亲二氧化碳固体颗粒的构建及其在超临界二氧化碳中的沉降行为研究

Supercritical carbon dioxide (SC-CO2) fracturing technology has shown great potential in shale gas development. However, proppant carrying property is the major problem this technology faces, due to the low viscosity of SC-CO2. Therefore, from the perspective of proppant, this project proposes to introduce an organosilicon polymers, which has good solubility in SC-CO2 and can react with the proppant, into the surface modification of proppant, in order to improve the poor sand carrying property of SC-CO2. The dissolution mechanism of the siloxane polymer in SC-CO2, as well as the behavior of the modified solid particles in SC-CO2, will be investigated. Combining with the results of chemical characterization, the controllable preparation mechanism of the particles can be clarified. By studying the interfacial action between solid particles/CO2-philic modifiers/supercritical carbon dioxide, the interfacial chemical mechanism of the sedimentation behavior of CO2-philic particles in SC-CO2 can be revealed. Finally, the method of regulating the sedimentation behavior of particles in SC-CO2 will be established. The results can be used to develop the theory of surface modification theory of solid particles. It is of great significance to promote the development of SC-CO2 fracturing technology and expand the application of supercritical fluids.

超临界二氧化碳（SC-CO2）压裂技术在页岩气开发中表现出较大的应用潜力。由于SC-CO2的粘度较低，故支撑剂携带是该技术面临的主要问题。因此，本课题从支撑剂的角度出发，拟将在SC-CO2中溶解性良好，且可与支撑剂发生反应的有机硅类聚合物引入支撑剂改性中，构建具有亲二氧化碳性质的支撑剂，以期改善SC-CO2携砂性差的问题。通过考察硅氧烷类聚合物在SC-CO2中的溶解规律及其改性固体颗粒在SC-CO2中的沉降行为规律，结合化学表征手段，明确亲二氧化碳固体颗粒的可控制备机理；通过研究固体颗粒/亲二氧化碳改性剂/ SC-CO2间的界面作用，揭示固体颗粒在SC-CO2中沉降行为的界面化学机制；在此基础上建立亲二氧化碳物质调控固体颗粒在SC-CO2中沉降行为的方法。本课题的研究结果可拓展固体颗粒表面改性理论，对于推动超临界二氧化碳压裂技术的发展及超临界流体的推广应用具有重要的意义。

超临界二氧化碳压裂技术在页岩气开发中表现出较大的应用潜力。但由于超临界二氧化碳的粘度仅为0.04～0.1mPa·s，导致其携砂能力较差，是该技术在矿场应用中面临的主要问题。本项目提出了从支撑剂角度出发，通过对支撑剂进行亲二氧化碳表面改性，改善支撑剂在超临界二氧化碳中的悬浮性能，进而提高携砂效果的研究思路。首先研究了超临界二氧化碳的温度和压力对亲二氧化碳碳氢聚合物和含硅聚合物溶解性的影响规律，分析了偶联剂、改性剂、颗粒性质对改性颗粒覆膜率的影响，阐明了亲二氧化碳颗粒制备机理在于优选合适的偶联剂通过共价反应将亲二氧化碳聚合物包裹于颗粒表面，进而赋予固体颗粒对二氧化碳的亲和性。在此基础上，对比研究了未改性颗粒和亲二氧化碳改性颗粒在超临界二氧化碳中的沉降规律，表明含硅类亲二氧化碳聚合物MSH的效果最好，颗粒的沉降速度随颗粒密度和粒径的增大而增大，随改性剂用量的增大而减小，随超临界二氧化碳压力的增大、温度的降低而减小。机理在于亲二氧化碳改性剂在与超临界二氧化碳分子接触的过程中，亲二氧化碳链段会由卷曲变为舒展状态，增强了颗粒与二氧化碳分子间的相互作用，增大了颗粒的沉降阻力，从而表现出沉降速度的减小。结合本实验数据，推导了亲二氧化碳颗粒在超临界二氧化碳中的沉降方程。最后，针对常用的石英砂支撑剂和陶粒支撑剂，选择在超临界二氧化碳中具有较好溶解性的亲二氧化碳改性剂制备了亲二氧化碳支撑剂。系统研究了亲二氧化碳支撑剂在超临界二氧化碳中的沉降运移规律，20-40目陶粒支撑剂和石英砂支撑剂的沉降速度分别降低了16.3%和21.9%，跟随性分别提高了7.5%和10.9%。研究结果丰富了固体表面改性理论，对于推动超临界二氧化碳压裂技术的发展具有一定的指导意义。