油層水力壓裂，是20世紀(jì)40年代發(fā)展起來的一項(xiàng)改變油層滲流特性的工藝技術(shù)，是油氣井增產(chǎn)、注水井增注的一項(xiàng)重要工藝措施，傳統(tǒng)聚合物壓裂液在返排過程中由于破膠不徹底，對(duì)油氣藏滲透率造成很大的傷害的問題而開發(fā)研制了一種新型壓裂液體系，即黏彈性表面活性劑壓裂液。黏彈性表面活性劑壓裂液VES（Visco-Elasitic Surfactant）由低分子長(zhǎng)鏈脂肪酸衍生物季銨鹽陽(yáng)離子表面活性劑、鹽溶液、激活劑和穩(wěn)定劑幾種添加劑組成。

其中，表面活性劑相當(dāng)于常規(guī)壓裂液中胍膠增稠劑，其分子質(zhì)量比胍膠小5 000倍，分子結(jié)構(gòu)中含有親水基和長(zhǎng)鏈?zhǔn)杷?，在水中疏水基被周圍親水基包裹形成球狀膠束，在鹽介質(zhì)中，引進(jìn)的陰離子能平衡表面活性劑陽(yáng)離子間的電荷斥力，形成蠕蟲狀或柔性棒狀膠束，當(dāng)黏彈性表面活性劑達(dá)到臨界濃度時(shí)，蠕蟲狀或柔性棒狀膠束相互纏繞而形成高黏彈性的空間網(wǎng)狀膠束結(jié)構(gòu)，能有效攜帶支撐劑和造縫；遇地層中的油氣和水后，網(wǎng)狀膠束結(jié)構(gòu)中的親油基和親水基使油氣和水增溶而崩解成低黏度球狀膠束，實(shí)現(xiàn)黏彈性表面活性劑壓裂液的自動(dòng)破膠以利于殘液的返排；表面活性劑壓裂液不含聚合物，破膠后沒有胍膠壓裂液那樣在地層中殘留固體殘?jiān)鴮?dǎo)致油氣層的嚴(yán)重傷害。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1主要實(shí)驗(yàn)材料和儀器

十八酸、SOCl2、H2SO4、三甲胺水溶液、Br2，均為分析純；長(zhǎng)鏈醇，為化學(xué)純；航空煤油。

數(shù)字大氣壓力計(jì)、氣體滲透率儀、氣體孔隙度測(cè)試儀、巖心流動(dòng)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置、表面張力儀、玻璃毛細(xì)管黏度計(jì)、旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、洗油儀、泥漿失水量測(cè)定儀、傅立葉紅外光譜儀、循環(huán)水式真空泵、電熱恒溫水浴鍋、紅外線快速干燥器、精密定時(shí)電動(dòng)攪拌器、砂芯活動(dòng)過濾裝置、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱。

1.2甜菜堿陽(yáng)離子表面活性劑的合成

1.2.1α-鹵代酸的合成將0.1 mol十八酸加入三口瓶中并在水浴中加熱，使其溶化。再緩慢加入0.06 mol氯化亞砜。等三口瓶中的反應(yīng)減緩后，再緩慢的加入0.1 mol溴素，繼續(xù)攪拌6 h，保持水浴溫度90℃。反應(yīng)接近終了時(shí)，向反應(yīng)液中滴加適量的濃硫酸，使反應(yīng)液由暗褐色逐漸變成淺黃色。反應(yīng)結(jié)束后，將水浴溫度升高至100℃，除去水分及溴化氫等反應(yīng)副產(chǎn)物，得到初產(chǎn)物。初產(chǎn)物再通過減壓蒸餾提純得到醇產(chǎn)品。

1.2.2甜菜堿的制備將0.1 mol合成的α-溴代十八酸加入磨口三口燒瓶中在水浴中加熱，使其溶化；保持水浴溫度30℃，在攪拌中通過常壓分液漏斗加入0.1 mol的三甲胺水溶液；反應(yīng)結(jié)束，將產(chǎn)物靜置48 h；所得產(chǎn)物通過減壓蒸餾提純得到深土黃色的產(chǎn)品。

1.3壓裂液評(píng)價(jià)方法

壓裂液抗溫性能、抗剪切性能、殘?jiān)?、破膠液黏度、破膠液的表面張力/濾失性能/壓裂液與地層配伍性/壓裂液傷害性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)步驟和方法參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5107-2016《水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》進(jìn)行。

2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與討論

2.1甜菜堿型陽(yáng)離子表面活性劑的檢驗(yàn)

由硬脂酸合成的甜菜堿型表面活性劑及其中間產(chǎn)物的檢驗(yàn)是通過紅外譜圖進(jìn)行的，具體（見圖1～圖3）。

由圖1～圖3知2 920 cm-1，2 860 cm-1的峰為長(zhǎng)鏈烷基。1 700 cm-1的峰為羰基。圖1～圖2中3 300 cm-1～2 500 cm-1的寬峰為羧基的峰。C-Br的峰在圖1中600 cm-1～500 cm-1無(wú)峰，圖2中600 cm-1～500 cm-1有峰，圖3又無(wú)峰，得到預(yù)期的產(chǎn)物。

圖2α-鹵代硬脂酸的紅外譜圖

2.2甜菜堿型陽(yáng)離子清潔壓裂液配方的確定

甜菜堿陽(yáng)離子壓裂液體系中主劑是甜菜堿陽(yáng)離子表面活性劑；使用無(wú)機(jī)鉀鹽作為促進(jìn)表面活性劑成為膠束，并有防膨及黏土穩(wěn)定作用；增稠劑使用天然的高分子材料，既有增稠的作用又有降濾失作用。

壓裂液配方的篩選（見表1）。

表1壓裂液配方的篩選

由表1可知④號(hào)配方當(dāng)VES的含量為4%，長(zhǎng)鏈醇為0.25%,無(wú)機(jī)鉀鹽含量為4%，增稠劑含量為0.3%時(shí)可以挑掛且殘?jiān)可?，為最佳的配比。甜菜堿型陽(yáng)離子清潔壓裂液的配方（見表2）。

2.3壓裂液的破膠液的表面張力

表面張力影響破膠液的返排，表面張力小，溶液的液珠變形通過砂巖粒間的毛細(xì)孔時(shí)，對(duì)流體產(chǎn)生的阻力效應(yīng)相應(yīng)較小，越易返排。破膠液的表面張力（見表3）。

表3破膠液表面張力

由表3可知，甜菜堿陽(yáng)離子清潔壓裂液的破膠液的表面張力比水的表面張力明顯要低，為35.5 N/m。壓裂液易于返排，對(duì)油氣層的損害低。

3小結(jié)

（1）甜菜堿型陽(yáng)離子清潔壓裂液最優(yōu)配比為4%VES+0.25%長(zhǎng)鏈醇+0.3%增稠劑+4%無(wú)機(jī)鉀鹽。

（2）甜菜堿型陽(yáng)離子清潔壓裂液在170 s-1的轉(zhuǎn)速下經(jīng)歷1 h后黏度仍能達(dá)到30 mPa·s以上，在60℃以內(nèi)黏度可以達(dá)到30 mPa·s以上可以達(dá)到攜砂要求；壓裂液破膠后殘?jiān)?，?75 mg/L，但破膠液的黏度偏高，為2.518 mPa·s，但滿足破膠要求；壓裂液的乳化率偏高，破乳不徹底，不產(chǎn)生不溶性沉淀；表面張力小，為35.5 N/m，但濾失相對(duì)比較大。