清洁压裂液研究的应用与发展

高诗惠

（西安石油大学，陕西西安 710065）

专论与综述

清洁压裂液研究的应用与发展

高诗惠

（西安石油大学，陕西西安 710065）

基于传统聚合物压裂液上提出的黏弹性表面活性剂（VES）压裂液（又名清洁压裂液）中可形成球形胶束，进而演变成具有高黏弹性的空间网状结构，从而实现对支撑剂的有效携带。清洁压裂液无残余物，不会堵塞地层裂缝，返排性能强，提高了裂缝的导流能力，降低了对地层的损害和污染，增产效果显著。本文首先综述了清洁压裂液的概况及其三种基本机理，其次对国内外的研究现状进行了简述，最后从目前的发展状况出发提出了几点清洁压裂液的发展趋势。

清洁压裂液；黏弹性表面活性剂；机理；发展现状

水力压裂经过多年的发展在增产增注方面发挥重要的作用，其中近年来普遍使用的水基冻胶压裂液流变性强，成本低。水基冻胶压裂液首选胍胶类聚合物进行稠化，但其溶解分散能力差，利用率低。同时未彻底破胶和不溶于水物质含量高，导致地层渗透率降低，压裂效果降低，形成二次伤害和污染。

20世纪末成功开发了清洁压裂液，主要成分为黏弹性表面活性剂（VES），其分子尺寸是胍胶的1/5 000[1]。清洁压裂液黏度大、零残渣、摩阻低、易破胶、流变和携砂性能强、返排效果好。压裂施工过程中添加剂种类减少、配制工艺简化、作业难度降低，施工后保持较高的裂缝导流能力与较低的地层伤害度，显著提高采收率。清洁压裂液应用前景良好，受到全世界的广泛关注[2]。

1 清洁压裂液的作用机理

黏弹性表面活性剂的主要类型为长链脂肪酸衍生物季铵盐表面活性剂。当高于临界胶束浓度时，形成棒状胶束，进一步增加浓度，胶束之间彼此缠绕形成空间网络结构，此时溶液性质改变，可有效携带支撑剂。当与烃类接触或被水冲洗时发生解离，黏弹性急剧下降，无需破胶剂就可被返排至地面。

1.1 成胶机理

黏弹性表面活性剂分子中含有亲水基和疏水基，分子链上有正负电荷。在纯水中，亲水基伸入水相，长链疏水端远离，形成长链疏水基包裹的低黏度球形胶束。加入盐或反离子表面活性剂等对胶束和水之间的电荷进行屏蔽，占有空间变小，胶束间通过范德华力和弱化学键的作用互相缠绕，转变为柔性棒状胶束。随着浓度不断增加，在疏水基作用下胶束之间自动进行纠缠，形成空间网络结构[3]。

1.2 抗剪切机理

胍胶压裂液等抗剪切能力弱，分子链一旦断开，永久丧失黏度。清洁压裂液的形成机理不同，其黏弹性来自于胶束相互纠缠形成的空间网络结构，抗剪切能力强，黏度保持稳定，高度剪切后能够恢复[4]。

1.3 破胶机理

盐溶液中清洁压裂液的流动性很低，而在含碳氢化合物和其他疏水物质的溶液中却很高。上述物质与胶束接触后，棒状胶束在变化的带电环境中膨胀破裂成球状胶束，空间网络结构解体，黏弹性剧烈下降，同清水一般与产出液一起被返排回地面，在裂缝内部和井壁等处无残渣。此外，地层水也会稀释清洁压裂液，使其黏弹性有所下降[5]。

2 清洁压裂液的研究现状

自20世纪90年代末斯伦贝谢公司成功研发了清洁压裂液，此后便掀起了研究热潮。近年来逐渐开发了高温井和低渗透层，开发难度和力度增加，传统的清洁压裂液出现了局限，需进一步提出新的开发方案。斯伦贝谢公司为有效提升黏弹性表面活性剂的各种抗性，开发了两性离子表面活性剂、助表面活性剂和盐组成的复合体系。此外还开发了一款适用温度为90℃～135℃，已成功应用于国外油田，主剂为VES HT的清洁压裂液。除斯伦贝谢公司外，BJ Services公司相继开发了耐高温的ElastraFrac和AquaClear压裂液，耐温可达121℃。Daniel Patrick Vollmer等开发了一种由两性表面活性剂卵磷脂、有机酸和非水性溶剂组成的体系，对pH敏感，抗温可达150℃。Robert T Whalen等[6]开发了一种抗温可达150℃，与有机醇混合，包含亲水型表面活性剂、非离子和阴离子中的一种或几种复合的清洁压裂液体系。

国内在清洁压裂液研究方面起步较晚。其中江波等[7]研究出短时间可抗150℃的耐温清洁压裂液SCF，是添加季铵型表面活性剂、无机和有机阴离子所得黏弹体溶于水形成的。贾振福、钟静霞等[8]合成出一种新型双季铵盐表面活性剂压裂液Gemini-OHAB，可抗温达125℃。刘刚芝等[9]研究了海水基压裂液体系，该体系充分利用海水资源，对高矿化度的承受能力强，耐温达到120℃。

低成本、高效、低伤害是研究的主题。现阶段国内外主要方向是研究两性及复合型清洁压裂液，相比于单一阳离子或阴离子的清洁压裂液，此类压裂液的破胶、抗温抗压抗剪性能更好，成本更低。目前国内研究虽多，但在实际应用方面远没有国外广泛，因此需参照国外经验并结合国内油气藏特点，开发出适用于不同储层条件的清洁压裂液，加强研究和推广应用。

3 清洁压裂液的发展趋势

清洁压裂液是一种高性能、低伤害、增产效果显著、应用前景广阔的压裂体系，为解决当前面临的多种问题提供了新的思路。目前油田开发需进一步研究清洁压裂液有关经济环保高效的方面，并扩大其应用范围，缓解国家的石油供需矛盾。针对室内和现场现有的问题，清洁压裂液应从以下几点进行开发:

（1）加大对耐高温清洁压裂液的研究力度。深入研究多种类型体系的复配效果，弥补单一压裂液体系的不足。国内研究主要在中低温层次，在耐高温方面的研究和应用还处在起步阶段，成功应用少，应当结合国内油气藏的地质条件对国外的先进技术进行吸收消化，进行针对性开发。

（2）降低清洁压裂液的成本。清洁压裂液成本显著高于常规压裂液。温度越高，VES加量越大，成本越高。

（3）清洁压裂液体系在压裂过程中无滤饼形成，滤失量大，地层伤害程度增加，使用效率低。可利用疏水改性缔合物与黏弹性表面活性剂两者的协同作用降低滤失量，也可以采用例如微纳米和纤维技术进行改善[10]。

（4）返排液中含有大量阳离子型表面活性剂，其相对分子质量小，难以降解，现场处理困难，一定程度上污染环境，故应研究清洁压裂液的循环利用工艺。

［1］陈馥，王安培，李凤霞，等.国外清洁压裂液的研究进展［J］.西南石油学院学报，2002，24（5）:65-67.

［2］胡良培，黄玮，丛玉凤，等.清洁压裂液的研究现状及发展趋势［J］.当代化工，2014，43（8）:1507-1510.

［3］马中国，杨兆中，罗鑫林，等.清洁压裂液的研究与应用［J］.重庆科技学院学报（自然科学版），2009，（1）:44-47.

［4］王均，何兴贵，张朝举，等.清洁压裂液技术研究与应用［J］.中外能源，2009，（5）:51-56.

［5］雷跃雨，王世彬，郭建春，等.清洁压裂液研究进展［J］.国外油田工程，2010，（11）:25-27+55.

［6］黄嵘，唐善法，方飞飞，等.中高温清洁压裂液研究及应用进展［J］.化工生产与技术，2012，（3）:28-32+70-71.

［7］江波，张灯，李东平，等.耐温VES压裂液SCF的性能［J］.油田化学，2003，（4）:332-334.

［8］贾振福，钟静霞，牛红彬，等.新型清洁压裂液的实验室合成［J］.钻井液与完井液，2006，（6）:42-43+46+84-85.

［9］刘刚芝，王杏尊，鲍文辉，等.一种海水基压裂液体系的研究［J］.钻井液与完井液，2013，（3）:73-75+97.

［10］严志虎，戴彩丽，赵明伟，等.清洁压裂液的研究与应用进展［J］.油田化学，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

高诗惠，女（1993-），西安石油大学在读研究生，现从事提高采收率方面的研究工作。