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摘 要：综合清洁压裂液的特点和华北油田的地质特性，通过室内研制优选出了清洁压裂液配方，在华北油田雁9断块与桐47断块整体压裂改造中，使用清洁压裂液与羟丙基胍胶压裂液进行了压裂对比试验，清洁压裂液压裂井效果明显好于羟丙基胍胶压裂井的效果。清洁压裂液的研究经验为华北油田增储上产提供了一条新的技术路线，为今后该技术的推广应用积累了经验。
关键词：清洁 压裂液 高温高压储层 低渗透储藏 应用
一、室内研究
1.清洁压裂液增稠与破胶机理
在盐水中，随着表面活性剂浓度的提高，水分子排斥表面活性剂分子的亲油基团，使表面活性剂分子聚集，先形成亲油基团朝内、亲水基团朝外的球状胶束；由于亲水基团带正电荷，这样在球状胶束的表面形成了一个正电层，带正电荷的球状胶束之间相互排斥，并不能使溶液增粘。在溶液中加入平衡阴离子（有机阴离子），抵消阳离子基团之间的排斥力，球状胶束转变成棒状胶束，棒状胶束通过范德华力和分子间的弱化学键，相互之间高度缠结，构成了网状胶束，类似于交联的长链聚合物形成的网状结构。网状胶束结构使表面活性剂胶束溶液具有了凝胶性质，溶液粘度大幅度增加并具有了一定的弹性。
当清洁压裂液与地层原油、天然气接触时，由于胶束的内部是亲油的，烃分子会钻入到胶束的内部，使胶束膨胀，相互缠结的棒状胶束就会松开，棒状胶束向球状胶束转变，使液体粘度降低，最终变成单个分子，溶于烃中。当清洁压裂液被地层水稀释时，也会破坏表面活性剂的胶束而失去粘度。由于在压裂井里总有这一种或两种破胶因素存在，所以不需要另加破胶剂。
2.清洁压裂液配方的优选
试验合成出了表面活性剂VES，表面活性剂VES、胶束促进剂SYN、盐KCL三种组分相互制约，对粘度影响很大。最佳组合，粘度满足要求，成本最低。
将VES、KCL、胶束促进剂按一定比例加入清水中，搅拌形成粘弹性胶体。用RV-20流变仪在不同温度下、剪切速率170s-1下连续测定压裂液粘度，60min后粘度≥30mPa·s的压裂液配方，可定为该温度下的压裂液配方，研制优选出了20～90℃清洁压裂液配方。
3.清洁压裂液的主要性能
清洁压裂液主要是靠表面活性剂分子在水中形成的胶束团来增稠的，其抗剪切性能、造缝与携砂性能与胍胶、苦苈胶等压裂液有所不同。
3.1清洁压裂液的耐温性能
清洁压裂液对温度非常敏感，温度升高，粘度急剧下降，必须增加表面活性剂的浓度来弥补粘度损失。
3.2清洁压裂液的抗剪切性能
由表2可以看出，清洁压裂液也有剪切变稀的特点。清洁压裂液与瓜胶等聚合物压裂液的粘度形成机理不一样。聚合物压裂液不耐剪切，由于分子链的断开，剪切过程中聚合物的粘度会永久的丧失。清洁压裂液的粘度是通过形成棒状胶束和棒状胶束的相互缠结形成的。胶束的形成和相互缠结是表面活性剂分子之间的聚集行为，其变化的速率远远大于流体的流动速率，表现为清洁压裂液的表观粘度随时间变化很小（见图2）以及通过高剪切后体系的粘度又能够得到恢复。
3.3清洁压裂液的携砂性能
清洁压裂液携带支撑剂的原则与聚合物不同。聚合物压裂液主要靠粘度携砂，清洁压裂液主要靠粘弹性携砂。
传统的支撑剂携带原则是，聚合物压裂液的粘度在剪切率为100s-1时至少应有100mPa·s，或在剪切率为170s-1时应有50mPa·s。这个原则来自常规压裂液的使用经验，其流变特性一般遵循幂律流体模型。清洁压裂液的携砂机理主要表现为粘弹性携砂。美国STIMLAB公司通过大型输砂模型对胍胶压裂液和清洁压裂液进行了携砂实验。
实验结果可以得出：胍胶压裂液在100s-1的剪切速率下最低携砂粘度为100mPa.s，在170s-1的剪切速率下最低携砂粘度为50mPa·s；而清洁压裂液在100s-1的剪切速率下最低携砂粘度为30mPa.s， 在170s-1的剪切速率下最低携砂粘度为25mPa·s。
4.清洁压裂液的造壁性能与滤失的控制
清洁压裂液中无有残渣，在裂缝壁面上形不成滤饼，无有造壁性能。
经实验研究认为， 清洁压裂液的胶束团很难进入到渗透率<5×10-3μm2的地层中，在低渗透地层，清洁压裂液的滤失速率低于胍胶压裂液。但在高渗透地层，清洁压裂液的滤失速率要比胍胶压裂液大的多。因此在高渗透地层压裂时，应加入降滤失剂控制滤失。
二、现场应用
华北油田的雁9断块与桐47断块，都为整体压裂改造区块，使用清洁压裂液与羟丙基胍胶压裂液进行了压裂对比试验，清洁压裂液压裂井效果明显好于羟丙基胍胶压裂井的效果。
1.雁9断块的压裂效果
2005年11月在雁9断块压裂5口井，其中雁9-8x井用清洁压裂液压裂后比用羟丙基胍胶压裂液压裂的其它4口井日产原油多6～8 m3。
2.桐47断块的压裂效果
桐47断块油层为中孔、低渗透、水敏性储层，2005年10～11月，使用羟丙基胍胶压裂液压裂3口井（桐47-8x、桐47-21x、桐47-43x），效果很差，压后抽吸日产原油0.25 ～3.5m3； 2006年3～9月用清洁压裂液压裂9口井（桐47-2、桐47-9x、桐47-12x、桐47-14x、桐47-3x、桐47-6x、桐47-4x、桐47-11 x、桐47-43x），压后5mm油嘴放喷日产原油10.63～39m3。
三、几点认识
清洁压裂液的研制成功，为低温浅井、低渗透、水敏油气层压裂改造提供了一种新材料。通过研究应用，有几点认识：
1.清洁压裂液的优点
（1）清洁压裂液的交联及破胶机理决定了其在油、气层中应用时，不需要添加任何破胶剂便能完全破胶。
（2）清洁压裂液不形成滤饼，无残渣，能充分保留支撑剂填充层的导流能力；
（3）清洁压裂液抗剪切能力强，在较低粘度下，就具有良好的携砂能力 ；
（4）清洁压裂液对油、气层中的粘土有良好的防膨效果，能够降低粘土膨胀对油、气层的伤害；
（5）清洁压裂液施工时，摩阻较低，可以降低施工时的水马力；
（6）清洁压裂液配置简单、无毒无腐蚀性，便于现场施工。
2.清洁压裂液的缺点：
（1）在高渗透地层压裂时，滤失大，造缝性能差；
（2）成本较高，成本是普通压裂液的1.5～5倍。
3.清洁压裂液的适应性
（1）清洁压裂液不是所有的层都适用。纯油层、煤层气可以，纯天然气藏（砂容）则不适用。
（2）清洁压裂液摩阻低，对地层伤害小，所以对于强水敏地层特别适用。
（3）煤层压裂多用活性水，但其造缝能力、携砂能力、防性都较差，所以用较稀的清洁压裂液（小于2%浓度），可以代替活性水，而使成本增加有限。
（4）清洁压裂液使用温度需增加，配制温度需减小。
作者简介：王燕声 1963年出生，现从事试油、修井、酸化压裂作业等技术管理工作。
关键词：清洁 压裂液 高温高压储层 低渗透储藏 应用
一、室内研究
1.清洁压裂液增稠与破胶机理
在盐水中，随着表面活性剂浓度的提高，水分子排斥表面活性剂分子的亲油基团，使表面活性剂分子聚集，先形成亲油基团朝内、亲水基团朝外的球状胶束；由于亲水基团带正电荷，这样在球状胶束的表面形成了一个正电层，带正电荷的球状胶束之间相互排斥，并不能使溶液增粘。在溶液中加入平衡阴离子（有机阴离子），抵消阳离子基团之间的排斥力，球状胶束转变成棒状胶束，棒状胶束通过范德华力和分子间的弱化学键，相互之间高度缠结，构成了网状胶束，类似于交联的长链聚合物形成的网状结构。网状胶束结构使表面活性剂胶束溶液具有了凝胶性质，溶液粘度大幅度增加并具有了一定的弹性。
当清洁压裂液与地层原油、天然气接触时，由于胶束的内部是亲油的，烃分子会钻入到胶束的内部，使胶束膨胀，相互缠结的棒状胶束就会松开，棒状胶束向球状胶束转变，使液体粘度降低，最终变成单个分子，溶于烃中。当清洁压裂液被地层水稀释时，也会破坏表面活性剂的胶束而失去粘度。由于在压裂井里总有这一种或两种破胶因素存在，所以不需要另加破胶剂。
2.清洁压裂液配方的优选
试验合成出了表面活性剂VES，表面活性剂VES、胶束促进剂SYN、盐KCL三种组分相互制约，对粘度影响很大。最佳组合，粘度满足要求，成本最低。
将VES、KCL、胶束促进剂按一定比例加入清水中，搅拌形成粘弹性胶体。用RV-20流变仪在不同温度下、剪切速率170s-1下连续测定压裂液粘度，60min后粘度≥30mPa·s的压裂液配方，可定为该温度下的压裂液配方，研制优选出了20～90℃清洁压裂液配方。
3.清洁压裂液的主要性能
清洁压裂液主要是靠表面活性剂分子在水中形成的胶束团来增稠的，其抗剪切性能、造缝与携砂性能与胍胶、苦苈胶等压裂液有所不同。
3.1清洁压裂液的耐温性能
清洁压裂液对温度非常敏感，温度升高，粘度急剧下降，必须增加表面活性剂的浓度来弥补粘度损失。
3.2清洁压裂液的抗剪切性能
由表2可以看出，清洁压裂液也有剪切变稀的特点。清洁压裂液与瓜胶等聚合物压裂液的粘度形成机理不一样。聚合物压裂液不耐剪切，由于分子链的断开，剪切过程中聚合物的粘度会永久的丧失。清洁压裂液的粘度是通过形成棒状胶束和棒状胶束的相互缠结形成的。胶束的形成和相互缠结是表面活性剂分子之间的聚集行为，其变化的速率远远大于流体的流动速率，表现为清洁压裂液的表观粘度随时间变化很小（见图2）以及通过高剪切后体系的粘度又能够得到恢复。
3.3清洁压裂液的携砂性能
清洁压裂液携带支撑剂的原则与聚合物不同。聚合物压裂液主要靠粘度携砂，清洁压裂液主要靠粘弹性携砂。
传统的支撑剂携带原则是，聚合物压裂液的粘度在剪切率为100s-1时至少应有100mPa·s，或在剪切率为170s-1时应有50mPa·s。这个原则来自常规压裂液的使用经验，其流变特性一般遵循幂律流体模型。清洁压裂液的携砂机理主要表现为粘弹性携砂。美国STIMLAB公司通过大型输砂模型对胍胶压裂液和清洁压裂液进行了携砂实验。
实验结果可以得出：胍胶压裂液在100s-1的剪切速率下最低携砂粘度为100mPa.s，在170s-1的剪切速率下最低携砂粘度为50mPa·s；而清洁压裂液在100s-1的剪切速率下最低携砂粘度为30mPa.s， 在170s-1的剪切速率下最低携砂粘度为25mPa·s。
4.清洁压裂液的造壁性能与滤失的控制
清洁压裂液中无有残渣，在裂缝壁面上形不成滤饼，无有造壁性能。
经实验研究认为， 清洁压裂液的胶束团很难进入到渗透率<5×10-3μm2的地层中，在低渗透地层，清洁压裂液的滤失速率低于胍胶压裂液。但在高渗透地层，清洁压裂液的滤失速率要比胍胶压裂液大的多。因此在高渗透地层压裂时，应加入降滤失剂控制滤失。
二、现场应用
华北油田的雁9断块与桐47断块，都为整体压裂改造区块，使用清洁压裂液与羟丙基胍胶压裂液进行了压裂对比试验，清洁压裂液压裂井效果明显好于羟丙基胍胶压裂井的效果。
1.雁9断块的压裂效果
2005年11月在雁9断块压裂5口井，其中雁9-8x井用清洁压裂液压裂后比用羟丙基胍胶压裂液压裂的其它4口井日产原油多6～8 m3。
2.桐47断块的压裂效果
桐47断块油层为中孔、低渗透、水敏性储层，2005年10～11月，使用羟丙基胍胶压裂液压裂3口井（桐47-8x、桐47-21x、桐47-43x），效果很差，压后抽吸日产原油0.25 ～3.5m3； 2006年3～9月用清洁压裂液压裂9口井（桐47-2、桐47-9x、桐47-12x、桐47-14x、桐47-3x、桐47-6x、桐47-4x、桐47-11 x、桐47-43x），压后5mm油嘴放喷日产原油10.63～39m3。
三、几点认识
清洁压裂液的研制成功，为低温浅井、低渗透、水敏油气层压裂改造提供了一种新材料。通过研究应用，有几点认识：
1.清洁压裂液的优点
（1）清洁压裂液的交联及破胶机理决定了其在油、气层中应用时，不需要添加任何破胶剂便能完全破胶。
（2）清洁压裂液不形成滤饼，无残渣，能充分保留支撑剂填充层的导流能力；
（3）清洁压裂液抗剪切能力强，在较低粘度下，就具有良好的携砂能力 ；
（4）清洁压裂液对油、气层中的粘土有良好的防膨效果，能够降低粘土膨胀对油、气层的伤害；
（5）清洁压裂液施工时，摩阻较低，可以降低施工时的水马力；
（6）清洁压裂液配置简单、无毒无腐蚀性，便于现场施工。
2.清洁压裂液的缺点：
（1）在高渗透地层压裂时，滤失大，造缝性能差；
（2）成本较高，成本是普通压裂液的1.5～5倍。
3.清洁压裂液的适应性
（1）清洁压裂液不是所有的层都适用。纯油层、煤层气可以，纯天然气藏（砂容）则不适用。
（2）清洁压裂液摩阻低，对地层伤害小，所以对于强水敏地层特别适用。
（3）煤层压裂多用活性水，但其造缝能力、携砂能力、防性都较差，所以用较稀的清洁压裂液（小于2%浓度），可以代替活性水，而使成本增加有限。
（4）清洁压裂液使用温度需增加，配制温度需减小。
作者简介：王燕声 1963年出生，现从事试油、修井、酸化压裂作业等技术管理工作。