清潔壓裂液研究的應用與發展

高詩惠

（西安石油大學，陜西西安 710065）

專論與綜述

清潔壓裂液研究的應用與發展

高詩惠

（西安石油大學，陜西西安 710065）

基于傳統聚合物壓裂液上提出的黏彈性表面活性劑（VES）壓裂液（又名清潔壓裂液）中可形成球形膠束，進而演變成具有高黏彈性的空間網狀結構，從而實現對支撐劑的有效攜帶。清潔壓裂液無殘余物，不會堵塞地層裂縫，返排性能強，提高了裂縫的導流能力，降低了對地層的損害和污染，增產效果顯著。本文首先綜述了清潔壓裂液的概況及其三種基本機理，其次對國內外的研究現狀進行了簡述，最后從目前的發展狀況出發提出了幾點清潔壓裂液的發展趨勢。

清潔壓裂液；黏彈性表面活性劑；機理；發展現狀

水力壓裂經過多年的發展在增產增注方面發揮重要的作用，其中近年來普遍使用的水基凍膠壓裂液流變性強，成本低。水基凍膠壓裂液首選胍膠類聚合物進行稠化，但其溶解分散能力差，利用率低。同時未徹底破膠和不溶于水物質含量高，導致地層滲透率降低，壓裂效果降低，形成二次傷害和污染。

20世紀末成功開發了清潔壓裂液，主要成分為黏彈性表面活性劑（VES），其分子尺寸是胍膠的1/5 000[1]。清潔壓裂液黏度大、零殘渣、摩阻低、易破膠、流變和攜砂性能強、返排效果好。壓裂施工過程中添加劑種類減少、配制工藝簡化、作業難度降低，施工后保持較高的裂縫導流能力與較低的地層傷害度，顯著提高采收率。清潔壓裂液應用前景良好，受到全世界的廣泛關注[2]。

1 清潔壓裂液的作用機理

黏彈性表面活性劑的主要類型為長鏈脂肪酸衍生物季銨鹽表面活性劑。當高于臨界膠束濃度時，形成棒狀膠束，進一步增加濃度，膠束之間彼此纏繞形成空間網絡結構，此時溶液性質改變，可有效攜帶支撐劑。當與烴類接觸或被水沖洗時發生解離，黏彈性急劇下降，無需破膠劑就可被返排至地面。

1.1 成膠機理

黏彈性表面活性劑分子中含有親水基和疏水基，分子鏈上有正負電荷。在純水中，親水基伸入水相，長鏈疏水端遠離，形成長鏈疏水基包裹的低黏度球形膠束。加入鹽或反離子表面活性劑等對膠束和水之間的電荷進行屏蔽，占有空間變小，膠束間通過范德華力和弱化學鍵的作用互相纏繞，轉變為柔性棒狀膠束。隨著濃度不斷增加，在疏水基作用下膠束之間自動進行糾纏，形成空間網絡結構[3]。

1.2 抗剪切機理

胍膠壓裂液等抗剪切能力弱，分子鏈一旦斷開，永久喪失黏度。清潔壓裂液的形成機理不同，其黏彈性來自于膠束相互糾纏形成的空間網絡結構，抗剪切能力強，黏度保持穩定，高度剪切后能夠恢復[4]。

1.3 破膠機理

鹽溶液中清潔壓裂液的流動性很低，而在含碳氫化合物和其他疏水物質的溶液中卻很高。上述物質與膠束接觸后，棒狀膠束在變化的帶電環境中膨脹破裂成球狀膠束，空間網絡結構解體，黏彈性劇烈下降，同清水一般與產出液一起被返排回地面，在裂縫內部和井壁等處無殘渣。此外，地層水也會稀釋清潔壓裂液，使其黏彈性有所下降[5]。

2 清潔壓裂液的研究現狀

自20世紀90年代末斯倫貝謝公司成功研發了清潔壓裂液，此后便掀起了研究熱潮。近年來逐漸開發了高溫井和低滲透層，開發難度和力度增加，傳統的清潔壓裂液出現了局限，需進一步提出新的開發方案。斯倫貝謝公司為有效提升黏彈性表面活性劑的各種抗性，開發了兩性離子表面活性劑、助表面活性劑和鹽組成的復合體系。此外還開發了一款適用溫度為90℃～135℃，已成功應用于國外油田，主劑為VES HT的清潔壓裂液。除斯倫貝謝公司外，BJ Services公司相繼開發了耐高溫的ElastraFrac和AquaClear壓裂液，耐溫可達121℃。Daniel Patrick Vollmer等開發了一種由兩性表面活性劑卵磷脂、有機酸和非水性溶劑組成的體系，對pH敏感，抗溫可達150℃。Robert T Whalen等[6]開發了一種抗溫可達150℃，與有機醇混合，包含親水型表面活性劑、非離子和陰離子中的一種或幾種復合的清潔壓裂液體系。

國內在清潔壓裂液研究方面起步較晚。其中江波等[7]研究出短時間可抗150℃的耐溫清潔壓裂液SCF，是添加季銨型表面活性劑、無機和有機陰離子所得黏彈體溶于水形成的。賈振福、鐘靜霞等[8]合成出一種新型雙季銨鹽表面活性劑壓裂液Gemini-OHAB，可抗溫達125℃。劉剛芝等[9]研究了海水基壓裂液體系，該體系充分利用海水資源，對高礦化度的承受能力強，耐溫達到120℃。

低成本、高效、低傷害是研究的主題?，F階段國內外主要方向是研究兩性及復合型清潔壓裂液，相比于單一陽離子或陰離子的清潔壓裂液，此類壓裂液的破膠、抗溫抗壓抗剪性能更好，成本更低。目前國內研究雖多，但在實際應用方面遠沒有國外廣泛，因此需參照國外經驗并結合國內油氣藏特點，開發出適用于不同儲層條件的清潔壓裂液，加強研究和推廣應用。

3 清潔壓裂液的發展趨勢

清潔壓裂液是一種高性能、低傷害、增產效果顯著、應用前景廣闊的壓裂體系，為解決當前面臨的多種問題提供了新的思路。目前油田開發需進一步研究清潔壓裂液有關經濟環保高效的方面，并擴大其應用范圍，緩解國家的石油供需矛盾。針對室內和現場現有的問題，清潔壓裂液應從以下幾點進行開發:

（1）加大對耐高溫清潔壓裂液的研究力度。深入研究多種類型體系的復配效果，彌補單一壓裂液體系的不足。國內研究主要在中低溫層次，在耐高溫方面的研究和應用還處在起步階段，成功應用少，應當結合國內油氣藏的地質條件對國外的先進技術進行吸收消化，進行針對性開發。

（2）降低清潔壓裂液的成本。清潔壓裂液成本顯著高于常規壓裂液。溫度越高，VES加量越大，成本越高。

（3）清潔壓裂液體系在壓裂過程中無濾餅形成，濾失量大，地層傷害程度增加，使用效率低。可利用疏水改性締合物與黏彈性表面活性劑兩者的協同作用降低濾失量，也可以采用例如微納米和纖維技術進行改善[10]。

（4）返排液中含有大量陽離子型表面活性劑，其相對分子質量小，難以降解，現場處理困難，一定程度上污染環境，故應研究清潔壓裂液的循環利用工藝。

［1］陳馥，王安培，李鳳霞，等.國外清潔壓裂液的研究進展［J］.西南石油學院學報，2002，24（5）:65-67.

［2］胡良培，黃瑋，叢玉鳳，等.清潔壓裂液的研究現狀及發展趨勢［J］.當代化工，2014，43（8）:1507-1510.

［3］馬中國，楊兆中，羅鑫林，等.清潔壓裂液的研究與應用［J］.重慶科技學院學報（自然科學版），2009，（1）:44-47.

［4］王均，何興貴，張朝舉，等.清潔壓裂液技術研究與應用［J］.中外能源，2009，（5）:51-56.

［5］雷躍雨，王世彬，郭建春，等.清潔壓裂液研究進展［J］.國外油田工程，2010，（11）:25-27+55.

［6］黃嶸，唐善法，方飛飛，等.中高溫清潔壓裂液研究及應用進展［J］.化工生產與技術，2012，（3）:28-32+70-71.

［7］江波，張燈，李東平，等.耐溫VES壓裂液SCF的性能［J］.油田化學，2003，（4）:332-334.

［8］賈振福，鐘靜霞，牛紅彬，等.新型清潔壓裂液的實驗室合成［J］.鉆井液與完井液，2006，（6）:42-43+46+84-85.

［9］劉剛芝，王杏尊，鮑文輝，等.一種海水基壓裂液體系的研究［J］.鉆井液與完井液，2013，（3）:73-75+97.

［10］嚴志虎，戴彩麗，趙明偉，等.清潔壓裂液的研究與應用進展［J］.油田化學，2015，（1）:141-145+50.

Application and development of cleaning fracturing fluid research

GAO Shihui
（Xi＇an Shiyou University，Xi＇an Shanxi 710065，China）

Basing on the traditional polymer fracturing fluid,the viscoelastic surfactant（VES）fracturing fluid（also known as clean fracturing fluid）was put forward.This clean fracturing fluid can form spherical micelles,and then evolve into a highly viscous spatial network structure,thus to achieve the effective support of the proppants.Clean fracturing fluid with high flowback capacity has no residue to block the formation of cracks,which can improve the fracture conductivity,reduce the damage to the formation pollution and increase the productivity significantly.In this paper,the general situation of clean fracturing fluid and its three basic mechanisms are firstly reviewed.Secondly,the present researching situations at home and abroad are briefly introduced.Finally,the several developmental trends of clean fracturing fluid are put forward from the present developmental situations.

cleaning fracturing fluid；viscoelastic surfactant；mechanism；developmental situations

TE357.12

A

1673-5285（2017）04-0001-03

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.04.001

2017－02-27

高詩惠，女（1993-），西安石油大學在讀研究生，現從事提高采收率方面的研究工作。