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煤层气（瓦斯）是煤炭的伴生资源，煤与煤层气共采是国家能源战略的重大需求。中国煤矿地质条件复杂，低透气性煤层约占80%。水力压裂技术是煤层增透的有效措施。压裂液是水力压裂作业成功的关键。煤矿井下压裂要求压裂液滤失低，可以促进瓦斯解吸和运移，所以压裂液的粘度、耐温性、失水性、润湿性以及对孔、裂隙的影响、造缝效果是配制、优选和评价压裂液的重要指标。由于地质条件和施工工艺差异，传统油气藏和煤矿地面用压裂液不适用于煤矿井下压裂。清洁压裂液具有良好的粘弹性和环境友好性可用于煤矿井下压裂。清洁压裂液的性能及对煤岩孔、裂隙的影响受其主剂粘弹性表面活性剂（VES）分子结构（亲水基和疏水基）及试剂配合的影响。然而，VES的种类（阳离子、阴离子等）、疏水基及试剂配合影响煤层清洁压裂液性能及其改造煤岩孔、裂隙的机理尚缺乏研究。
本论文采用室内试验和理论分析相结合的方法，选用阳离子、阴离子和两性离子VES配制清洁压裂液，探究了VES疏水基烃链及复配对煤层清洁压裂液性能的影响规律，分析了不同疏水基烃链链长及复配VES清洁压裂液对煤岩不同尺度孔、裂隙的敏感性及影响机理。主要研究结论如下：
（1）获得了VES疏水基烃链链长及阳-两性、阴-两性离子VES复配对清洁压裂液胶束自组装结构、束缚水分子能力、润湿性、粘度、耐温性等性能的影响规律。研究发现疏水基烃链较长的VES分子聚集性强，束缚的水分子更多。使用十八烷基三甲基氯化铵（STAC）配制的清洁压裂液的最大粘度大约是使用十六烷基三甲基氯化铵（CTAC）配制的同类压裂液的2倍，达到最大粘度所需的STAC用量比达到CTAC压裂液最大粘度所需的CTAC用量少0.19wt%。加入0.5wt%椰油酰胺丙基甜菜碱（CAB）的STAC清洁压裂液粘度比未加入CAB的压裂液高10mPa?s。阳-两性离子VES复配、阴-两性离子VES复配有利于增加清洁压裂液的粘度，且存在达到最大粘度的最优配比。
（2）阐述了不同疏水基烃链链长及阳-两性、阴-两性离子复配VES清洁压裂液作用煤岩不同尺度孔、裂隙的敏感性。优选出改善不同尺度孔、裂隙的清洁压裂液最佳配方。阴-两性离子VES复配清洁压裂液降低了14nm–1μm范围的孔隙率约90%，增加了125–180μm（塔山）和70–180μm（南川）范围的孔隙率约100%。阳-两性离子VES复配清洁压裂液增加了2–300nm范围的纳米孔隙平均孔宽（塔山：570.44%，南川：158.38%）。揭示了煤层温度对清洁压裂液作用煤岩孔隙的影响规律。提出了阳离子VES CTAC清洁压裂液增加孔隙率、孔体积、孔面积的最佳温度范围。温度变化对微孔的影响比过渡孔大。
（3）揭示了不同疏水基烃链链长和阳-两性、阴-两性离子复配VES清洁压裂液对煤岩孔、裂隙特性的影响机理。阳离子VES及阳-两性离子VES复配清洁压裂液有利于方解石、黄铁矿、伊利石和蒙脱石的溶解。离子型VES清洁压裂液会增强孔隙壁面和煤颗粒之间静电斥力，有利于煤表面的颗粒清除。阳-两性离子VES复配清洁压裂液最有利于使煤及矿物表面暴露更多的亲水性官能团，增加润湿性，影响纳米孔隙。阴-两性离子VES复配清洁压裂液会使煤样芳香晶核中芳香层片延展度La增大，层面间距002d变小，从而增大微孔孔体积。温度通过改变清洁压裂液表面张力?lg和含氧官能团数量，改变压裂液在煤表面的润湿性，影响孔隙内煤颗粒和矿物杂质的清除。
（4）获得了不同温度下清洁压裂液压裂原煤的裂缝扩展规律。阳离子VES清洁压裂液会形成呈星状（*）分布的裂缝网络，造缝效果不受温度的影响，易造成试件中心位置微裂隙和孔隙增多。阴-两性离子VES复配清洁压裂液易溶解或清除矿物杂质增大原有孔隙或产生新的孔隙，形成的孔、裂隙多分布在含矿物杂质位置周围。
本文研究成果丰富了清洁压裂液在煤层中应用的相关理论，可为清洁压裂液配方优选和现场大规模应用提供理论支撑，有助于提高煤层气抽采效果。
本论文采用室内试验和理论分析相结合的方法，选用阳离子、阴离子和两性离子VES配制清洁压裂液，探究了VES疏水基烃链及复配对煤层清洁压裂液性能的影响规律，分析了不同疏水基烃链链长及复配VES清洁压裂液对煤岩不同尺度孔、裂隙的敏感性及影响机理。主要研究结论如下：
（1）获得了VES疏水基烃链链长及阳-两性、阴-两性离子VES复配对清洁压裂液胶束自组装结构、束缚水分子能力、润湿性、粘度、耐温性等性能的影响规律。研究发现疏水基烃链较长的VES分子聚集性强，束缚的水分子更多。使用十八烷基三甲基氯化铵（STAC）配制的清洁压裂液的最大粘度大约是使用十六烷基三甲基氯化铵（CTAC）配制的同类压裂液的2倍，达到最大粘度所需的STAC用量比达到CTAC压裂液最大粘度所需的CTAC用量少0.19wt%。加入0.5wt%椰油酰胺丙基甜菜碱（CAB）的STAC清洁压裂液粘度比未加入CAB的压裂液高10mPa?s。阳-两性离子VES复配、阴-两性离子VES复配有利于增加清洁压裂液的粘度，且存在达到最大粘度的最优配比。
（2）阐述了不同疏水基烃链链长及阳-两性、阴-两性离子复配VES清洁压裂液作用煤岩不同尺度孔、裂隙的敏感性。优选出改善不同尺度孔、裂隙的清洁压裂液最佳配方。阴-两性离子VES复配清洁压裂液降低了14nm–1μm范围的孔隙率约90%，增加了125–180μm（塔山）和70–180μm（南川）范围的孔隙率约100%。阳-两性离子VES复配清洁压裂液增加了2–300nm范围的纳米孔隙平均孔宽（塔山：570.44%，南川：158.38%）。揭示了煤层温度对清洁压裂液作用煤岩孔隙的影响规律。提出了阳离子VES CTAC清洁压裂液增加孔隙率、孔体积、孔面积的最佳温度范围。温度变化对微孔的影响比过渡孔大。
（3）揭示了不同疏水基烃链链长和阳-两性、阴-两性离子复配VES清洁压裂液对煤岩孔、裂隙特性的影响机理。阳离子VES及阳-两性离子VES复配清洁压裂液有利于方解石、黄铁矿、伊利石和蒙脱石的溶解。离子型VES清洁压裂液会增强孔隙壁面和煤颗粒之间静电斥力，有利于煤表面的颗粒清除。阳-两性离子VES复配清洁压裂液最有利于使煤及矿物表面暴露更多的亲水性官能团，增加润湿性，影响纳米孔隙。阴-两性离子VES复配清洁压裂液会使煤样芳香晶核中芳香层片延展度La增大，层面间距002d变小，从而增大微孔孔体积。温度通过改变清洁压裂液表面张力?lg和含氧官能团数量，改变压裂液在煤表面的润湿性，影响孔隙内煤颗粒和矿物杂质的清除。
（4）获得了不同温度下清洁压裂液压裂原煤的裂缝扩展规律。阳离子VES清洁压裂液会形成呈星状（*）分布的裂缝网络，造缝效果不受温度的影响，易造成试件中心位置微裂隙和孔隙增多。阴-两性离子VES复配清洁压裂液易溶解或清除矿物杂质增大原有孔隙或产生新的孔隙，形成的孔、裂隙多分布在含矿物杂质位置周围。
本文研究成果丰富了清洁压裂液在煤层中应用的相关理论，可为清洁压裂液配方优选和现场大规模应用提供理论支撑，有助于提高煤层气抽采效果。