煤粉分散剂浓度变化的曲线图，从图2中可以看
出随着压裂液中煤粉分散剂的浓度逐渐增大，煤粉的沉降时间逐渐加快，当煤粉分散剂的
浓度达到0.2% (质量百分比)时，煤粉沉降时间加快速度趋于平稳。 本发明按下述方法制备(本说明书中所述浓度均为质量百分比) A:将非离子表面活性剂、有机铵盐、醇按2 : 1 : 7的比例配制，混合均匀形成澄
清透明的溶液，即得到煤粉分散剂的原液。所述的醇可以用醚取代。
B :由方法A所制得的煤粉分散剂原液可根据压裂施工需要，按不同浓度比例，加 入到氯化钾溶液中，混合均匀，形成澄清透明的煤粉分散剂活性水压裂液。
C:由方法A所制得的煤粉分散剂原液也可按不同浓度比例，加入到防膨剂溶液 中，混合均匀，形成澄清透明的煤粉分散剂活性水压裂液。 D :由方法B、方法C制得的煤粉分散剂活性水压裂液在压裂中可作为前置液或携
砂液单独使用，也可在压裂中全程使用，用作前置液、携砂液、顶替液等。 E :方法B、方法C中煤粉分散剂原液的推荐使用浓度为0. 2%，可根据煤层中粉煤
的含量对煤粉分散剂原液的浓度进行调整，粉煤含量越高，煤粉分散剂原液的使用浓度越
高，调整范围为0. 15 0. 25%，即煤粉分散剂原液占最终制得的煤粉分散剂活性水压裂液
的总质量的O. 15 0.25%。 F :方法B中所述氯化钾溶液中氯化钾的质量占最终制得的煤粉分散剂活性水压 裂液的总质量的1.0 1.5% ;方法C所述防膨剂溶液中防膨剂的质量占最终制得的煤粉 分散剂活性水压裂液的总质量的0. 4 1. 0%。 本发明所述的非离子表面活性剂优选为辛基苯酚聚氧乙烯醚，进一步优选为辛基 苯酚聚氧乙烯(10)醚(简称0P-10);所述的有机铵盐优选为12-烷基-3_甲基氯化铵； 所述的醇优选为乙醇、丙醇、丁醇或戊醇；所述醚优选为乙醚、丙醚、丁醚或戊醚；所述的防 膨剂是油气田开发中常用的化工料，也被称作粘土稳定剂，为季铵盐与氯化钾、氯化铵复配 的混合物，防膨剂中季铵盐、氯化钾、氯化铵的含量与使用地层中粘土矿物的含量和类型有 关，防膨剂的主要成分为季铵盐，占防膨剂总质量的80 90% 。 本发明所选的12-烷基-3_甲基氯化铵能够很容易地吸附于煤粉颗粒表面，使煤 粉颗粒呈正电性，从而使煤粉颗粒互相排斥，不易聚集成团；辛基苯酚聚氧乙烯(10)醚(简 称0P-10)为非离子表面活性剂，其本身不带电荷，可以使带正电的煤粉颗粒与水分子相结 合，从而使煤粉颗粒在水中快速沉降。 经过室内大量实验，生产和现场试验了煤粉分散剂活性水压裂液，本发明具有如 下优点 煤粉分散剂可以有效地分散煤粉，避免压裂施工过程中煤粉聚集，堵塞压裂流体 通道，造成端部脱砂的产生，影响压裂施工的成败。同时还能在后期排采过程中，将产生的 煤粉随着排出液携带出底层，减少煤层气井排采过程中的检泵次数。
图la是表示煤粉在1. 5%氯化钾溶液中的分布状态的图。 图lb是表示煤粉在煤粉分散剂溶液中的分布状态的图。 图2是煤粉沉降时间随压裂液中煤粉分散剂浓度变化的曲线图。
具体实施例方式
下述浓度均为质量百分比，比例为质量比。
实施例1 将辛基苯酚聚氧乙烯(10)醚(简称0 -10)、12-烷基-3_甲基氯化铵、乙醇按 2:1: 7的比例(质量比)混合均匀，配制成澄清透明的煤粉分散剂原液。将煤粉分散剂原液按0. 15质量份、氯化钾按1. 0 1. 5质量份，加入到98. 85 98. 35质量份的水中，混
合均匀，形成澄清透明的煤粉分散剂活性水压裂液，煤粉分散剂原液占最终制得的压裂液
的总质量的0. 15%，氯化钾占最终制得的压裂液的总质量的1. 0 1. 5%。所配得的压裂
液可应用在粉煤含量不高的煤层气井压裂中，压裂时作为前置液或携砂液单独使用，也可
全程使用，按照前置液、携砂液、顶替液的顺序注入。 实施例2 将辛基苯酚聚氧乙烯(10)醚(简称0 -10)、12-烷基-3_甲基氯化铵、乙醚按2:1: 7的比例(质量比)混合均匀，配制成澄清透明的煤粉分散剂原液。将煤粉分散剂原液按0. 15质量份、氯化钾按1. 0 1. 5质量份，加入到98. 85 98. 35质量份的水中，混合均匀，形成澄清透明的煤粉分散剂活性水压裂液，煤粉分散剂原液占最终制得的压裂液的总质量的0. 15%，氯化钾占最终制得的压裂液的总质量的1. 0 1. 5%。所配得的压裂液可应用在粉煤含量不高的煤层气井压裂中，压裂时作为前置液或携砂液单独使用，也可全程使用，按照前置液、携砂液、顶替液的顺序注入。
实施例3 对于粉煤含量较高的煤层气井压裂，可以将实施例1或实施例2的压裂液中煤粉分散剂原液的用量由0. 15质量份增大至0. 20质量份，同时在压裂液中的使用的水量适应性减少，氯化钾用量不变，即在压裂液中煤粉分散剂原液由占压裂液总质量的O. 15%增大至O. 20%，效果会更好；如果储层中粉煤的含量很高，还可将实施例1压裂液中煤粉分散剂原液的用量增大至0. 25质量份，同时在压裂液中的使用的水量适应性减少，氯化钾用量不变，即在压裂液中煤粉分散剂原液增大至由占压裂液总质量的0. 25% 。使用方法同实施例1。 实施例4 将按实施例1或实施例2制备的煤粉分散剂原液按0. 15的质量份、防膨剂(防膨剂的主要成分为季铵盐，占防膨剂总质量的80 90% )按0. 4 1. 0的质量份，加入到99. 45 98. 85质量份的水中，混合均匀，形成澄清透明的煤粉分散剂活性水压裂液，煤粉分散剂原液占最终制得的压裂液的总质量的0. 15%，防膨剂占最终制得的压裂液的总质量的O. 4 1. 0%。所配得的压裂液可应用在粉煤含量不高、储层水敏性较强的煤层气井压裂中，压裂时既可作为前置液或携砂液单独使用，也可在压裂中全程使用，按照前置液、携砂液、顶替液的顺序注入。
实施例5 对于粉煤含量较高、储层水敏性较强的煤层气井压裂，可以将实施例3压裂液中煤粉分散剂原液的用量由0. 15质量份增大至0. 20质量份，同时在压裂液中的使用的水量适应性减少，氯化钾用量不变，即在压裂液中煤粉分散剂原液由占压裂液总质量的O. 15%增大至O. 20%，效果更好；如果储层中粉煤的含量很高，还可将实施例3压裂液中煤粉分散剂原液的用量增大至0. 25质量份，同时在压裂液中的使用的水量适应性减少，氯化钾用量不变，即在压裂液中煤粉分散剂原液增大至由占压裂液总质量的0.25%。使用方法同实施例3。 事实上，实施例1-5中不必先制得煤粉分散剂原液，然后再制得活性水压裂液。而是可以直接将辛基苯酚聚氧乙烯(10)醚、12-烷基-3_甲基氯化铵、乙醇、氯化钾加入到水中，混合均匀，直接形成澄清透明的煤粉分散剂活性水压裂液，最终效果相同。 经过实验证明，使用其他辛基苯酚聚氧乙烯醚，和/或将乙醇改为丙醇、丁醇或戊
醇都可达到类似的效果。 煤粉分散剂能够使压裂所产生的煤粉以悬浮微粒的形态均匀分散于压裂液中，避免煤粉成团堵塞裂缝孔道，从而降低、平稳施工压裂压力。 在煤层气井压裂试验中，施工压裂平稳，排液初期返排液中携带有大量煤粉，各井压后排液时均见气，点火燃烧，压裂效果明显。 另外，本发明不限于前面叙述的实施例，可以在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种变形实施。
权利要求
一种煤层气井压裂用煤粉分散剂，其特征在于该煤粉分散剂包含以下组分(1)非离子表面活性剂，(2)有机铵盐，(3)醇，其中，所述非离子表面活性剂为辛基苯酚聚氧乙烯醚，所述有机铵盐为12-烷基-3-甲基氯化铵，所述醇为乙醇、丙醇、丁醇或戊醇，非离子表面活性剂、有机铵盐、醇的质量比为2∶1∶7。
2. 根据权利要求1所述的煤粉分散剂，其特征在于 醇可以用醚取代，所述醚为乙醚、丙醚、丁醚或戊醚。
3. 根据权利要求1或2所述的煤粉分散剂，其特征在于所述非离子表面活性剂优选为辛基苯酚聚氧乙烯(10)醚。
4. 一种制备如权利要求1至3任一项所述的煤粉分散剂的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤(1) 将非离子表面活性剂、有机铵盐、醇按2 : i : 7的质量比称取；(2) 将步骤(1)中所称取的非离子表面活性剂、有机铵盐加入到醇中，混合均匀形成澄 清透明的溶液，即煤粉分散剂；其中，所述非离子表面活性剂为辛基苯酚聚氧乙烯醚，所述有机铵盐为12-烷基-3-甲 基氯化铵，所述醇为乙醇、丙醇、丁醇或戊醇。
5. 根据权利要求4所述的制备煤粉分散剂的方法，其特征在于 醇可以用醚取代，所述醚为乙醚、丙醚、丁醚或戊醚。
6. 根据权利要求4或5所述的制备煤粉分散剂的方法，其特征在于所述非离子表面 活性剂为辛基苯酚聚氧乙烯(10)醚。
7. —种包含如权利要求1至3任一项所述的煤粉分散剂的活性水压裂液，其特征在于该活性水压裂液包含以下组分(1)如权利要求1至3任一项所述的煤粉分散剂，(2)氯化钾溶液或防膨剂溶液，其中，所述煤粉分散剂占该压裂液的总质量的0. 15 0. 25质 量％，所述氯化钾溶液中氯化钾的质量占该压裂液总质量的1. 0 1. 5质量％，所述防膨剂 溶液中防膨剂的质量占该压裂液总质量的0. 4 1. 0质量％。
8. 根据权利要求7所述的活性水压裂液，其特征在于 煤粉分散剂占该压裂液的总质量的0. 2质量％。
9. 根据权利要求7或8所述的活性水压裂液，其特征在于所述防膨剂为季铵盐与氯化钾、氯化铵复配的混合物，季铵盐占防膨剂总质量的80 90质量％。
10. —种制备如权利要求7至9任一项所述的活性水压裂液的方法，其特征在于 所述方法包括如下步骤(1) 将非离子表面活性剂、有机铵盐、醇按2 : i : 7的质量比称取；(2) 将步骤(1)中所称取的非离子表面活性剂、有机铵盐、醇混合均匀形成澄清透明的 溶液，即煤粉分散剂；(3) 将步骤(2)所得的煤粉分散剂加入到氯化钾溶液或防膨剂溶液中，配得活性水压 裂液；其中，所述非离子表面活性剂为辛基苯酚聚氧乙烯醚，所述有机铵盐为12-烷基-3_甲 基氯化铵，所述醇为乙醇、丙醇、丁醇或戊醇，所述煤粉分散剂占该压裂液的总质量的[0. 15 0. 25质量％，所述氯化钾溶液中氯化钾的质量占该压裂液总质量的1. 0 1. 5质量％，所述防膨剂溶液中防膨剂的质量占该压裂液总质量的0. 4 1. 0质量％。
11. 根据权利要求10所述的制备活性水压裂液的方法，其特征在于醇可以用醚取代，所述醚为乙醚、丙醚、丁醚或戊醚。
12. 根据权利要求10或11所述的制备活性水压裂液的方法，其特征在于所述非离子表面活性剂为辛基苯酚聚氧乙烯(10)醚。
13. 根据权利要求10至12任一项所述的制备活性水压裂液的方法，其特征在于煤粉分散剂占该压裂液的总质量的0. 2质量％。
14. 根据权利要求10至13任一项所述的制备活性水压裂液的方法，其特征在于所述防膨剂为季铵盐与氯化钾、氯化铵复配的混合物，季铵盐占防膨剂总质量的80 90质量％。
15. 根据权利要求10至14任一项所述的制备活性水压裂液的方法，其特征在于将所述步骤(2)和(3)合并为一个步骤，即步骤(2)'，所述步骤(2)'为将步骤(1)中所称取的非离子表面活性剂、有机铵盐、醇加入到氯化钾溶液或防膨剂溶液中，混合均匀形成活性水压裂液。
全文摘要
本发明提供一种煤层气井压裂用煤粉分散剂及活性水压裂液，该煤粉分散剂的特征在于该煤粉分散剂包含以下组分(1)非离子表面活性剂，(2)有机铵盐，(3)醇，其中，所述非离子表面活性剂为辛基苯酚聚氧乙烯醚，所述有机铵盐为12-烷基-3-甲基氯化铵，所述醇为乙醇、丙醇、丁醇或戊醇，非离子表面活性剂、有机铵盐、醇的质量比为2∶1∶7。能够使煤粉在压裂液中均匀分布，降低施工压力，同时将其在排液时随着压裂液排出地层，避免堵塞裂缝通道。
文档编号C09K8/60GK101693829SQ20091020852
公开日2010年4月14日 申请日期2009年10月28日 优先权日2009年10月28日
发明者刘川庆, 孙斌, 李曙光 申请人:中联煤层气国家工程研究中心有限责任公司;