油层水力压裂，是20世纪40年代发展起来的一项改变油层渗流特性的工艺技术，是油气井增产、注水井增注的一项重要工艺措施，传统聚合物压裂液在返排过程中由于破胶不彻底，对油气藏渗透率造成很大的伤害的问题而开发研制了一种新型压裂液体系，即黏弹性表面活性剂压裂液。黏弹性表面活性剂压裂液VES（Visco-Elasitic Surfactant）由低分子长链脂肪酸衍生物季铵盐阳离子表面活性剂、盐溶液、激活剂和稳定剂几种添加剂组成。

其中，表面活性剂相当于常规压裂液中胍胶增稠剂，其分子质量比胍胶小5 000倍，分子结构中含有亲水基和长链疏水基，在水中疏水基被周围亲水基包裹形成球状胶束，在盐介质中，引进的阴离子能平衡表面活性剂阳离子间的电荷斥力，形成蠕虫状或柔性棒状胶束，当黏弹性表面活性剂达到临界浓度时，蠕虫状或柔性棒状胶束相互缠绕而形成高黏弹性的空间网状胶束结构，能有效携带支撑剂和造缝；遇地层中的油气和水后，网状胶束结构中的亲油基和亲水基使油气和水增溶而崩解成低黏度球状胶束，实现黏弹性表面活性剂压裂液的自动破胶以利于残液的返排；表面活性剂压裂液不含聚合物，破胶后没有胍胶压裂液那样在地层中残留固体残渣而导致油气层的严重伤害。

1实验部分

1.1主要实验材料和仪器

十八酸、SOCl2、H2SO4、三甲胺水溶液、Br2，均为分析纯；长链醇，为化学纯；航空煤油。

数字大气压力计、气体渗透率仪、气体孔隙度测试仪、岩心流动评价实验装置、表面张力仪、玻璃毛细管黏度计、旋转黏度计、洗油仪、泥浆失水量测定仪、傅立叶红外光谱仪、循环水式真空泵、电热恒温水浴锅、红外线快速干燥器、精密定时电动搅拌器、砂芯活动过滤装置、电热恒温鼓风干燥箱。

1.2甜菜碱阳离子表面活性剂的合成

1.2.1α-卤代酸的合成将0.1 mol十八酸加入三口瓶中并在水浴中加热，使其溶化。再缓慢加入0.06 mol氯化亚砜。等三口瓶中的反应减缓后，再缓慢的加入0.1 mol溴素，继续搅拌6 h，保持水浴温度90℃。反应接近终了时，向反应液中滴加适量的浓硫酸，使反应液由暗褐色逐渐变成浅黄色。反应结束后，将水浴温度升高至100℃，除去水分及溴化氢等反应副产物，得到初产物。初产物再通过减压蒸馏提纯得到醇产品。

1.2.2甜菜碱的制备将0.1 mol合成的α-溴代十八酸加入磨口三口烧瓶中在水浴中加热，使其溶化；保持水浴温度30℃，在搅拌中通过常压分液漏斗加入0.1 mol的三甲胺水溶液；反应结束，将产物静置48 h；所得产物通过减压蒸馏提纯得到深土黄色的产品。

1.3压裂液评价方法

压裂液抗温性能、抗剪切性能、残渣含量、破胶液黏度、破胶液的表面张力/滤失性能/压裂液与地层配伍性/压裂液伤害性能评价实验步骤和方法参照行业标准SY/T 5107-2016《水基压裂液性能评价方法》进行。

2实验数据分析与讨论

2.1甜菜碱型阳离子表面活性剂的检验

由硬脂酸合成的甜菜碱型表面活性剂及其中间产物的检验是通过红外谱图进行的，具体（见图1～图3）。

由图1～图3知2 920 cm-1，2 860 cm-1的峰为长链烷基。1 700 cm-1的峰为羰基。图1～图2中3 300 cm-1～2 500 cm-1的宽峰为羧基的峰。C-Br的峰在图1中600 cm-1～500 cm-1无峰，图2中600 cm-1～500 cm-1有峰，图3又无峰，得到预期的产物。

图2α-卤代硬脂酸的红外谱图

2.2甜菜碱型阳离子清洁压裂液配方的确定

甜菜碱阳离子压裂液体系中主剂是甜菜碱阳离子表面活性剂；使用无机钾盐作为促进表面活性剂成为胶束，并有防膨及黏土稳定作用；增稠剂使用天然的高分子材料，既有增稠的作用又有降滤失作用。

压裂液配方的筛选（见表1）。

表1压裂液配方的筛选

由表1可知④号配方当VES的含量为4%，长链醇为0.25%,无机钾盐含量为4%，增稠剂含量为0.3%时可以挑挂且残渣量少，为最佳的配比。甜菜碱型阳离子清洁压裂液的配方（见表2）。

2.3压裂液的破胶液的表面张力

表面张力影响破胶液的返排，表面张力小，溶液的液珠变形通过砂岩粒间的毛细孔时，对流体产生的阻力效应相应较小，越易返排。破胶液的表面张力（见表3）。

表3破胶液表面张力

由表3可知，甜菜碱阳离子清洁压裂液的破胶液的表面张力比水的表面张力明显要低，为35.5 N/m。压裂液易于返排，对油气层的损害低。

3小结

（1）甜菜碱型阳离子清洁压裂液最优配比为4%VES+0.25%长链醇+0.3%增稠剂+4%无机钾盐。

（2）甜菜碱型阳离子清洁压裂液在170 s-1的转速下经历1 h后黏度仍能达到30 mPa·s以上，在60℃以内黏度可以达到30 mPa·s以上可以达到携砂要求；压裂液破胶后残渣少，为175 mg/L，但破胶液的黏度偏高，为2.518 mPa·s，但满足破胶要求；压裂液的乳化率偏高，破乳不彻底，不产生不溶性沉淀；表面张力小，为35.5 N/m，但滤失相对比较大。