本文由Cunmin Wang、Gang Zhou、Wenjing Jiang、Chenxi Niu和Yifang Xue共同撰写，发表在《Journal of Molecular Liquids》2021年第332卷上。研究团队来自山东科技大学安全与环境工程学院以及山东省与科技部共建的矿山灾害预防与控制国家重点实验室。该研究旨在开发一种用于煤层注水的清洁压裂液，以提高煤层注水效率，减少煤矿开采过程中煤尘的产生，并预防煤矿事故的发生。

研究背景

中国是一个能源大国，煤炭在社会经济发展中占据重要地位。然而，随着煤矿开采机械化水平的提高，煤矿事故频发，尤其是煤尘、瓦斯突出和地压冲击等问题。煤层注水压裂技术可以通过在煤层中形成裂缝，增加煤层的孔隙度，从而减少煤尘的产生并预防事故。然而，传统的注水压裂液存在粘度低、润湿性差等问题，导致注水效果不佳。因此，开发一种高效、清洁的压裂液成为研究的重点。

研究目标

本研究旨在合成一种基于双酰胺基阳离子表面活性剂的清洁压裂液，并通过实验验证其性能，包括剪切稳定性、滤失性、破胶性能和润湿性等，以期为煤层注水压裂提供科学依据。

实验流程

研究分为以下几个步骤：

1. 材料准备：使用芥酸（erucic acid）、N,N-二甲基-1,3-丙二胺（N,N-dimethyl-1,3-propanediamine）和环氧氯丙烷（epichlorohydrin）作为原料，在酸性条件下合成双酰胺基阳离子表面活性剂（Gemini-AH），并与KCl溶液混合制备清洁压裂液。

2. 表面活性剂合成：

   • 芥酸酰胺丙基二甲胺（SX-PKO-E）的制备：将芥酸与N,N-二甲基-1,3-丙二胺在85°C下反应4-6小时，生成黄色油状液体。
   • Gemini-AH的制备：以SX-PKO-E和HCl为主要原料，环氧氯丙烷为连接剂，通过两步法合成Gemini-AH。

3. 压裂液制备：将Gemini-AH溶解在去离子水中，加入KCl溶液，制备不同浓度的压裂液。

4. 压裂液表征实验：

   • 傅里叶变换红外光谱（FTIR）实验：分析产品的官能团变化，确认Gemini-AH的合成。
   • 扫描电子显微镜（SEM）实验：观察Gemini-AH和压裂液的微观结构变化。

5. 压裂液性能测试：

   • 剪切粘度实验：测试不同浓度Gemini-AH和KCl溶液的剪切粘度，确定最佳配比。
   • 流变性实验：通过变剪切实验分析压裂液的流变特性。
   • 滤失实验：测试压裂液的滤失性能，评估其对煤层的渗透性影响。
   • 破胶实验：通过稀释和添加烃类物质（如汽油和润滑油）两种策略进行破胶实验，评估破胶效果。
   • 润湿性实验：通过接触角测试分析破胶液对煤层的润湿性增强效果。
   • 清洁性实验：测试破胶液的残留物含量及其与地层水的相容性。

主要结果

1. 压裂液表征：FTIR和SEM实验表明，Gemini-AH成功合成了具有亲水和疏水基团的表面活性剂，且加入KCl后形成了稳定的网状胶束结构。

2. 剪切粘度：当Gemini-AH浓度为3%、KCl浓度为2%时，压裂液的剪切粘度达到300 mPa·s，表现出良好的剪切稳定性。

3. 流变性：压裂液为非牛顿流体，表现出剪切稀化特性，有利于压裂液在注水过程中的流动和渗透。

4. 滤失性：压裂液的滤失系数为1.24×10⁻³ m/min¹/²，初始滤失量为0.048 m³/m²，符合清洁压裂液的标准。

5. 破胶性能：通过稀释和添加烃类物质的策略，压裂液能够完全破胶，且残留物含量低于100 mg/l，符合清洁压裂液的要求。

6. 润湿性：破胶液显著提高了煤层的润湿性，接触角明显减小，有利于水在煤层中的扩散。

7. 清洁性：破胶液与地层水具有良好的相容性，不会产生沉淀或絮状物，不会堵塞煤层孔隙。

结论

本研究成功合成了一种基于Gemini-AH的清洁压裂液，适用于煤层注水压裂。该压裂液具有高粘度、良好的剪切稳定性、低滤失性和优异的破胶性能，且破胶后能够显著提高煤层的润湿性。研究结果为清洁压裂液在煤层注水中的应用提供了科学依据。

研究亮点

1. 创新性：首次合成了基于双酰胺基阳离子表面活性剂的清洁压裂液，具有低浓度下形成高粘度溶液的特性。
2. 应用价值：该压裂液能够有效提高煤层注水效率，减少煤尘产生，预防煤矿事故，具有重要的工业应用前景。
3. 环保性：压裂液破胶后残留物少，与地层水相容性好，符合清洁压裂液的标准，减少了环境污染。

资助声明

本研究得到了国家自然科学基金、山东省高校优秀青年基金、山东省高校青创科技项目、青岛市科技项目、泰山学者项目和国家重点研发计划的支持。