水力压裂是低品质油藏有效开发的关键技术。然而,压裂液被称为压裂施工的“血液”,目前还存在很多问题。传统的聚合物压裂液抗剪切性差,高温剪切条件下黏度保持率低。为了满足施工要求,初始黏度必须高,但过高的初始黏度不利于控制裂缝的高度,且聚合物压裂液破胶后残渣含量高,对储层基质渗透率和裂缝导流能力伤害严重。黏弹性表面活性剂(VES)清洁压裂液被认为是传统聚合物压裂液的理想替代品,但耐温性还有待于提高,而且较高的成本限制了清洁压裂液在低油价形式下的推广应用。此外,伴随着水力压裂而来的环境污染问题在世界范围内越来越受到人们的关注,压裂返排液处理已成为水力压裂必不可少的措施,国家环境保护法也鼓励企业清洁生产和资源循环利用。本次研究基于对上述问题的综合考虑,提出了耐高温、可循环清洁压裂液技术,希望通过循环利用来降低清洁压裂液的成本,并促进压裂返排液的处理,降低环境污染。以此为目标,本文通过理论研究及室内实验,取得了以下几方面的成果及认识:(1)设计、合成、筛选了一款以二十二碳烯酸、N,N-二甲基丙二胺、环氧丙烷及甲胺为主要材料的新型Gemini季铵盐VES稠化剂(J-22)产品,该稠化剂产品分子结构稳定,Kraft点小于零,CMC为6.5×10-4mol/L,饱和吸附量为10-6mol/m2,饱和吸附条件下的单分子最小截面积为10-18m2,该稠化剂在溶液表面的吸附遵循Langmuir等温吸附,该稠化剂在实际应用中无需提纯,原料利用率100%,为了满足现场快速配液的要求,可以提前将其配制成60%的乙醇溶液;(2)J-22稠化剂水溶液为黏弹性流体,弹性特征明显,属于非时性Newton流体中的 Bingham 流体,符合 Herschel-Bulkley、Cross、Carreau 及 Carreau-Yasuda 流变模型,稠化剂浓度对其水溶液的流体类型及流变模型基本上没有影响,但对其溶液的黏弹性有较大影响,主要表现为黏度、黏弹性模量及松弛时间的增大;(3)以此为稠化剂的J-22清洁压裂液体系:5%的J-22稠化剂+1.2%氯化钾,其适用温度达150℃。相应的性能评价结果表明该体系的减阻率可以达到61%,静态悬砂3h后无明显沉降,破胶迅速、彻底且残渣含量为0,对岩心基质渗透率的伤害率只有5.17～6.73%,为同等条件下胍胶压裂液的伤害率(36.49%)的14.17～18.44%;(4)J-22稠化剂分子结构稳定,在高温剪切条件下分子结构保持完整,J-22清洁压裂液体系高温剪切条件下表现为可逆破坏的动态平衡体,黏度降低是由于分子热运动和溶解度增加打破了这一动态平衡,增大了胶束的解聚速度所致。反离子盐-氯化钾对稠化剂胶束的影响首先是促进胶束的增大,然后使胶束聚集得更加紧密,从而增加胶束对高温剪切破坏的抵抗能力,进而增加压裂液体系的耐温性;(5)进一步优化后的J-22清洁压裂液体系:5%的J-22稠化剂+0.5%氯化钾+0.25溴化钾,在160℃、170s-1条件下剪切2h后的黏度仍然能够保持在40mPa·s以上,满足水力压裂施工要求,将清洁压裂液的适用温度刷新到了 160℃;(6)J-22稠化剂可以通过相分离技术从压裂返排液中成功回收,该方法不仅操作简单、回收率高、成本低廉,而且回收产品纯度非常高,采用多次回收得到的稠化剂配制的清洁压裂液体系仍然能够满足120℃的压裂施工要求,通过循环利用可以提高J-22稠化剂的利用效率,降低压裂液成本。本文从清洁压裂液稠化剂本身入手,获得了配方简单且性能优越的耐高温清洁压裂液体系,在无需任何辅助措施的条件下,将清洁压裂液的适用温度刷新到了 160℃,并且从分子尺度上对清洁压裂液在高温剪切条件下黏度降低的机理进行了分析,首次提出并在分子尺度上证明了通过相分离方法对清洁压裂液稠化剂进行回收利用的可行性,既提高了清洁压裂液稠化剂的利用率,又响应了国家对清洁生产与资源循环利用的倡导,可以在一定程度上加快实现水力压裂液零排放的进度。