粘弹性表面活性剂流体携砂流动机制研究

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某些具有较长碳链的粘弹性表面活性剂(Viscoelastic Surfactant,简称VES)在反离子作用下,内部可形成长达微米级的蠕虫状胶束。在表面活性剂浓度超过其临界胶束浓度时,这些胶束相互缠绕,宏观上表现出类似高分子聚合物的粘弹性。其相比聚合物的主要优点在于其粘弹性在经历高剪切后可自行恢复,称为活聚合物。另外,VES的粘弹性还随温度、pH值等环境因素的变化而变化,是一种新型智能响应型流体。当VES用于油田压裂液时,无需破胶剂、施工摩阻小、对地层污染小、携砂能力强,是一种新型环保型压裂液。VES是一种复杂的粘弹性流体,使得支撑剂颗粒在VES中的沉降和运移规律变得复杂。以十八烷基三甲基氯化铵(OTAC)和反离子水杨酸钠(NaSal)形成的表面活性剂流体为研究对象,通过实验和数值模拟相结合的方法研究支撑剂颗粒在VES中的沉降和运移规律。首先对OTAC/NaSal的流变特性进行研究,研究了不同浓度配方下,VES的剪切粘度随剪切速率的变化关系以及粘性和弹性模量随角频率的变化关系,并以考虑流体粘弹性的Giesekus本构方程对流变实验数据进行了拟合。其次,采用基于Giesekus本构方程的粘弹性流体数值模拟和可视化实验方法,研究了单颗粒及两颗粒在粘弹性表面活性剂流体中的沉降过程。研究结果表明,流体弹性对单颗粒沉降过程具有重要影响。剪切稀化效应和弹性共同作用,会使颗粒尾部产生负尾迹。同时,负尾迹会导致后续颗粒沉降阻力变大,颗粒在粘弹性流体中沿流动方向呈现结队排列,颗粒碰撞频次减小,总的颗粒群运移阻力降低。最后,采用欧拉-granular多相流模型,对VES在裂缝内的携砂流动进行了数值模拟。结果表明,将VES当成一般的幂律非牛顿流体时,能够得到VES的剪切稀释性对携砂能力的影响。采用Cross流体模拟VES流体携砂流动时,携砂性能随着流体的零剪切粘度η0、流态指数n的增加而提高,随着松弛时间λv的增大而降低,相比幂律流体,Cross流体模型能更好的描述VES流体的流变性和携砂性能。
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