納米顆粒改性清潔壓裂液的分子動力學模擬及實驗研究.pdf

1、納米顆粒改性的清潔壓裂液可提高壓裂液的攜砂性能、耐溫性能，并降低壓裂液的濾失性，研究納米顆粒改性清潔壓裂液的微觀機理和宏觀工程特性有重要意義。本文研究親水性納米顆粒改性的粘彈性表面活性劑壓裂液，采用分子動力學模擬研究清潔壓裂液中鹽、納米顆粒的添加及溫度對其的影響；并測試納米顆粒改性的清潔壓裂液的工程特性。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下：
　　1.鹽對表面活性劑自組裝影響的分子動力學模擬
　　研究了有機鹽NaSal和無機鹽KCl對單鏈

2、表面活性劑CTAB和雙子表面活性劑16-6-16膠束化的影響，并對比了CTAB和16-6-16膠束化過程。在一定范圍內(nèi)，NaSal的添加可以使球狀膠束向棒狀膠束轉(zhuǎn)變。適量的NaSal的添加可以促進膠束化，提升清潔壓裂液體系的流變性能。但當有機鹽添加過量時，膠束表面所能提供的供 Sal-結(jié)合的表面有限，膠束只有分離成多個小的膠束才能提供足夠的結(jié)合表面，這樣反而影響膠束化過程。因此，對于清潔壓裂液體系，有機鹽的添加有一上限，且雙子表面活性劑

3、為Sal-提供的結(jié)合幾何空間大。
　　膠束的回旋半徑隨 KCl的添加波動，沒有呈現(xiàn)明顯的規(guī)律。Cl-在膠束表面有一峰值分布，且Cl-和Br-的分布之和比無KCl時Br-的分布多；而K+無明顯峰值，且隨著KCl添加量的增加，陽離子K+在遠離膠束處的分布量減小。無機鹽KCl的引入抵消了陽離子基團之間的排斥力，并屏蔽膠束周圍水的作用，所以KCl的添加對膠束有柔順作用，使不同的膠束更容易纏結(jié)在一起形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使清潔壓裂液表現(xiàn)出好的流變特

4、性。
　　在質(zhì)量分數(shù)相同時，CTAB棒狀膠束的棒狀化程度比16-6-16的低。說明同質(zhì)量分數(shù)的雙子表面活性劑比單鏈表面活性劑更容易膠束化。表面活性劑膠束化過程的初始階段為單體及低聚物碰撞以形成小的膠束，之后膠束的長大來自于小膠束的碰撞。
　　2.清潔壓裂液膠束形成的影響因素研究
　　采用分子動力學方法研究溫度和納米顆粒添加對表面活性劑及鹽形成的清潔壓裂液的影響。質(zhì)量分數(shù)為6％CTAB、2%KCl和2%NaSal形成的體

5、系，最終形成了棒狀膠束和蠕蟲狀膠束。5nm納米顆粒的添加使體系形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且納米顆粒的添加可以加快膠束化過程。膠束通過一個半球面與納米顆粒連接，半球面中間主要分布CTAB的疏水尾鏈和Sal-的疏水部分，連接處外圍分布的是CTAB和Sal-的親水部分。且實驗中冷凍電鏡拍攝到Gemini型表面活性劑壓裂液膠束的幾何尺寸為5nm~40nm左右，且添加納米顆粒后可將蠕蟲狀膠束連接而形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提升清潔壓裂液的流變特性。
　　同質(zhì)量百

6、分比的情況下，6nm納米顆粒體系較大，形成尺寸極大的膠束（長約40nm），納米顆粒需要連接兩個以上較大的膠束才能形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
　　親水性為 P1的納米顆粒在升溫至330K后與膠束脫離，不能維持清潔壓裂液在高溫時的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。本文認為親水性強的納米顆粒在高溫時對清潔壓裂液網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的維持會起到一定的作用。對于沒有添加納米顆粒的體系，升溫至315K使由兩個蠕蟲狀膠束和一個球狀膠束形成的體系變?yōu)橐粋€蠕蟲狀膠束；繼續(xù)升溫至330K，體系變?yōu)?/p>

7、一個T形膠束。有機鹽和無機鹽的添加可以抑制因溫度引起的CMC升高。
　　3.壓裂液濾失性和對巖心基質(zhì)滲透率損害率測試
　　對比研究納米顆粒的添加對壓裂液濾失性和對巖心基質(zhì)滲透率損害率的影響。納米顆粒的添加能夠形成假想濾餅，降低壓裂液的濾失性；但由于濾液中仍有納米顆粒的作用，因此添加納米顆粒的濾液粘度也較大。頁巖孔隙直徑在5~300nm之間，且小孔徑占的比例大。15nm納米顆粒更易滲入孔隙中對巖心造成傷害。添加30nm納米顆粒