黏弹性表面活性剂基压裂液的研究与分析

叶达峰，郑凯瑾，夏益初

（浙江绿科安化学有限公司，浙江绍兴 312300）

黏弹性表面活性剂基新型压裂液，也被称为VES新型压裂液，作为环保型压裂液在我国油田生产的使用取得了不错的效果，不仅对贮气层无污染，也可以增强充填层导流功能。随着近些年我国压裂工艺技术的发展，不仅有水力压裂、酸化压裂，同样还有高能气体压裂等。针对高能气体压裂，不仅施工方法非常简单，生产成本低下，对环境的污染也非常小。所以在上述条件，使用清洁、低伤害的压裂液是当今改进压裂技术的必然措施。本文阐述了黏弹性表面活性剂基新型压裂液的系统构造、主要特性，以及压裂原理等。这种压裂液集剪切安全性、零破损度、高自动破胶性和低滤失性于一身，在油田具备很宽广的应用发展前景。尤其是纳米技术的应用，更加优化了VES新型压裂液系统，使该新型压裂液系统更适合于干气气藏。同时本文也阐述了VES新型压裂液系统在国内的研究进展，并指出了其应用的优势以及存在的缺点。

1 压裂液的相关性能

压裂液的性能相对来说比较丰富，不仅能够耐高温，同时也具有破胶性能、悬砂性能，下面就对这些性能进行具体的介绍[1]。

1.1 耐温性能

因为土壤岩层具有着特定的地温梯度，所以从整体上来看，土壤岩层越深温度越高。而高温也是降低新型压裂液黏性的一个因素。为了提高压裂效率，也需要保证新型压裂液的黏性不会因为气温的提高而大幅度降低，它就必须具有耐高温和热稳定性。如果随着气温的上升，新型压裂液黏度就会大幅度降低，那么其他因素包括悬砂能力、破胶能力等有关的新型压裂液的使用效果也会受到直接的影响。所以需要根据现场不同的地层温度，在水力压裂工艺过程中选用更适宜于耐温性能的新型压裂液系统[2]。

1.2 破胶性能

清洁新型压裂液的破胶，是指清洁压裂液在压裂施工过程中，其黏性明显降低到正常地层水的黏度的一个过程。清洁新型压裂液主要通过以下方法实现破胶，清洁新型压裂液能够通过与土壤地层中的亲油性有机质进行相互作用，促进其水解，从而使得黏性降低，最终实现破胶。在这个过程中，由于受土壤中地层水分的稀释影响，黏性下降实现破胶效应。与传统新型压裂液一样，洁净新型压裂液不需要破胶剂也可以破胶。而洁净新型压裂液则因为其特殊的化学性能，与水分和油性物料接触后均可取得破胶效应。为研究洁净新型压裂液的破胶特性，研究者使用煤油和水对洁净新型压裂液进行了分析。①进行如下操作：在50mL量筒中，混合并清洗压裂液体系。其次，将混合好的新压裂液，依次与煤油以1∶1的配比混合均匀后注入流变仪中，在水温为90℃时，测定溶液黏度随时间的变化。③在新压裂液与清水破胶时，试验操作。④探究试验结果。通过试验结果发现，压裂液在5min内都可以实现完全破胶，煤油对清洁新型压裂液的破胶效果良好。所以在现场使用清洁新型压裂液时，只需加入清水，就可以实现新压裂液的破胶功效[3]。

1.3 悬砂性能

新型压裂液的悬砂能力，是指新型压裂液能使支撑物漂浮在水中而不坠落的能力。新型压裂液黏度的多少决定了悬砂能力的大小。只有新型压裂液具备了相应的黏性，才能确保支持剂漂浮在新型压裂液中，如此新型压裂液方可把支持剂送到目的层位。所以，新型压裂液的悬砂特性的优劣直观影响着压裂的好坏。为测试悬砂能力，设定如下实验步骤。①根据配方比选择洁净的新型压裂液为100mL，然后将新型压裂液置于玻璃容器中，并测量100mL新型压裂液的高度约为18cm。②调整恒压水浴锅温度，等待水浴锅水温为30℃时，将装满了洁净新型压裂液的玻璃容器投放于水浴锅内。③夹取三枚形状相似的陶粒，轻放在清洁新型压裂液表面上，用秒表记下当陶粒下降至量筒底部时所用的时间。如此重复，实验次数不少于3次，并取所记录时间的平均数为陶粒下降时刻。④探究实验结果，可通过陶粒在新型压裂液中的平均沉降时间，来探究新型压裂液的携砂性质，因为新型压裂液具有一定黏性，而玻璃容器的直径也不大，就可以近似认为，支撑剂粒子在新型压裂液中以匀速移行。根据上述试验也可得出，在各种工作温度下，该新型压裂液具有携砂性质[4]。

2 表面活性剂压裂液机理

2.1 胶束形成机理

在表面活性剂的含量较低时，菌胶团在水溶液中生成球形、胶束呈非晶体结构；随着含量的提高，球状菌胶团会慢慢生成棒状结构；当含量增加到一定量后，由棒状结构逐步形成六角束结构；当含量更大时，又会产生层状构造。

2.2 成胶机理

随着高压裂液中表面活性剂浓度的提高，表面活性剂的总体积分数逐渐增大，胶束逐渐成长并相互缠绕。压裂液的黏度也因此迅速上升，溶剂中的反离子以及助表面活性剂的性质与含量对压裂液的成胶具有强烈的影响。反离子的存在也降低了压裂液中阳离子基团间的相互排斥力，使得胶束增长；而助表面活性剂的主要功能是促进有机阳离子进入菌胶团中，依靠阴离子和阳离子的静电引力，使表面活性剂分子排列更加紧凑，让菌胶团增加；随着室温增加，菌胶团的容积减小，菌胶团的长度随着室温升高而缩短。

2.3 破胶机理

清洁压裂液，在破胶过程中就不需要再使用破胶剂。贮层内的油、气在网状结构的清洁压裂液中，破坏菌胶团结构，网状结构变为蠕状结构又迅速变为球状结构，黏度迅速降低实现破胶。此外，随着地层水分的逐渐稀释利用，清洁压裂液中的表面活性剂含量逐渐减少，从而降低其黏度。

3 表面活性剂压裂液性能评价

3.1 黏弹性

黏弹性是评价表面活性剂性能的一个重要指标。由于其机理与常规压裂液不同，因此，其评价方法也不同，一般通过储能模量来评价黏弹性的优劣。

3.2 黏温特性

不同VES添加量对新型压裂液体黏温特性会产生一定的影响，黏弹性表面活性剂的黏度变化伴随着水温改变，且随着水温的增加，黏度先增大后逐渐降低。这是因为，水溶液中菌胶团的运动程度随着水温的改变而发生变化。当水温较低时，随着水温的增加，菌胶团的缠绕速率提高；而在水温提高到一定程度后，在这种情况下，水温继续增加，菌胶团的分离速率提高，但是黏度减小。

3.3 滤失性

由于清洁的新型压裂液中几乎不含有残渣，因此，在储层的岩石表层上没有形成滤饼，其滤失量也会根据时间的发展逐步发生相应的变化。在高渗透性贮层岩内部，其能够被降失水剂溶解。因此，该压裂液为一种低滤失压裂液体系。

4 国内外VES压裂液的研究进展

4.1 我国对VES压裂液的研究进展

弹性表面活性剂的主要种类为长链不饱和脂肪酸及其衍生物铵盐表面活性剂，一旦超过临界菌胶团含量，就会产生细棒状的菌胶团，胶束间还容易产生空隙的网络结构，因此能够携带更多的支撑剂，当它触及烃类和水之后，其黏弹力就会迅速减弱，甚至不需破胶剂就能够径直返排到地层。胍胶等新型压裂液体的耐剪切能力通常都较差，一旦分子链断裂，就会直接失去黏性。而其形成黏弹性的最主要因素就是由于菌胶团体互相缠绕而产生的空间网络结构，其耐剪切能力也更强，当进行高度切割之后，形态就能够获得迅速恢复。其次，对于破胶机理来说，清洁压裂液在盐水溶液中的流动性并不好，而在含有碳氢化合物和一些疏水性物料溶剂中的流动性却较高。

我国在清洁压裂剂的研发上起步相对较晚，但却获得了良好的成果。我国科学家研发的耐高温清洁用新型压裂液SCF，是通过加入季铵类表面活性剂、无机和有机阳离子，获得的黏弹性较强的可溶于水中的新型压裂液。当前在洁净新型压裂液的研发中，主要讲究的是廉价、高效率和少损伤性，在当前则重点聚焦于复合新型压裂液的研发，它相比于单—双阳离子或阴离子的洁净新型压裂液，有着更良好的破胶和抗温、抗剪等特性，应用成本也更低廉。综合当前的实际状况来看，目前我国在洁净剂的研发上还与国外有很大的差异，各类气藏的针对性还不算很好，因此，当前也必须针对各类贮层要求，研发出不同特性的洁净压裂液。

4.2 国外对VES压裂液的研究进展

为了使支撑物脱离井围而得到最深渗透，国外也已经开始大量应用高黏度的交联等新型压裂液。这类压裂液的大量使用，确保了高温深度压裂施工的成功率。一旦新型压裂液进入了地面交联，在实施后就可以高速流入管道中，但高速剪切后依然会导致严格的剪切降解，甚至产生永久性的黏性影响。因此，在20世纪80年代，水基压裂液一项很重要的技术进展，就是引入了延迟交联技术。它使压裂液能产生较大的井底，最终黏度，达到良好的施工效果。但是使用上述压裂液系统，也出现了一些共同的问题，那就是新型压裂液破胶不彻底，且破胶后的残渣会遗留在裂隙内。残存于裂隙中的聚合物残渣会严重减少对支撑剂填充层的渗透性，进而影响生产层，从而造成压裂效率变差。1997年，高压裂液的研究与发展获得了突破性发展。为了解决常规聚合和破胶方式的问题，美国流体专业人员与联合研究室内工程人员共同提出了将这种黏弹剂流体应用到修井作业中，其所进行的高压裂液采用了黏弹力表面活性剂而并非高分子。VES新型压裂液黏度虽然非常低，却可以很高效地传递支持剂，主要原因就是VES新型压裂液使用支持剂，主要是依赖流体阻力的塑性和结构而不是流体阻力的黏性，同时也可以减少摩阻。该新型压裂液使用简便，且一般由VES在盐水中调制。由于无高分子的水化，VES很容易在盐水中分解，不要求交联剂、破胶剂以及其他的化工添加剂，所以无地层破坏并具有使充填层良好的导流作用。而黏弹性新型压裂液也由于具备了这些特点，所以亦称为清洁无高分子的新型压裂液。据资料报道，国外的石化企业利用此种新型压裂液已经成功开展了四百余次的压裂作业，产生了非常好的压裂效益，实现了持续利用。

4.3 清洁压裂液的发展趋势

清洁新型压裂液在实际的应用过程中，性能更高、对储层的危害更少、增产效益也更突出，是一个十分具有前景的压裂系统，为克服当前压裂新生产工艺在实际应用过程中产生的各类问题提供了方向。当前，我国研究机构在研究过程中，还必须进一步深入地研究清洁压裂液与经济环境之间的关系，进一步发掘这种新型压裂液的利用潜能，进而拓展其应用范畴，来有效缓解我国油气供给的紧张问题。在未来发展过程中，还需要从如下几方面加以研究。①需要进一步加强对清洁新型压裂液系统的研发力量，并针对单一新型压裂液系统在实际应用过程中的技术缺陷，进一步研发出复合型压裂液系统。②结合当前我国在耐高温新型压裂液系统研发上的不足，同时根据当前我国油藏开采的实际状况，研发出耐高温的清洁压裂液系统，并学习海外的前沿科技，通过针对性的研究，研发出适合我国的新型压裂液系统。③进一步降低清洁新型压裂液的使用成本。当前，清洁新型压裂液的使用成本还相当高昂，其使用温度越高，对VES的添加用量也就越高，因此生产成本将会逐步增加。滤饼对地层产状也会产生一定的影响，压裂增加产量效应没有得到完全的实现。想要有效地克服这种现象，可以通过疏水改性结合物和黏弹性表面活性剂之间的协同效应，来进行有效的改进，这可以减少滤失量，同时也可通过纳米技术和纤维材料对其有效性加以提高。

5 结束语

随着近些年我国工业与国民经济的不断发展，对于油气资源管理的需求量也越来越大。这也就意味着，未来在开展压裂作业过程中，需要解决传统压裂作业过程中出现的问题，这样才能够不断满足实际发展的需要。而本文基于目前对水基压裂液研发与使用的现状及其水力压裂产品的开发实践，从油藏发展可连续利用的观点出发，进行清洁新型压裂液的研发对我国来说是十分必要的。首先是能够减少开发过程中对油层的破坏，维持储层，保持生产。其次是减少了操作成本。第三是为当前国内外正在发展的最末端脱砂压裂工艺供应更可靠的压裂液。通过对于国外研究分析，我国也必须做好以下几个主要方面的工作；研究、发展油田工作液用新型表面活性剂；研究、发展适应国内外油藏生产特性的洁净压裂液系统，并着力开展洁净新式压裂液的耐高温特性研究；进行洁净新式压裂液应用中的先进工艺技术探讨。通过这些方式，做好黏弹性表面活性剂基压裂液的研究工作。