深層/超深層油氣資源是未來油氣勘探開發(fā)的重點突破領域。深層/超深層油氣儲層基質(zhì)致密，普遍低孔（< 10 %）、低滲（< 0.1 mD），油氣自然產(chǎn)能低。通過水力壓裂產(chǎn)生具有高導流能力的裂縫，是提高深層油氣采收率的重要手段。超深層壓裂開發(fā)常伴隨著超高溫（> 200℃）、超長井筒（埋深> 4500m）等苛刻條件，對壓裂工作液的儲層耐溫能力和井筒減阻能力提出了新的挑戰(zhàn)。凍膠壓裂液通過稠化劑（聚合物）和有機金屬交聯(lián)劑形成穩(wěn)定的聚合物網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)是目前應對超高溫、強剪切環(huán)境的最優(yōu)策略。與線性膠壓裂液（例如滑溜水壓裂液）相比，此類交聯(lián)膠壓裂液存在巨大的井筒摩阻，造成壓裂能量的浪費。為了平衡壓裂液“儲層耐溫”與“井筒減阻”之間的矛盾，延遲交聯(lián)技術最具應用潛力。通過延緩聚合物與交聯(lián)離子的交聯(lián)速度和交聯(lián)時間，使凍膠壓裂液實現(xiàn)“井筒內(nèi)低黏減阻、儲層內(nèi)高黏耐溫”的功能特性。目前，依靠配位體調(diào)控有機金屬交聯(lián)劑內(nèi)交聯(lián)離子釋放是實現(xiàn)延遲交聯(lián)過程的常用方法。
提高凍膠壓裂液耐溫耐剪切性能的本質(zhì)是強化其聚合物網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，受壓裂施工成本的限制（水平井單井壓裂液用量可超過萬方），通過增加聚合物濃度的高密度單一化學交聯(lián)法在提高凍膠壓裂液的耐溫抗剪切性能方面存在不可避免的缺陷。近年來，基于非共價鍵形成的超分子化學的凝膠材料發(fā)展迅速，其特點是當被破壞的凝膠接近或接觸時，在超分子作用的驅(qū)動下可實現(xiàn)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的自修復。超分子凝膠的自修復特性非常適用于壓裂液的抗剪切要求，但在壓裂液領域目前僅有通過疏水作用構(gòu)建的疏水締合超分子凝膠體系被報道，單一疏水作用提供的非共價交聯(lián)作用有限。貽貝仿生凝膠是炙手可熱的自修復材料，其超分子作用機制逐漸被認識。所具有的兒茶酚結(jié)構(gòu)在自修復過程中起著關鍵作用，該結(jié)構(gòu)提供了多種超分子相互作用，如氫鍵、π - π、陽離子- π等。在油氣田開發(fā)中也出現(xiàn)了一些貽貝仿生材料的報道，例如，利用貽貝仿生聚合物強化界面吸附力/粘附力來提高凝膠顆粒的堵水能力；具有超強粘附性能的貽貝仿生固井劑，解決了鉆井過程中的井壁穩(wěn)定問題。通過引入貽貝仿生超分子作用，將有助于在共價交聯(lián)凍膠基礎上構(gòu)筑多重網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，進一步提升凍膠壓裂液的應用性能。
圖2 （a1、b1）聚合物AAA和貽貝仿生超分子聚合物AAAD的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)示意圖；不同放大倍數(shù)下聚合物AAA（a2、a3）和貽貝仿生超分子聚合物AAAD（b2、b3）的冷凍電鏡圖；不同放大倍數(shù)下0.01 %聚合物AAA（c1 , c2）和0.01 %貽貝仿生超分子聚合物AAAD（d1、d2）的原子力顯微鏡成像圖；0.05 %聚合物AAA（e）和0.05 %貽貝仿生超分子聚合物AAAD（f）的原子力顯微鏡成像圖。
加入交聯(lián)劑后，在200 °C、170 s-1下剪切后，貽貝仿生延遲交聯(lián)凍膠壓裂液的黏度保留率高達95 mPa·s，與常規(guī)聚合物凍膠相比，多次循環(huán)剪切后凍膠模量恢復率提高了15.5 %。25 ℃下貽貝仿生延遲交聯(lián)凍膠壓裂液黏度基本保持不變，90℃下300 s內(nèi)完成交聯(lián)，具有優(yōu)秀的延遲交聯(lián)能力。此外，化學力顯微鏡技術（chemical force probe AFM technology）成功證明了兒茶酚基團是貽貝仿生聚合物中超分子作用的主要來源。除氫鍵外，鹽離子的適當增加有利于增加分子間靜電作用（如陽離子- π），從而增加超分子相互作用的強度。分子模擬結(jié)果表明，由于兒茶酚基團的加入，貽貝仿生聚合物分子內(nèi)的氫鍵相互作用增強。并且形成的額外氫鍵在高溫下更加穩(wěn)定，有利于體系黏度的保持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202405111
