在致密油气资源开发中,滑溜水压裂是一种高效的增产方法,其中减阻剂是一种重要的添加剂,其性能好坏直接影响压裂效果。水力压裂越来越多在复杂的地质条件进行,这对减阻剂的综合性能提出更高的要求。此外,环保法律法规越来越严格,要求压裂液及返排液具有低残渣、安全环保、无毒、易处理等特点,同时尽量降低对储层的伤害,因此新型减阻剂及压裂液体系的研究一直受到专家和学者的关注。本文将改性纳米材料引入到聚合物材料基体中,通过分子结构设计制备出纳米相均匀分散的纳米复合减阻材料,使用室内摩阻仪和数值模拟的方法研究减阻特性,最后研制了一种纳米复合压裂液体系。其主要研究结果如下:(1)利用溴丙烯与N,N-二甲基十六烷基-1-胺进行亲核取代反应制备出疏水单体(N,N-二甲基十六烷基烯丙基溴化铵,DMHAAB)。使用阳离子表面活性剂对原始钠基蒙脱土进行改性,制备出纳米相中间体,层间距由1.22 nm扩大为2.10 nm。配合丙烯酰胺(AM)、对苯乙烯磺酸钠(SSS)和DMHAAB,利用原位聚合反应制备出共聚纳米复合减阻剂(ASD/MMT)。XRD图谱中蒙脱土的特征峰消失了,通过透射电子显微镜(TEM)观察发现,蒙脱土片层在聚合物基体中呈现无序的剥离状态,扫描电子显微镜(SEM)下观察到蒙脱土-聚合物相互作用三维网状结构,说明蒙脱土与聚合物基质发生相互作用,这为性能提高创造了结构基础。通过研究发现ASD/MMT和纯聚合物(ASD)相比,在耐盐、耐温及黏弹性等方面均有不同程度的提升。减阻实验表明,相同条件下ASD/MMT的减阻性能和减阻率优于ASD。(2)对纳米二氧化硅进行表面修饰,制备出功能性纳米相,联合其他单体制备出共聚纳米复合减阻剂(PASD-Si O₂)。通过电子显微镜观察到,纳米二氧化硅粒子在聚合物基体中均匀分散,PASD-Si O₂的分子微观网状结构更加密实,这种结构减弱严苛的外部环境(高温、高矿化度及高剪切条件)对其分子稳定性的影响。相同浓度的样品溶液,在90℃剪切53 min后PASD的粘度比PASD-Si O₂的粘度明显小。减阻实验结果表明,和PASD相比,PASD-Si O₂的减阻性能有不同程度的提高;二价阳离子(My²⁺)比一价阳离子(Na⁺)对PASD-Si O₂减阻效果影响更大;加量为0.05%样品溶液在高泵速下剪切30 min,减阻率比PASD提高11.12%。(3)基于黏弹性理论,针对制备的纳米复合材料特性,考虑纳米相加入后产生的影响,构建与实验相匹配的几何模型以及建立兼备刚性分子和柔性分子本构关系的数学模型,通过自定义函数方法将编制的程序植入到ANSYS FLUENT中去进行求解,数值模拟结果与实验结果误差较小。在一定范围内,减阻效果随着雷诺数、维森贝格数、分子拉伸长度等参数增加而增大。(4)通过优选减阻剂、粘土防膨剂和表面活性剂的种类和浓度,研制出纳米复合压裂液,其组成为:0.07%ASD/1%MMT、1%KCl和0.01%TF328,该体系具有低表面张力、低界面张力、易返排、环保及减阻效果稳定等优点,80℃环境中放置4 h后表面张力和界面张力基本保持不变,减阻性能和抗剪切性均优于羟丙基胍胶。对纳米复合减阻机理进行了定性分析,纳米复合减阻剂同时具有高分子的柔性和纳米相的刚性,柔性性质可以提高减阻性能,刚性性质可以提高结构稳定性,即同时兼顾减阻效果与减阻持久性,该减阻剂为滑溜水压裂提供一种新型材料。