葉達峰，鄭凱瑾，夏益初

（浙江綠科安化學有限公司，浙江紹興 312300）

黏彈性表面活性劑基新型壓裂液，也被稱為VES新型壓裂液，作為環(huán)保型壓裂液在我國油田生產的使用取得了不錯的效果，不僅對貯氣層無污染，也可以增強充填層導流功能。隨著近些年我國壓裂工藝技術的發(fā)展，不僅有水力壓裂、酸化壓裂，同樣還有高能氣體壓裂等。針對高能氣體壓裂，不僅施工方法非常簡單，生產成本低下，對環(huán)境的污染也非常小。所以在上述條件，使用清潔、低傷害的壓裂液是當今改進壓裂技術的必然措施。本文闡述了黏彈性表面活性劑基新型壓裂液的系統(tǒng)構造、主要特性，以及壓裂原理等。這種壓裂液集剪切安全性、零破損度、高自動破膠性和低濾失性于一身，在油田具備很寬廣的應用發(fā)展前景。尤其是納米技術的應用，更加優(yōu)化了VES新型壓裂液系統(tǒng)，使該新型壓裂液系統(tǒng)更適合于干氣氣藏。同時本文也闡述了VES新型壓裂液系統(tǒng)在國內的研究進展，并指出了其應用的優(yōu)勢以及存在的缺點。

1 壓裂液的相關性能

壓裂液的性能相對來說比較豐富，不僅能夠耐高溫，同時也具有破膠性能、懸砂性能，下面就對這些性能進行具體的介紹[1]。

1.1 耐溫性能

因為土壤巖層具有著特定的地溫梯度，所以從整體上來看，土壤巖層越深溫度越高。而高溫也是降低新型壓裂液黏性的一個因素。為了提高壓裂效率，也需要保證新型壓裂液的黏性不會因為氣溫的提高而大幅度降低，它就必須具有耐高溫和熱穩(wěn)定性。如果隨著氣溫的上升，新型壓裂液黏度就會大幅度降低，那么其他因素包括懸砂能力、破膠能力等有關的新型壓裂液的使用效果也會受到直接的影響。所以需要根據(jù)現(xiàn)場不同的地層溫度，在水力壓裂工藝過程中選用更適宜于耐溫性能的新型壓裂液系統(tǒng)[2]。

1.2 破膠性能

清潔新型壓裂液的破膠，是指清潔壓裂液在壓裂施工過程中，其黏性明顯降低到正常地層水的黏度的一個過程。清潔新型壓裂液主要通過以下方法實現(xiàn)破膠，清潔新型壓裂液能夠通過與土壤地層中的親油性有機質進行相互作用，促進其水解，從而使得黏性降低，最終實現(xiàn)破膠。在這個過程中，由于受土壤中地層水分的稀釋影響，黏性下降實現(xiàn)破膠效應。與傳統(tǒng)新型壓裂液一樣，潔凈新型壓裂液不需要破膠劑也可以破膠。而潔凈新型壓裂液則因為其特殊的化學性能，與水分和油性物料接觸后均可取得破膠效應。為研究潔凈新型壓裂液的破膠特性，研究者使用煤油和水對潔凈新型壓裂液進行了分析。①進行如下操作：在50mL量筒中，混合并清洗壓裂液體系。其次，將混合好的新壓裂液，依次與煤油以1∶1的配比混合均勻后注入流變儀中，在水溫為90℃時，測定溶液黏度隨時間的變化。③在新壓裂液與清水破膠時，試驗操作。④探究試驗結果。通過試驗結果發(fā)現(xiàn)，壓裂液在5min內都可以實現(xiàn)完全破膠，煤油對清潔新型壓裂液的破膠效果良好。所以在現(xiàn)場使用清潔新型壓裂液時，只需加入清水，就可以實現(xiàn)新壓裂液的破膠功效[3]。

1.3 懸砂性能

新型壓裂液的懸砂能力，是指新型壓裂液能使支撐物漂浮在水中而不墜落的能力。新型壓裂液黏度的多少決定了懸砂能力的大小。只有新型壓裂液具備了相應的黏性，才能確保支持劑漂浮在新型壓裂液中，如此新型壓裂液方可把支持劑送到目的層位。所以，新型壓裂液的懸砂特性的優(yōu)劣直觀影響著壓裂的好壞。為測試懸砂能力，設定如下實驗步驟。①根據(jù)配方比選擇潔凈的新型壓裂液為100mL，然后將新型壓裂液置于玻璃容器中，并測量100mL新型壓裂液的高度約為18cm。②調整恒壓水浴鍋溫度，等待水浴鍋水溫為30℃時，將裝滿了潔凈新型壓裂液的玻璃容器投放于水浴鍋內。③夾取三枚形狀相似的陶粒，輕放在清潔新型壓裂液表面上，用秒表記下當陶粒下降至量筒底部時所用的時間。如此重復，實驗次數(shù)不少于3次，并取所記錄時間的平均數(shù)為陶粒下降時刻。④探究實驗結果，可通過陶粒在新型壓裂液中的平均沉降時間，來探究新型壓裂液的攜砂性質，因為新型壓裂液具有一定黏性，而玻璃容器的直徑也不大，就可以近似認為，支撐劑粒子在新型壓裂液中以勻速移行。根據(jù)上述試驗也可得出，在各種工作溫度下，該新型壓裂液具有攜砂性質[4]。

2 表面活性劑壓裂液機理

2.1 膠束形成機理

在表面活性劑的含量較低時，菌膠團在水溶液中生成球形、膠束呈非晶體結構；隨著含量的提高，球狀菌膠團會慢慢生成棒狀結構；當含量增加到一定量后，由棒狀結構逐步形成六角束結構；當含量更大時，又會產生層狀構造。

2.2 成膠機理

隨著高壓裂液中表面活性劑濃度的提高，表面活性劑的總體積分數(shù)逐漸增大，膠束逐漸成長并相互纏繞。壓裂液的黏度也因此迅速上升，溶劑中的反離子以及助表面活性劑的性質與含量對壓裂液的成膠具有強烈的影響。反離子的存在也降低了壓裂液中陽離子基團間的相互排斥力，使得膠束增長；而助表面活性劑的主要功能是促進有機陽離子進入菌膠團中，依靠陰離子和陽離子的靜電引力，使表面活性劑分子排列更加緊湊，讓菌膠團增加；隨著室溫增加，菌膠團的容積減小，菌膠團的長度隨著室溫升高而縮短。

2.3 破膠機理

清潔壓裂液，在破膠過程中就不需要再使用破膠劑。貯層內的油、氣在網狀結構的清潔壓裂液中，破壞菌膠團結構，網狀結構變?yōu)槿錉罱Y構又迅速變?yōu)榍驙罱Y構，黏度迅速降低實現(xiàn)破膠。此外，隨著地層水分的逐漸稀釋利用，清潔壓裂液中的表面活性劑含量逐漸減少，從而降低其黏度。

3 表面活性劑壓裂液性能評價

3.1 黏彈性

黏彈性是評價表面活性劑性能的一個重要指標。由于其機理與常規(guī)壓裂液不同，因此，其評價方法也不同，一般通過儲能模量來評價黏彈性的優(yōu)劣。

3.2 黏溫特性

不同VES添加量對新型壓裂液體黏溫特性會產生一定的影響，黏彈性表面活性劑的黏度變化伴隨著水溫改變，且隨著水溫的增加，黏度先增大后逐漸降低。這是因為，水溶液中菌膠團的運動程度隨著水溫的改變而發(fā)生變化。當水溫較低時，隨著水溫的增加，菌膠團的纏繞速率提高；而在水溫提高到一定程度后，在這種情況下，水溫繼續(xù)增加，菌膠團的分離速率提高，但是黏度減小。

3.3 濾失性

由于清潔的新型壓裂液中幾乎不含有殘渣，因此，在儲層的巖石表層上沒有形成濾餅，其濾失量也會根據(jù)時間的發(fā)展逐步發(fā)生相應的變化。在高滲透性貯層巖內部，其能夠被降失水劑溶解。因此，該壓裂液為一種低濾失壓裂液體系。

4 國內外VES壓裂液的研究進展

4.1 我國對VES壓裂液的研究進展

彈性表面活性劑的主要種類為長鏈不飽和脂肪酸及其衍生物銨鹽表面活性劑，一旦超過臨界菌膠團含量，就會產生細棒狀的菌膠團，膠束間還容易產生空隙的網絡結構，因此能夠攜帶更多的支撐劑，當它觸及烴類和水之后，其黏彈力就會迅速減弱，甚至不需破膠劑就能夠徑直返排到地層。胍膠等新型壓裂液體的耐剪切能力通常都較差，一旦分子鏈斷裂，就會直接失去黏性。而其形成黏彈性的最主要因素就是由于菌膠團體互相纏繞而產生的空間網絡結構，其耐剪切能力也更強，當進行高度切割之后，形態(tài)就能夠獲得迅速恢復。其次，對于破膠機理來說，清潔壓裂液在鹽水溶液中的流動性并不好，而在含有碳氫化合物和一些疏水性物料溶劑中的流動性卻較高。

我國在清潔壓裂劑的研發(fā)上起步相對較晚，但卻獲得了良好的成果。我國科學家研發(fā)的耐高溫清潔用新型壓裂液SCF，是通過加入季銨類表面活性劑、無機和有機陽離子，獲得的黏彈性較強的可溶于水中的新型壓裂液。當前在潔凈新型壓裂液的研發(fā)中，主要講究的是廉價、高效率和少損傷性，在當前則重點聚焦于復合新型壓裂液的研發(fā)，它相比于單—雙陽離子或陰離子的潔凈新型壓裂液，有著更良好的破膠和抗溫、抗剪等特性，應用成本也更低廉。綜合當前的實際狀況來看，目前我國在潔凈劑的研發(fā)上還與國外有很大的差異，各類氣藏的針對性還不算很好，因此，當前也必須針對各類貯層要求，研發(fā)出不同特性的潔凈壓裂液。

4.2 國外對VES壓裂液的研究進展

為了使支撐物脫離井圍而得到最深滲透，國外也已經開始大量應用高黏度的交聯(lián)等新型壓裂液。這類壓裂液的大量使用，確保了高溫深度壓裂施工的成功率。一旦新型壓裂液進入了地面交聯(lián)，在實施后就可以高速流入管道中，但高速剪切后依然會導致嚴格的剪切降解，甚至產生永久性的黏性影響。因此，在20世紀80年代，水基壓裂液一項很重要的技術進展，就是引入了延遲交聯(lián)技術。它使壓裂液能產生較大的井底，最終黏度，達到良好的施工效果。但是使用上述壓裂液系統(tǒng)，也出現(xiàn)了一些共同的問題，那就是新型壓裂液破膠不徹底，且破膠后的殘渣會遺留在裂隙內。殘存于裂隙中的聚合物殘渣會嚴重減少對支撐劑填充層的滲透性，進而影響生產層，從而造成壓裂效率變差。1997年，高壓裂液的研究與發(fā)展獲得了突破性發(fā)展。為了解決常規(guī)聚合和破膠方式的問題，美國流體專業(yè)人員與聯(lián)合研究室內工程人員共同提出了將這種黏彈劑流體應用到修井作業(yè)中，其所進行的高壓裂液采用了黏彈力表面活性劑而并非高分子。VES新型壓裂液黏度雖然非常低，卻可以很高效地傳遞支持劑，主要原因就是VES新型壓裂液使用支持劑，主要是依賴流體阻力的塑性和結構而不是流體阻力的黏性，同時也可以減少摩阻。該新型壓裂液使用簡便，且一般由VES在鹽水中調制。由于無高分子的水化，VES很容易在鹽水中分解，不要求交聯(lián)劑、破膠劑以及其他的化工添加劑，所以無地層破壞并具有使充填層良好的導流作用。而黏彈性新型壓裂液也由于具備了這些特點，所以亦稱為清潔無高分子的新型壓裂液。據(jù)資料報道，國外的石化企業(yè)利用此種新型壓裂液已經成功開展了四百余次的壓裂作業(yè)，產生了非常好的壓裂效益，實現(xiàn)了持續(xù)利用。

4.3 清潔壓裂液的發(fā)展趨勢

清潔新型壓裂液在實際的應用過程中，性能更高、對儲層的危害更少、增產效益也更突出，是一個十分具有前景的壓裂系統(tǒng)，為克服當前壓裂新生產工藝在實際應用過程中產生的各類問題提供了方向。當前，我國研究機構在研究過程中，還必須進一步深入地研究清潔壓裂液與經濟環(huán)境之間的關系，進一步發(fā)掘這種新型壓裂液的利用潛能，進而拓展其應用范疇，來有效緩解我國油氣供給的緊張問題。在未來發(fā)展過程中，還需要從如下幾方面加以研究。①需要進一步加強對清潔新型壓裂液系統(tǒng)的研發(fā)力量，并針對單一新型壓裂液系統(tǒng)在實際應用過程中的技術缺陷，進一步研發(fā)出復合型壓裂液系統(tǒng)。②結合當前我國在耐高溫新型壓裂液系統(tǒng)研發(fā)上的不足，同時根據(jù)當前我國油藏開采的實際狀況，研發(fā)出耐高溫的清潔壓裂液系統(tǒng)，并學習海外的前沿科技，通過針對性的研究，研發(fā)出適合我國的新型壓裂液系統(tǒng)。③進一步降低清潔新型壓裂液的使用成本。當前，清潔新型壓裂液的使用成本還相當高昂，其使用溫度越高，對VES的添加用量也就越高，因此生產成本將會逐步增加。濾餅對地層產狀也會產生一定的影響，壓裂增加產量效應沒有得到完全的實現(xiàn)。想要有效地克服這種現(xiàn)象，可以通過疏水改性結合物和黏彈性表面活性劑之間的協(xié)同效應，來進行有效的改進，這可以減少濾失量，同時也可通過納米技術和纖維材料對其有效性加以提高。

5 結束語

隨著近些年我國工業(yè)與國民經濟的不斷發(fā)展，對于油氣資源管理的需求量也越來越大。這也就意味著，未來在開展壓裂作業(yè)過程中，需要解決傳統(tǒng)壓裂作業(yè)過程中出現(xiàn)的問題，這樣才能夠不斷滿足實際發(fā)展的需要。而本文基于目前對水基壓裂液研發(fā)與使用的現(xiàn)狀及其水力壓裂產品的開發(fā)實踐，從油藏發(fā)展可連續(xù)利用的觀點出發(fā)，進行清潔新型壓裂液的研發(fā)對我國來說是十分必要的。首先是能夠減少開發(fā)過程中對油層的破壞，維持儲層，保持生產。其次是減少了操作成本。第三是為當前國內外正在發(fā)展的最末端脫砂壓裂工藝供應更可靠的壓裂液。通過對于國外研究分析，我國也必須做好以下幾個主要方面的工作；研究、發(fā)展油田工作液用新型表面活性劑；研究、發(fā)展適應國內外油藏生產特性的潔凈壓裂液系統(tǒng)，并著力開展?jié)崈粜率綁毫岩旱哪透邷靥匦匝芯?；進行潔凈新式壓裂液應用中的先進工藝技術探討。通過這些方式，做好黏彈性表面活性劑基壓裂液的研究工作。