纳米颗粒改性VES压裂液的工程特性及分子动力学模拟研究

摘要

VES压裂液是一种由表面活性剂组成的清洁压裂液，有望解决传统压裂液配比复杂、对地层伤害大的问题。但是VES压裂液也存在着耐温性能差、滤失量大等问题。本文通过往VES压裂液中添加纳米颗粒，特别是热释电纳米颗粒，来改善VES压裂液高温下粘度下降过快的问题。由于目前还缺乏系统的理论来解释纳米颗粒对VES压裂液的增粘机理。因此，本文将通过分子动力学模拟，将模拟与实验相结合，分析分子水平下纳米颗粒和胶束的相互作用，从而解释纳米颗粒增粘的微观机理。本文的研究内容和主要贡献如下： （1）研究了纳米颗粒的添加对VES压裂液流变特性的影响。分别对纳米颗粒种类、纳米颗粒添加百分比和温度对VES压裂液的零剪切粘度和粘弹性的影响进行研究。结果发现：纳米颗粒的添加在30~60℃之间，对VES压裂液的粘度有着明显的改善效果，这是因为纳米颗粒吸附在胶束表面，屏蔽了胶束之间的排斥作用，促使了网状结构的形成，从而增大粘度。不过纳米颗粒添加存在一个最佳添加百分比，过多的纳米颗粒添加反而会破坏网状结构，使得粘度降低。并且，高温下，VES压裂液的粘度下降快，且纳米颗粒的添加对粘度的改善效果不理想。 （2）针对高温下粘度下降较快的问题，通过往VES压裂液添加热释电纳米颗粒来改善耐温性能。热释电纳米颗粒在升温时，纳米颗粒表面产生电荷，通过静电吸附作用来增强纳米颗粒和胶束之间的相互作用，增强了网状结构的稳定性，从而提高了高温下的粘度。本文研究了热释电纳米颗粒对耐温性能的影响，并与普通纳米颗粒进行对比。结果表明，在90~100K的温度下，普通纳米颗粒，对于耐温性能没有改善效果，而热释电纳米颗粒ZnO和BaTiO3能够有效提高VES越来越多耐温性能，增强其在高温时的粘度。 （3）通过分子动力学模拟的方法来解释纳米颗粒增粘的微观机理。分别研究了纳米颗粒添加百分比、温度和热释电纳米颗粒对VES压裂液胶束形成的影响。模拟结果表明：纳米颗粒能吸附蠕虫状胶束形成网状结构，使得粘度增加，而过多的纳米颗粒反而破坏了网状结构，导致粘度下降；在400K的高温时，胶束脱离普通纳米颗粒，网状结构破坏，粘度大幅度降低，而热释电纳米颗粒仍能吸附胶束形成网状结构，提高了高温时的粘度。

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