CO2清洁压裂液的结构特点及理论依据

2025-09-30 理论教育版权反馈

【摘要】：清洁压裂液的蠕虫状胶束构成的空间网状结构体现了它独特的流变性。泡沫压裂液中常用的伴注气体就是CO2和N2。从图7-1所示的CO2相态分布曲线来看，在温度为－56.6℃和压力为0.531MPa时，CO2以气、液、固三种相态同时存在，此点即为CO2的“三相点”。因此将CO2与VES结合起来，就能较好地解决煤层压裂过程中的问题。

清洁压裂液的蠕虫状胶束构成的空间网状结构体现了它独特的流变性。因为清洁压裂液由表面活性剂和盐水来实现溶液的黏性和弹性，所以无须在体系中加入高分子物质，破胶后无残渣，它因低伤害而被广泛使用。在有表面活性剂的水溶液中，随着表面活性剂浓度的增大，表面活性剂分子“双亲”结构中的亲油基被水分子排斥，所以表面活性剂分子聚集成球状胶束，由于亲水基带正电，球状胶束之间相互排斥，此时溶液并不增黏。当加入阴离子后，抵消了阳离子之间的斥力，亲油的尾部远离极性介质（水）朝向胶束内部，而亲水的头部则远离胶束中心，朝向表面。球状胶束转变成棒状，棒状胶束之间相互缠结成空间网状结构，此时溶液黏度增加并且具有一定的弹性，它可以在外界的作用下不再缠结或者重新缠结，这种聚集方式是可逆的。假如对该液体进行剪切，网状结构可以被破坏，黏度降低。但静置一段时间后，其网状结构又重新缠结而成。若加入有机溶剂后，比如烃类，这些有机分子可以进入到胶束的内核，改变它们的聚集状态，蠕虫状的胶束就会很快变成球状胶束，黏度也因此明显降低。

泡沫压裂液是一种优质、低损害的压裂液体系，具有黏度高、滤失低、清洁压裂裂缝、对储集层损害小、易返排等特点，特别适用于低压、水敏性储集层[27]。泡沫压裂液中常用的伴注气体就是CO2和N2。CO2与N2比较，除了可以优先于甲烷吸附在煤层上，增加甲烷的解吸以外，随着矿井的逐渐加深，N2泡沫需要较高的表面处理压力。单位体积的液态CO2能够提供与水相所提供的类似的流体静力学压力，这个压力恰好可以作为加速破胶液体返排的能量，而N2则没有这个性质。CO2还具有其他独特的物理性质，它在不同的条件下可以以气、液、固三种相态存在。从图7-1所示的CO2相态分布曲线来看，在温度为－56.6℃和压力为0.531MPa时，CO2以气、液、固三种相态同时存在，此点即为CO2的“三相点”。CO2的临界温度和压力分别是31.16℃和7.382MPa，CO2的临界状态在地层中很容易达到，而超临界流体具有部分液体的性质，黏度低、流动性好、扩散性强、对溶质具有较强的溶解能力。N2没有这个性质。

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图7-1　二氧化碳的三相图

在煤层的压裂过程中，想减少地层伤害，可以首先选用无固相残渣的VES清洁压裂液。但是低伤害还有一个关键要素就是它破胶后要有充足的能量快速返排，否则破胶越彻底，侵入低渗透地层的程度越深[67]。最好就是利用伴注气体来促进返排，尽量减少破胶液等流体在储层的停留时间，这说明泡沫体系在低渗透煤层也是具有优势的。因此将CO2与VES结合起来，就能较好地解决煤层压裂过程中的问题。(https://www.chuimin.cn)

本节中将CO2分散到VES清洁压裂液中，也就是将VES压裂液与泡沫压裂液两种体系的优点结合起来，既减少了泡沫压裂液中应该引入的高分子聚合物的量，注气后又增加了能量，促进完全破胶的清洁压裂液的返排。另外，泡沫体系进入地层以后，因为CO2独特的物理性质，地层条件很容易就使CO2处于超临界状态。此时，VES流体和超临界的CO2又可以视为两种流体，且两种流体相互分散，且基本不互溶，这样就形成了一种类似混相的体系，其结构见图7-2[68]。该体系中表面活性剂分子与不同的官能团结合，聚集成蠕虫状的胶束，CO2存在的时候表面活性剂分子就会移动到CO2和水的界面上，并且使水相介质中的超临界的CO2也处于稳定状态，使整个体系更加稳定。

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图7-2　VES-CO2结构图[68]

传统理论认为，CO2与VES结合在一起是不可能的，因为CO2本身是可以溶于有机溶剂中的，相似相溶，它应该也具有有机溶剂的性质，这对VES体系的结构来说是有破坏作用的。但事实上CO2作为不连续的分散相，根本不会进入到胶束的内部去破坏该体系原有的性质。最终流体的黏度主要还是由胶束相互缠结形成的。在该体系中，VES流体是连续相，所以其原来固有的性质比如悬砂性、低摩阻、不剪切降解等特性还依然存在。

CO2清洁压裂液的结构特点及理论依据

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