本發(fā)明涉及油氣田增產(chǎn)改造，尤其是一種超臨界二氧化碳?jí)毫岩簲y砂增強(qiáng)劑的設(shè)計(jì)與合成方法。

背景技術(shù)：

1、為了獲取豐富的頁巖氣資源，水力壓裂是目前開發(fā)頁巖儲(chǔ)層的主要技術(shù)。但是隨著國(guó)內(nèi)勘探開發(fā)研究重點(diǎn)向非常規(guī)儲(chǔ)層轉(zhuǎn)變，水力壓裂技術(shù)常用的水基壓裂液已難以滿足在各種復(fù)雜地層中的壓裂需求，亟需通過新材料、新技術(shù)的應(yīng)用來推動(dòng)非常規(guī)油氣產(chǎn)量增長(zhǎng)。以頁巖儲(chǔ)層為例，頁巖氣儲(chǔ)層通常采用“水平井+大規(guī)模體積壓裂”的方式進(jìn)行開發(fā)，不僅用水量大，而且可能對(duì)粘土含量高的頁巖儲(chǔ)層造成損害，這就造成滑溜水壓裂液體系在頁巖氣儲(chǔ)層壓裂中的進(jìn)一步推廣受到限制，因此無水壓裂技術(shù)成為頁巖氣開發(fā)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

2、在機(jī)理研究中發(fā)現(xiàn)，超臨界二氧化碳?jí)毫岩?sc-co2)可通過復(fù)雜的物理和化學(xué)作用降低破裂壓力、溝通儲(chǔ)層天然裂縫、促進(jìn)甲烷解吸，具有強(qiáng)化增產(chǎn)改造效果和實(shí)現(xiàn)co2利用等顯著優(yōu)勢(shì)。但是目前超臨界二氧化碳?jí)毫岩哼€存在攜砂性能差、摩阻梯度大、相態(tài)控制困難等問題亟待解決。攜砂性差可能造成壓裂液無法順利的攜帶支撐劑到達(dá)預(yù)定位置，因此無法達(dá)到預(yù)期的施工效果，嚴(yán)重時(shí)可能造成砂堵，導(dǎo)致施工無法順利進(jìn)行。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)當(dāng)前超臨界二氧化碳?jí)毫岩捍嬖诘臄y砂性能差，摩阻梯度大的問題，本發(fā)明提供一種超臨界二氧化碳?jí)毫岩簲y砂增強(qiáng)劑的設(shè)計(jì)與合成方法。該方法首先通過分子模擬方法設(shè)計(jì)出超臨界二氧化碳?jí)毫岩簲y砂增強(qiáng)劑，然后通過光引發(fā)溶液聚合反應(yīng)合成攜砂增強(qiáng)劑。

2、本發(fā)明提供的超臨界二氧化碳?jí)毫岩簲y砂增強(qiáng)劑的設(shè)計(jì)與合成方法，步驟如下：

3、s1、調(diào)研co2壓裂液常用添加劑，提取添加劑分子結(jié)構(gòu)中的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)，形成co2常用添加劑官能團(tuán)庫。所述co2常用添加劑官能團(tuán)庫包括氟化丙烯酸酯基團(tuán)、醚鍵、酰胺基、羥基、苯基、酯基及脲基。

4、然后構(gòu)建官能團(tuán)分子模型和co2分子模型，計(jì)算co2與各官能團(tuán)分子間距以及靜電勢(shì)分布，根據(jù)分子間距以及靜電勢(shì)分布的計(jì)算值，選取與co2相互作用最強(qiáng)的官能團(tuán)作為親co2官能團(tuán)，選取與co2相互作用最弱的官能團(tuán)作為疏co2官能團(tuán)。具體是，將計(jì)算出的co2與各官能團(tuán)分子間距值按照從小到大的順序排序，選擇分子間距最小值對(duì)應(yīng)的官能團(tuán)作為親co2官能團(tuán)；然后選擇排在最后兩位的分子間距值對(duì)應(yīng)的兩個(gè)官能團(tuán)，進(jìn)一步比較這兩個(gè)官能團(tuán)的靜電勢(shì)分布，選擇最高靜電勢(shì)和最低靜電勢(shì)差值最大的官能團(tuán)作為疏co2官能團(tuán)，利于不同聚合物間疏co2官能團(tuán)相互作用，纏繞締結(jié)，提高體系粘彈性。

5、s2、根據(jù)親co2官能團(tuán)和疏co2官能團(tuán)，通過分子模擬進(jìn)一步篩選出最優(yōu)親co2官能團(tuán)和最優(yōu)疏co2官能團(tuán)的，以及兩種官能團(tuán)的摩爾比例；具體包括以下兩個(gè)步驟：

6、s21、選取多種與親co2官能團(tuán)分子結(jié)構(gòu)相似的官能團(tuán)組成親co2官能團(tuán)組。選取多種與疏co2官能團(tuán)結(jié)構(gòu)相似的官能團(tuán)組成疏co2官能團(tuán)組。將親co2官能團(tuán)組中的各種官能團(tuán)與疏co2官能團(tuán)組中的各種官能團(tuán)進(jìn)行兩兩組合，構(gòu)建得到一系列二元共聚物分子模型。

7、s22、分別構(gòu)建步驟s21所得二元共聚物與超臨界二氧化碳的混合分子模型和剪切運(yùn)動(dòng)模型，根據(jù)兩種模型的計(jì)算結(jié)果，評(píng)價(jià)所有二元共聚物的綜合性能，篩選出性最佳的二元共聚物，進(jìn)而得到該二元共聚物對(duì)應(yīng)的親co2官能團(tuán)和疏co2官能團(tuán)，即為最優(yōu)親co2官能團(tuán)和最優(yōu)疏co2官能團(tuán)；然后進(jìn)一步研究最優(yōu)親co2官能團(tuán)和最優(yōu)疏co2官能團(tuán)的不同摩爾比所得二元共聚物的綜合性能，優(yōu)選出最佳的摩爾比。

8、所述混合分子模型中二元共聚物與co2分子數(shù)量比例為1-10：500-1000；剪切運(yùn)動(dòng)模型由上下壁面和中間流體層組成，中間流體層為混合分子模型，上下壁面為316l不銹鋼，長(zhǎng)、寬、高尺寸分別為

9、所述混合分子模型中通過徑向分布函數(shù)、相互作用能和內(nèi)聚能密度參數(shù)模擬結(jié)果判斷聚合物溶解性；通過增黏倍數(shù)、彈性模量、屈服應(yīng)力參數(shù)來表征體系粘彈性進(jìn)而判斷聚合物攜砂性；通過摩擦切應(yīng)力判斷該共聚物降低摩阻的能力；根據(jù)安全環(huán)保性評(píng)級(jí)參數(shù)與單體價(jià)格判斷共聚物安全環(huán)保性與經(jīng)濟(jì)性；綜合加權(quán)選定最佳二元共聚物。

10、步驟s1和s2都通過materials?studio軟件完成。

11、s3、根據(jù)步驟s22篩選出的最優(yōu)親co2官能團(tuán)選擇含有該官能團(tuán)的單體作為親co2單體，根據(jù)步驟s22篩選出的最優(yōu)疏co2官能團(tuán)選擇含有該官能團(tuán)的單體作為疏co2單體；以親co2單體和疏co2單體作為原料，按照最優(yōu)親co2官能團(tuán)和最優(yōu)疏co2官能團(tuán)選擇的最佳摩爾比確定兩種原料單體的用量，然后進(jìn)行聚合反應(yīng)，制備的共聚物即為攜砂增強(qiáng)劑。

12、聚合反應(yīng)的方法如下：

13、分別將親co2單體和疏co2單體使用不同溶劑溶解，然后將兩種溶液混合并攪拌，加入引發(fā)劑，得到反應(yīng)溶液；將反應(yīng)溶液置于紫外燈下引發(fā)聚合反應(yīng)，制備的共聚物即為攜砂增強(qiáng)劑。

14、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益之處在于：

15、(1)本發(fā)明創(chuàng)新性的提供了一種采用分子模擬為輔助手段設(shè)計(jì)出綜合性能最佳的二元共聚物作為超臨界二氧化碳?jí)毫岩簲y砂增強(qiáng)劑的方法，然后通過光引發(fā)溶液聚合反應(yīng)合成該二元共聚物，即得到超臨界二氧化碳?jí)毫岩簲y砂增強(qiáng)劑。

16、(2)本發(fā)明的攜砂增強(qiáng)劑是針對(duì)超臨界二氧化碳?jí)毫岩憾O(shè)計(jì)，一定程度上克服了當(dāng)前超臨界二氧化碳?jí)毫岩捍嬖诘臄y砂性能差，摩阻梯度大的問題，具備一劑多用的功效。另外，該共聚物創(chuàng)新性地采用了粘彈性攜砂的概念，不同于以往研究單純地依靠粘性攜砂，一方面可以保證sc-co2壓裂液本身穿透性強(qiáng)，造縫能力優(yōu)異的特點(diǎn)；另一方面可以依靠粘彈性有效攜砂。

17、(3)本發(fā)明的二元共聚物雖為含氟聚合物，但氟碳側(cè)鏈長(zhǎng)度小于等于6，不會(huì)在環(huán)境上存在難降解的問題，不具備生物累加性，不會(huì)對(duì)巖心造成傷害，符合儲(chǔ)層保護(hù)的理念；并且在經(jīng)濟(jì)性上做了考量，符合油田應(yīng)用綠色經(jīng)濟(jì)環(huán)保的要求。

18、本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征將部分通過下面的說明體現(xiàn)，部分還將通過對(duì)本發(fā)明的研究和實(shí)踐而為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。

技術(shù)特征：

1.一種超臨界二氧化碳?jí)毫岩簲y砂增強(qiáng)劑的設(shè)計(jì)與合成方法，其特征在于，步驟如下：

2.如權(quán)利要求1所述的超臨界二氧化碳?jí)毫岩簲y砂增強(qiáng)劑的設(shè)計(jì)與合成方法，其特征在于，步驟s1中，所述co2常用添加劑官能團(tuán)庫包括氟化丙烯酸酯基團(tuán)、醚鍵、酰胺基、羥基、苯基、酯基及脲基。

3.如權(quán)利要求1所述的超臨界二氧化碳?jí)毫岩簲y砂增強(qiáng)劑的設(shè)計(jì)與合成方法，其特征在于，步驟s1中，將計(jì)算出的co2與各官能團(tuán)分子間距值按照從小到大的順序排序，選擇分子間距最小值對(duì)應(yīng)的官能團(tuán)作為親co2官能團(tuán)；然后選擇排在最后兩位的分子間距值對(duì)應(yīng)的兩個(gè)官能團(tuán)，進(jìn)一步比較這兩個(gè)官能團(tuán)的靜電勢(shì)分布，選擇最高靜電勢(shì)和最低靜電勢(shì)差值最大的官能團(tuán)作為疏co2官能團(tuán)。

4.如權(quán)利要求1所述的超臨界二氧化碳?jí)毫岩簲y砂增強(qiáng)劑的設(shè)計(jì)與合成方法，其特征在于，步驟s22中，所述混合分子模型中二元共聚物與co2分子數(shù)量比例為1-10：500-1000；剪切運(yùn)動(dòng)模型由上下壁面和中間流體層組成，中間流體層為混合分子模型，上下壁面為316l不銹鋼，長(zhǎng)、寬、高尺寸分別為

5.如權(quán)利要求4所述的超臨界二氧化碳?jí)毫岩簲y砂增強(qiáng)劑的設(shè)計(jì)與合成方法，其特征在于，步驟s22中，所述混合分子模型中通過徑向分布函數(shù)、相互作用能和內(nèi)聚能密度參數(shù)模擬結(jié)果判斷聚合物溶解性；通過增黏倍數(shù)、彈性模量、屈服應(yīng)力參數(shù)來表征體系粘彈性進(jìn)而判斷聚合物攜砂性；通過摩擦切應(yīng)力判斷該共聚物降低摩阻的能力；根據(jù)安全環(huán)保性評(píng)級(jí)參數(shù)與單體價(jià)格判斷共聚物的安全環(huán)保性；綜合加權(quán)選定最佳二元共聚物。

6.如權(quán)利要求1-5任意一項(xiàng)所述的超臨界二氧化碳?jí)毫岩簲y砂增強(qiáng)劑的設(shè)計(jì)與合成方法，其特征在于，步驟s1和s2均通過materials?sudio軟件完成。

7.一種超臨界二氧化碳?jí)毫岩簲y砂增強(qiáng)劑，其特征在于，由如權(quán)利要求1-6任意一項(xiàng)所述設(shè)計(jì)與合成方法制得。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種超臨界二氧化碳?jí)毫岩簲y砂增強(qiáng)劑的設(shè)計(jì)與合成方法，步驟S1、構(gòu)建CO<subgt;2</subgt;常用添加劑官能團(tuán)庫；構(gòu)建官能團(tuán)分子模型和CO<subgt;2</subgt;分子模型，確定親CO<subgt;2</subgt;官能團(tuán)和疏CO<subgt;2</subgt;官能團(tuán)；S2、首先選取多種與親CO<subgt;2</subgt;官能團(tuán)分子結(jié)構(gòu)相似的官能團(tuán)組成親CO<subgt;2</subgt;官能團(tuán)組；選取多種與疏CO<subgt;2</subgt;官能團(tuán)結(jié)構(gòu)相似的官能團(tuán)組成疏CO<subgt;2</subgt;官能團(tuán)組；將親CO<subgt;2</subgt;官能團(tuán)組中的各種官能團(tuán)與疏CO<subgt;2</subgt;官能團(tuán)組中的各種官能團(tuán)進(jìn)行兩兩組合，得到二元共聚物分子模型；然后構(gòu)建二元共聚物與超臨界二氧化碳的混合分子模型和剪切運(yùn)動(dòng)模型，篩選出綜合性能最佳的二元共聚物，進(jìn)而得到最優(yōu)的親CO<subgt;2</subgt;單體和疏CO<subgt;2</subgt;單體；S3、將最優(yōu)的親CO<subgt;2</subgt;單體和疏CO<subgt;2</subgt;單體作為原料進(jìn)行聚合反應(yīng)，制備的共聚物即為攜砂增強(qiáng)劑。

技術(shù)研發(fā)人員：李小剛,朱靜怡,張烈輝,楊兆中,羅婉毓,易良平,李佳霖,趙玉龍
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西南石油大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19