增黏劑氟化丙烯酸酯-苯乙烯在超臨界CO2壓裂液中的流變特性及增黏機(jī)制

徐傳奇，黃倩，付美龍，趙眾從

(長(zhǎng)江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100)

超臨界CO2壓裂是一種典型的無水壓裂技術(shù)，其壓裂液表面張力接近于零、滲透能力極強(qiáng)、可滲入微小的孔隙和微裂縫形成大量的微裂縫網(wǎng)絡(luò)，不會(huì)出現(xiàn)壓裂液殘?jiān)灰追蹬拧⒄惩僚蛎?、?chǔ)層堵塞以及地下水污染等情況，比較適合在頁巖氣藏中進(jìn)行開發(fā)應(yīng)用[1-3]。但CO2粘度低、攜砂能力差，在近井地帶的裂縫中常出現(xiàn)砂堵現(xiàn)象，達(dá)不到預(yù)期的壓裂施工效果。目前最有效的增黏方法是引入親CO2化合物——含氟化合物，其中半氟化化合物在超臨界CO2中的溶解性表現(xiàn)最佳，在該類單體中引入芳香族化合物，利用芳香族側(cè)鏈基團(tuán)的堆積作用使分子間形成增黏大分子，既可以提高其在CO2中的溶解性又能顯著增大與CO2混合后的流體粘度[4-5]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

氟化丙烯酸酯、苯乙烯、偶氮二異丁腈(AIBN)均為分析純；氮?dú)?N2)、二氧化碳(CO2)均為純度99.9%的高純氣體。

FTIR-650傅里葉變換紅外光譜儀；TDS總?cè)芙舛葴y(cè)定儀；HAAKE Viscotester iQ AIR流變儀；N-AF 2X TELEPLUS PRO 300肯高2倍增倍鏡；AT-X M100 PRO D 100 mm F2.8 MACRO微距鏡頭；pco.dimax cs1高速攝像機(jī)。

1.2 增黏劑氟化丙烯酸酯-苯乙烯的合成

根據(jù)相關(guān)的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，確定了增黏劑氟化丙烯酸酯-苯乙烯中單體的最佳配比[6-7]。將氟化丙烯酸酯與苯乙烯按質(zhì)量濃度0.71∶0.29的配比放置于安瓿瓶中，在偶氮二異丁腈(AIBN)和惰性氣體N2的密閉環(huán)境下油浴120 ℃加熱12 h進(jìn)行聚合，得到白色單一相流體產(chǎn)物，其產(chǎn)率為93.9%，分子量為71 400 g/mol，粘度值為62.4 mPa·s。氟化丙烯酸酯-苯乙烯的具體合成反應(yīng)路線如下：

1.3 性能測(cè)試

紅外吸收光譜測(cè)試采用傅里葉變換紅外光譜儀；流體溶解度測(cè)試采用總?cè)芙舛葴y(cè)定儀；超臨界CO2壓裂液粘度測(cè)試采用恒溫抗壓的流變儀，過程中嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)溫度和壓力(T>31.5 ℃、P>7.38 MPa)，以保二氧化碳流體始終處于超臨界狀態(tài)；最后，增黏劑于超臨界CO2流體中的狀態(tài)，將通過由增倍鏡、微距鏡頭和高速攝像機(jī)組裝而成的高頻顯微攝像機(jī)對(duì)超臨界CO2壓裂液流變測(cè)試裝置可視窗的實(shí)時(shí)觀測(cè)來完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 增黏劑氟化丙烯酸酯-苯乙烯的結(jié)構(gòu)表征

對(duì)聚合產(chǎn)物氟化丙烯酸酯-苯乙烯過濾、干燥等處理后進(jìn)行紅外吸收光譜測(cè)試，結(jié)果見圖1。

圖1 氟化丙烯酸酯-苯乙烯的紅外光譜圖

2.2 增黏劑氟化丙烯酸酯-苯乙烯在超臨界CO2中的增黏效果

為評(píng)價(jià)氟化丙烯酸酯-苯乙烯對(duì)超臨界CO2的增黏效果，室內(nèi)以恒溫抗壓的流變儀測(cè)試了超臨界CO2壓裂液于不同溫度、壓力及增黏劑注入量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))下的粘度，測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 增黏劑氟化丙烯酸酯-苯乙烯在超臨界CO2中的增黏效果

由表1可知，在增黏劑氟化丙烯酸酯-苯乙烯的作用下，超臨界CO2壓裂液的粘度值可高達(dá)17.834 mPa·s，與單組分超臨界CO2的粘度相比增大了兩個(gè)數(shù)量級(jí)(148～321倍)，增黏效果顯著。

分析認(rèn)為，這主要是由于氟化丙烯酸酯-苯乙烯的分子結(jié)構(gòu)上同時(shí)具有增溶的親CO2基團(tuán)和增黏的疏CO2基團(tuán)。首先，苯乙烯側(cè)鏈基團(tuán)(疏CO2基團(tuán))可通過芳環(huán)間的堆積作用而與其他分子間相互關(guān)聯(lián)形成大分子，起到一定的增黏效果。其次，增黏劑中的氟碳官能團(tuán)(親CO2基團(tuán))還能破壞CO2分子間的電四極矩相互作用，并與CO2分子之間發(fā)生偶極-四極相互作用。由路易斯酸堿理論可知，這種半氟化共聚物分子主鏈上的氫原子與氟原子可分別作為路易斯酸和路易斯堿與CO2發(fā)生H—O相互作用和F—C相互作用，因此具有較好的親CO2性。所以，氟化丙烯酸酯-苯乙烯能較好地溶解于CO2，對(duì)超臨界CO2壓裂液具有較好的增黏效果[10-11]。

2.3 增黏劑氟化丙烯酸酯-苯乙烯在超臨界CO2中的流變特性

利用恒溫抗壓的流變儀，通過改變剪切速率、溫度、壓力與聚合物濃度，來測(cè)試超臨界CO2壓裂液粘度，分析流體粘度與剪切速率、溫度、壓力、聚合物濃度等因素之間的變化規(guī)律，以研究氟化丙烯酸酯-苯乙烯于超臨界CO2中的流變特性。

2.3.1 剪切速率的影響 不同剪切速率下的超臨界CO2壓裂液粘度測(cè)試結(jié)果見圖2。

圖2 剪切速率與超臨界CO2壓裂液粘度的關(guān)系曲線

由圖2可知，聚合物濃度一定時(shí)超臨界CO2壓裂液粘度隨剪切速率的增加而持續(xù)減小。其中，當(dāng)剪切速率在100～500 s-1之間時(shí)壓裂液粘度變化幅度較大，當(dāng)剪切速率超過500 s-1時(shí)壓裂液粘度降低幅度變緩，且高剪切速率下的粘度比低剪切速率下的粘度小1個(gè)數(shù)量級(jí)。這說明氟化丙烯酸酯-苯乙烯與超臨界CO2的混合流體具有假塑型流體的剪切特性，屬于典型的非牛頓性流體[12]。

分析認(rèn)為，壓裂液粘度隨剪切速率增加而減小的原因，一方面是由于流體分子鏈在一定剪切速率下因剪切變形而導(dǎo)致了分子鏈側(cè)基斷裂與剛性減弱[13]。由于流體流動(dòng)活化能隨分子鏈的側(cè)基減少、剛性減弱而變小，故由Andrade方程可知，流體活化能E降低可引起流體粘度降低，即流體剪切變稀[14]；另一方面，則是因?yàn)樵诜┧狨?苯乙烯與超臨界CO2的混合流體流動(dòng)過程中還存在著分子纏結(jié)現(xiàn)象，能對(duì)流體流動(dòng)形成阻礙而提高流體粘度，但由于分子纏結(jié)隨剪切速率增加而減弱，因此剪切速率越高流體粘度越低[15]。

Andrade方程：η=KeE/RT

式中η——溫度為T時(shí)的流體粘度，mPa·s；

K——給定切應(yīng)力下表示流體特征及其分子量的常數(shù)，無量綱；

E——流體活化能，kJ/mol；

R——通用氣體常數(shù)，0.008 314 MPa·m3/kmol·K；

T——絕對(duì)溫度，K。

2.3.2 溫度、壓力的影響 不同溫度、壓力下，增黏劑氟化丙烯酸酯-苯乙烯與超臨界CO2流體的粘度測(cè)試結(jié)果見圖3、圖4。

圖3 溫度、壓力與超臨界CO2壓裂液粘度的關(guān)系曲線

由圖3可知，超臨界CO2壓裂液粘度隨溫度增加而逐漸減小，隨著壓力增大而逐漸增加。分析認(rèn)為，首先這是由于含氟化丙烯酸酯-苯乙烯的超臨界CO2壓裂液作為非牛頓流體，其流動(dòng)活化能E滿足Williams-Landel-Ferry方程(W-L-F方程)[16]。

式中E——流體活化能，kJ/mol；

R——通用氣體常數(shù)，0.008 314 MPa·m3/kmol·K；

η——溫度為T時(shí)的流體粘度，mPa·s；

T——絕對(duì)溫度，K；

Tg——玻璃化溫度，K。

由W-L-F方程可知，當(dāng)超臨界CO2壓裂液流體溫度T增加時(shí)，其流動(dòng)活化能E會(huì)變小，而流體粘度就降低；同時(shí)，Andrade方程亦可佐證“流體粘度隨溫度增加而降低”這一規(guī)律。

分析認(rèn)為，“體系溫度升高，流體粘度下降；體系壓力增大，流體粘度增加”主要與“流體自由體積”的變化有關(guān)。“流體自由體積”一般定義為流體實(shí)際體積和分子緊密堆砌到無法運(yùn)動(dòng)時(shí)的體積之差，該差值越大表示分子間的活動(dòng)空間就越大，流體越容易流動(dòng)，流體粘度越小。顯然，這種情況下溫度越高，受熱膨脹作用流體自由體積明顯越大，流體粘度越低。其次，流體自由體積還受壓力直接影響。由于增加壓力可減少流體自由體積，故增加壓力可加劇增黏劑分子與二氧化碳分子間的動(dòng)量交換，增加流體切應(yīng)力，從而引起流體粘度的增加。同時(shí)，壓力的增加還能引起超臨界CO2流體的密度，以及增黏劑的溶解度的增加，進(jìn)一步增大體系粘度[17-18]。

圖4 溫度、壓力對(duì)超臨界CO2壓裂液粘度的綜合關(guān)系曲線

由圖4可知，當(dāng)溫度、壓力同時(shí)增大時(shí)，超臨界CO2壓裂液粘度會(huì)呈現(xiàn)出先增后降的變化趨勢(shì)，并在溫度為55 ℃、壓力為14 MPa時(shí)粘度達(dá)到最大，增黏效果最佳，該條件點(diǎn)為該壓裂液粘度變化的一個(gè)“拐點(diǎn)”。由超臨界流體特性可知，該“拐點(diǎn)”處溫度與壓力條件對(duì)于超臨界CO2壓裂液而言具有特殊意義[19]。由于溫度與壓力對(duì)超臨界CO2壓裂液粘度的作用效果相反，因此在溫度、壓力同時(shí)變化時(shí)，超臨界CO2壓裂液粘度值會(huì)呈現(xiàn)非線性變化規(guī)律。將圖4中測(cè)試結(jié)果的變化規(guī)律與圖3中的關(guān)系曲線結(jié)合分析，不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度、壓力偏低時(shí)(溫度<55 ℃、壓力<14 MPa)，該超臨界CO2壓裂液粘度變化主要受壓力的影響，此時(shí)壓裂液粘度主要隨溫度、壓力的增大而增大；當(dāng)溫度、壓力偏高時(shí)(溫度≥55 ℃、壓力≥14 MPa)，溫度影響占主導(dǎo)地位，則此時(shí)該超臨界CO2壓裂液粘度主要隨溫度、壓力的增大而減小。

2.3.3 增黏劑濃度的影響 圖5為實(shí)驗(yàn)條件：溫度55 ℃，壓力14 MPa，剪切速率500 s-1時(shí)，超臨界CO2壓裂液粘度隨氟化丙烯酸酯-苯乙烯注入量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的變化曲線。

圖5 注入量和超臨界CO2壓裂液粘度的關(guān)系曲線

由圖5可知，超臨界CO2壓裂液的粘度隨聚合物濃度的增加呈先增后減的變化趨勢(shì)。分析認(rèn)為該變化主要是由氟化丙烯酸酯-苯乙烯與超臨界CO2流動(dòng)過程中的分子纏結(jié)作用造成的。分子纏結(jié)是大分子鏈之間因強(qiáng)的相互作用而糾纏在一起的現(xiàn)象，纏結(jié)過程中可形成纏結(jié)點(diǎn)，纏結(jié)點(diǎn)的數(shù)量影響著流體的流動(dòng)能力，即影響流體粘度[20]。一般地，溫度、壓力以及剪切速率恒定時(shí)，增黏劑的注入量偏低的情況下(<1%)，由于體系中大分子間的纏結(jié)較少，易產(chǎn)生滑移，不利于大分子鏈的伸展，故流體粘度往往較低；隨著增黏劑注入量的增加(1%～3%)，當(dāng)超臨界CO2流體中的聚合物達(dá)到一定的半稀釋狀態(tài)時(shí)，由于大分子間有足量的纏結(jié)點(diǎn)使張力順利傳遞，因此大分子鏈可充分伸展，故流體粘度較大；但當(dāng)增黏劑注入量持續(xù)增加時(shí)(>3%)，由于超臨界CO2流體中的聚合物濃度偏高，大分子間的纏結(jié)點(diǎn)過多，致使張力傳遞受阻，大分子無法達(dá)到最佳的伸展?fàn)顟B(tài)，反而會(huì)導(dǎo)致流體粘度降低[21]。

2.4 增黏劑氟化丙烯酸酯-苯乙烯在超臨界CO2中的增黏機(jī)制

利用高頻顯微攝像機(jī)觀察分別加入氟化丙烯酸酯-苯乙烯(a)、單體聚合物氟化丙烯酸酯(b)及苯乙烯(c)3種聚合物增黏劑的超臨界CO2壓裂液于流變儀中的溶解、分散情況，并在同一條件下測(cè)取各壓裂液體系粘度及各增粘劑的溶解度，具體溶解情況及測(cè)試結(jié)果見圖6。實(shí)驗(yàn)溫度55 ℃、壓力14 MPa、增黏劑注入質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為3%、剪切速率500 s-1。

由圖6可知，在超臨界CO2中氟化丙烯酸酯-苯乙烯的溶劑顆粒呈現(xiàn)均勻分布，但單體聚合物氟化丙烯酸酯與苯乙烯在超臨界CO2中的分散情況則較差。結(jié)合流體粘度和溶解度的測(cè)試結(jié)果(表2)，能夠發(fā)現(xiàn)超臨界CO2的流體粘度和增粘劑的溶解度呈正相關(guān)，這說明在超臨界CO2中分散性更好、溶解度更高的增黏劑，其增黏效果更好。增黏劑氟化丙烯酸酯-苯乙烯是碳?xì)溲趸衔镏械腍原子被F原子部分取代后所形成的半氟化類化合物[22]。其中該半氟化類化合物的表面特性主要來源于F原子，即：較小的原子半徑、較強(qiáng)的電負(fù)性、較大的F—C鍵能等。一方面，含有F—C鍵原子團(tuán)的氟化丙烯酸酯-苯乙烯會(huì)引起分子間的凝聚力變?nèi)?，使化合物在溶劑中更容易擴(kuò)散；另一方面，氟化丙烯酸酯-苯乙烯分子鏈上C—C鍵的剛直性又能使其分子在水平方向上更容易堆積，所以氟化丙烯酸酯-苯乙烯具有分子內(nèi)親CO2基和疏CO2基。另外，由圖6氟化丙烯酸酯-苯乙烯在超臨界CO2中呈現(xiàn)出的小液滴分布特征可知，該超臨界CO2壓裂液體系在流動(dòng)過程中類似于混合體系的兩相流動(dòng)。超臨界CO2流體中未完全溶解的增黏劑液滴(不規(guī)則球狀)還可沿流線發(fā)生位移，且在液滴內(nèi)部還會(huì)形成環(huán)流，致使兩相界面的近鄰區(qū)域發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使流體粘度增大[23]。

圖6 增黏劑在超臨界CO2中的分布溶解情況

表2 增黏劑在超臨界CO2中的溶解度和粘度測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)論

(1)氟化丙烯酸酯與苯乙烯按質(zhì)量濃度0.71∶0.29進(jìn)行配比，可合成含有兩個(gè)單體結(jié)構(gòu)的無規(guī)共聚物氟化丙烯酸酯-苯乙烯，其產(chǎn)率為93.9%，分子量為71 400 g/mol，粘度值為62.4 mPa·s。分子結(jié)構(gòu)上，氟化丙烯酸酯-苯乙烯同時(shí)具有增溶的親CO2基團(tuán)和增黏的疏CO2基團(tuán)?？墒钩R界CO2的壓裂液的粘度值高達(dá)17.834 mPa·s以上，提高超臨界CO2壓裂液的粘度兩個(gè)數(shù)量級(jí)(148～321倍)，基本滿足現(xiàn)場(chǎng)壓裂的加砂需求。

(2)增黏劑氟化丙烯酸酯-苯乙烯與超臨界CO2的流體粘度隨剪切速率的增加而持續(xù)減小，說明該壓裂液流體具有非牛頓流體的流動(dòng)特性及假塑型流體的剪切特性。其次，超臨界CO2壓裂液的粘度隨著溫度的增大而降低、隨壓力的增加而增大，但在溫度、壓力同時(shí)發(fā)生改變時(shí)，超臨界CO2壓裂液的粘度則先增大后降低。其中，溫度<55 ℃、壓力<14 MPa 時(shí)，其超臨界CO2壓裂液粘度變化主要受壓力影響；溫度≥55 ℃、壓力≥14 MPa時(shí)，溫度影響占主導(dǎo)地位。由于在實(shí)際壓裂施工中，溫度與壓力是同時(shí)發(fā)生改變的，因此應(yīng)主要考慮溫度與壓力對(duì)超臨界CO2壓裂液粘度的綜合影響，以此取得有效的壓裂參數(shù)作為施工參考。最后，超臨界CO2壓裂液粘度隨增黏劑注入量的增加呈先增后減的變化趨勢(shì)。

(3)增黏劑氟化丙烯酸酯-苯乙烯在超臨界CO2中具有顯著的增粘效果。一方面是因?yàn)榉┧狨?苯乙烯具有半氟化類化合物的表面特性，分子內(nèi)同時(shí)具有親CO2基和疏CO2基，在超臨界CO2中具有較好的溶解性，進(jìn)而能夠表現(xiàn)出顯著的增黏效果。另一方面則是因?yàn)樵鲳┓┧狨?苯乙烯在超臨界CO2中呈現(xiàn)小液滴的分布特征，該超臨界CO2壓裂液流體的流動(dòng)過程類似于混合流體的兩相流動(dòng)，溶質(zhì)與溶劑之間產(chǎn)生了近似于界面滑移的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而引起壓裂液體系粘度增加。