一种降阻剂的优选及性能评价方法及其应用

1.本发明属于降阻剂技术领域，具体涉及一种降阻剂的优选及性能评价方法及其应用。


背景技术：

2.与常规水力压裂技术相比，sc-co2具有低黏度、高渗透率、高扩散率等特性，让sc-co2压裂具有高效沟通储层裂缝、降低破裂压力、增加甲烷解吸量、无水环保等优点，使其成为当下的压裂研究热点，在页岩气高效开发产业中极具潜力。
3.随着sc-co2压裂室内研究和现场试验的展开，其在压裂过程中产生摩阻较高的问题很快被发现，我国页岩气储层普遍埋存较深，过高的施工摩阻会造成过高的井口压力，不仅对施工设备要求更高，同时对现场施工造成了更大的安全隐患，现有技术中一般是通过加入降阻剂来解决上述问题。
4.目前，在筛选降阻剂的过程中，为了更直观地描述流体在管道中流动产生的摩阻情况，研发了各种摩阻测试装置来进行室内实验，通过物理实验得到流体在管道中流动的摩阻，但是通过此方法，效率低、工作量大。
5.目前，能够提供一种效率高的降阻剂优选及性能评价方法是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供了一种降阻剂的优选及性能评价方法及其应用，确定一种能够探索有效降低sc-co2压裂摩阻的化学药剂及确定具有最佳降阻效果的sc-co2压裂降阻剂配方的方法，是页岩气储层增产改造的重要保障。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.一种降阻剂的优选及性能评价方法，所述方法为分子模拟方法联合管流摩阻方法。
9.优选的，所述分子模拟方法包括以下具体步骤：
10.(1)根据聚合物信息对聚合物进行分类；
11.(2)构建co2与所述聚合物的简化分子构型ⅰ，根据静电势分布信息，选取降阻剂聚合物大类ⅰ；
12.(3)分别构建聚合物大类ⅰ中的聚合物与sc-co2混合分子构型ⅱ和剪切运动构型ⅲ，根据结算结果，选取降阻剂即可。
13.现有技术中目前使用的工业高分子聚合物中，没有指明有能降低co2摩阻的相关化学药剂，为快速获取sc-co2降阻剂，采用先确定降阻剂聚合物大类ⅰ，再确定具体降阻剂的优选方法；
14.其中，静电势分布可以描述位于某一点的单位正电荷与当前体系的相互作用能，判断聚合物分子与co2分子之间是否具有发生相互作用的潜力，进而确定降阻剂聚合物大
类ⅰ。
15.在具体降阻剂的优选方法上，将从化学药剂与sc-co2之间的互溶性与降阻性出发，通过在sc-co2混合分子构型ⅱ中确定聚合物在sc-co2中的溶解性能，在sc-co2剪切运动构型ⅱ中确定聚合物对sc-co2的降阻性能，利用评价参数对不同种类聚合物下的典型化学剂进行优选，进而确定对sc-co2具有降阻性能的降阻剂。
16.优选的，步骤(1)中所述聚合物信息包括：聚合物种类、聚合物分子量和聚合物特征官能团。
17.优选的，步骤(2)中所述选取方法为：根据静电势分布模拟结果，选取与co2产生相互作用的降阻剂聚合物大类ⅰ；同时，所述聚合物大类ⅰ具有明显化学特性、市面常见和经济环保的特点。
18.优选的，步骤(3)中所述sc-co2和所述聚合物的分子数比例为500-1000：1-10。
19.聚合物分子中原子数量较多，需要大量的co2分子才能比较系统地研究聚合物与co2之间的相互作用，但是体系分子数量较大会造成分子动力学计算时间长、计算资源要求大，在文献调研和计算机软件计算效率的综合考量下，设定500-1000：1-10的比例。
20.优选的，步骤(3)中所述剪切运动构型ⅲ采用build layer构建；其中，bottomwall层和topwall层为合金，所述sc-co2与所述聚合物的混合分子体系作为中间fluid层，在topwall层上方添加20-30nm的真空层。
21.剪切运动构型ⅲ中bottomwall层和topwall层为合金，中间fluid层为sc-co2与所述聚合物的混合分子体系，能真实模拟sc-co2与聚合物的混合体系在金属管道中的流动，并可以得到管壁摩擦系数。管壁摩擦系数可以描述金属管壁对混合体系造成的外摩擦，直观表现流体与金属管壁之间的摩擦，管壁摩擦系数越小，流动过程中产生的摩擦损失越小。可以快速优选出对sc-co2流动具有降阻效果的聚合物。
22.优选的，所述剪切运动构型ⅲ中上下边界层使用的不锈钢(0-3)cr(13-30)ni(3-10)ti。
23.不锈钢材料可以选自：铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体-铁素体双相不锈钢、马氏体不锈钢。
24.优选的，步骤(3)中所述剪切运动构型ⅲ中通过摩擦系数和相对黏度参数模拟结果判断降阻剂降阻性，进行选取；所述混合分子构型ⅱ中通过径向分布函数、相互作用能和内聚能密度参数模拟结果判断降阻剂溶解性，进行选取。
25.优选的，所述管流摩阻方法为通过室内二氧化碳管流摩阻实验，验证分子模拟方法选取降阻剂的性能；其中，所述实验以清水管流摩阻为基准。
26.如上述所述的一种降阻剂的优选及性能评价方法在超临界二氧化碳压裂液降阻剂中的应用。
27.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：一种降阻剂的优选及性能评价方法，本发明将分子模拟技术与室内实验研究两方面相结合，实现了sc-co2压裂液降阻剂配方的优选；其中，先通过分子模拟方法优选降阻剂聚合物大类与优选降阻剂候选化学药剂，借助计算机化学软件的方案确定了sc-co2压裂液降阻剂的候选化学药剂，可实现明确sc-co2压裂液降阻剂化学药剂种类的确定，减轻室内实验的负担，同时结合室内实验验证分子模拟优选结果的正确性，对降阻剂候选化学药剂进行性能评价，得到了能有效降低sc-co2压裂
管流摩阻的降阻剂。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
29.图1为本发明实施例一种降阻剂的优选及性能评价方法的流程图；
30.图2为本发明实施例优化退火后的co2 聚合物混合体系分子模型示意图；
31.图3为本发明实施例优化退火后剪切运动模拟分子构型示意图；
32.其中，1-真空层，2-topwall层，3-co2 聚合物层；4-bottomwall层；
33.图4为本发明实施例含氟聚合物-co2的静电势分布图；
34.图5为本发明实施例酰胺类聚合物-co2的静电势分布图；
35.图6为本发明实施例含硫聚合物-co2的静电势分布图；
36.图7为本发明实施例含硅聚合物-co2的静电势分布图；
37.图8为本发明实施例碳氢类聚合物-co2的静电势分布图；
38.图9为本发明实施例1加入不同含氟聚合物体系的摩擦系数柱状图；
39.图10为本发明实施例1加入不同含氟聚合物体系的相对黏度柱状图；
40.图11为本发明实施例2加入不同碳氢类聚合物体系的摩擦系数柱状图；
41.图12为本发明实施例2加入不同碳氢类聚合物体系相对黏度柱状图。
具体实施方式
42.下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
43.如图1，一种降阻剂的优选及性能评价方法，具体包括以下步骤：
44.(1)根据聚合物信息对聚合物进行分类；
45.(2)构建co2与所述聚合物的简化分子构型ⅰ，根据静电势分布信息，选取降阻剂聚合物大类ⅰ；
46.(3)分别构建聚合物大类ⅰ中的聚合物与sc-co2混合分子构型ⅱ和剪切运动构型ⅲ，根据结算结果，选取降阻剂即可；
47.(4)针对步骤(3)选取降阻剂，进行室内管流摩阻实验，验证分子模拟优选结果，确定优选降阻剂降阻率。
48.实施例1
49.一种超临界二氧化碳压裂液降阻剂优选及降阻性能评价的方法，主要步骤包括：
50.(1)获取聚合物信息，建立降阻剂优选参数模型；
51.其中根据聚合物种类、聚合物分子量和聚合物特征官能团选择的聚合物包括：含氟聚合物、酰胺类聚合物、含硫聚合物、含硅聚合物；
52.降阻剂优选参数包括：静电势分布、径向分布函数、相互作用能、内聚能密度、摩擦系数和相对黏度；
53.(2)构建co2与聚合物的简化分子构型ⅰ，获取静电势分布信息，优选降阻剂聚合物大类ⅰ；
54.在dmol3模块下，对co2与步骤(1)中所选择聚合物的简化分子构型进行计算，模拟计算结束后，选择dmol3 electrostatics potential，分析分子间的静电相互作用，根据静电势分布模拟结果(见图4-7)，优选含氟聚合物为sc-co2降阻剂聚合物大类ⅰ；
55.(3)基于聚合物大类ⅰ，构建大类ⅰ中聚合物与sc-co2混合分子构型ⅱ和剪切运动构型ⅲ，获取分子动力学、剪切运动计算结果，选取降阻剂；
56.选取5种具有明显化学特性、市面常见、经济环保特点的含氟聚合物进行化学药剂优选，包括：聚氟烯a、聚氟烯b、聚氟醚、聚氟酯a和聚氟酯b；
57.构建sc-co2与聚合物的混合分子构型ⅱ和剪切运动构型ⅲ，sc-co2与聚合物的分子数比例为1000:4；
58.构建sc-co2与聚合物剪切运动构型ⅲ，上下边界层使用的单相奥氏体不锈钢1cr18ni9ti，采用build layer建立剪切运动构型ⅲ，选择合金作为bottomwall层与topwall层，sc-co2与聚合物的混合分子体系作为中间fluid层，在topwall层上方添加30nm的真空层，分子模型示意图如图2、图3所示；
59.混合分子构型ⅱ和剪切运动构型ⅲ的退火过程在nvt系综下进行，温度范围设定为300-500k，循环5次，总模拟步长设定为50000步；
60.分子动力学过程先在nvt系综下进行，温度设置为308k，模拟时长设置为500ps；在npt系综下温度设置为308k，压力设置为25mpa，模拟时长设置为1500ps；
61.剪切运动过程在先温度为308k的条件下进行500ps的nvt平衡相模拟，限制上下金属层在x、y方向上的运动，在npt系综下设置金属层的相对移动速度为温度设置为308k，压力设置为25mpa，模拟时长设置为1500ps；
62.均采用velocity-scale热浴控制体系温度，采用parrinello-rahman压浴控制体系压力；
63.通过径向分布函数、相互作用能、内聚能密度、摩擦系数和相对黏度参数的分析与评价，结果见表1-2和图9-10，优选出聚氟酯a能与sc-co2互溶且具有降阻性、增粘性，可以作为sc-co2候选降阻剂；
64.表1聚合物-co2之间的相互作用能(单位：kj/mol)
65.66.表2聚合物内聚能密度、溶解度参数计算结果
[0067][0068][0069]
(4)针对降阻剂聚氟酯a，进行室内管流摩阻实验，验证分子模拟优选结果，以清水管流摩阻为基准，确定优选降阻剂降阻率，具体步骤为：在排量为9l/min、压力为10mpa、温度为40℃、浓度为1-6wt％条件下对聚氟酯a进行sc-co2摩阻实验与降阻剂降阻性能测试实验，验证分子模拟优选结果，测定聚氟酯a降阻剂的降阻率，测试结果如表5所示。
[0070]
实施例2
[0071]
一种超临界二氧化碳压裂液降阻剂优选及降阻性能评价的方法，主要步骤包括：
[0072]
(1)获取聚合物信息，建立降阻剂优选参数模型；
[0073]
其中根据聚合物种类、聚合物分子量和聚合物特征官能团选择的聚合物包括：碳氢类聚合物、酰胺类聚合物、含硫聚合物、含硅聚合物；
[0074]
降阻剂优选参数包括：静电势分布、径向分布函数、相互作用能、内聚能密度、摩擦系数和相对黏度；
[0075]
(2)构建co2与聚合物的简化分子构型ⅰ，获取静电势分布信息，优选降阻剂聚合物大类ⅰ；
[0076]
在dmol3模块下，对co2与步骤(1)中所选择聚合物的简化分子构型进行计算，模拟计算结束后，选择dmol3 electrostatics potential，分析分子间的静电相互作用，根据静电势分布模拟结果(见图5-8)，优选碳氢类聚合物为sc-co2降阻剂聚合物大类ⅰ；
[0077]
(3)基于聚合物大类ⅰ，构建大类ⅰ中聚合物与sc-co2混合分子构型ⅱ和剪切运动构型ⅲ，获取分子动力学、剪切运动计算结果，选取降阻剂；
[0078]
选取5种具有明显化学特性、市面常见、经济环保特点的碳氢类聚合物进行化学药剂优选，包括：聚烯酯、聚烯醚、聚乳酸、聚烯酸酯a和聚烯酸酯b；
[0079]
构建sc-co2与聚合物的混合分子构型ⅱ、剪切运动构型ⅲ，sc-co2与聚合物的分子
数比例为1000:4；
[0080]
构建sc-co2与聚合物剪切运动构型ⅲ，上下边界层使用的单相奥氏体不锈钢1cr18ni9ti；采用build layer建立剪切运动构型ⅲ，选择合金作为bottomwall层与topwall层，sc-co2与聚合物的混合分子体系作为中间fluid层，在topwall层上方添加30nm的真空层，分子模型示意图如图2、图3所示；
[0081]
其中，混合分子构型ⅱ、剪切运动构型ⅲ的退火过程在nvt系综下进行，温度范围设定为300-500k，循环5次，总模拟步长设定为50000步；
[0082]
分子动力学过程先在nvt系综下进行，温度设置为308k，模拟时长设置为500ps；在npt系综下温度设置为308k，压力设置为25mpa，模拟时长设置为1500ps；
[0083]
剪切运动过程在先温度为308k的条件下进行500ps的nvt平衡相模拟，限制上下金属层在x、y方向上的运动，在npt系综下设置金属层的相对移动速度为温度设置为308k，压力设置为25mpa，模拟时长设置为1500ps；
[0084]
均采用velocity-scale热浴控制体系温度，采用parrinello-rahman压浴控制体系压力；
[0085]
通过径向分布函数、相互作用能、内聚能密度、摩擦系数和相对黏度参数的分析与评价，结果见表3-4和图11-12，优选出聚烯酸酯b能与sc-co2互溶且具有降阻性、增粘性，可以作为sc-co2候选降阻剂；
[0086]
表3聚合物-co2之间的相互作用能(单位：kj/mol)
[0087][0088]
表4聚合物内聚能密度、溶解度参数计算结果
[0089][0090]
(4)针对降阻剂聚烯酸酯b，进行室内管流摩阻实验，验证分子模拟优选结果，以清水管流摩阻为基准，确定优选降阻剂降阻率，步骤如下：在排量为9l/min、压力为10mpa、温度为40℃、浓度为1-6wt％条件下对聚烯酸酯b进行sc-co2摩阻实验与降阻剂降阻性能测试实验，验证分子模拟优选结果，测定聚烯酸酯b降阻剂的降阻率，测试结果如表5所示。
[0091]
表5聚氟酯a和聚烯酸酯b的降阻率结果
[0092][0093][0094]
各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0095]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。