深層/超深層油氣資源是未來油氣勘探開發的重點突破領域。深層/超深層油氣儲層基質致密，普遍低孔（< 10 %）、低滲（< 0.1 mD），油氣自然產能低。通過水力壓裂產生具有高導流能力的裂縫，是提高深層油氣采收率的重要手段。超深層壓裂開發常伴隨著超高溫（> 200℃）、超長井筒（埋深> 4500m）等苛刻條件，對壓裂工作液的儲層耐溫能力和井筒減阻能力提出了新的挑戰。凍膠壓裂液通過稠化劑（聚合物）和有機金屬交聯劑形成穩定的聚合物網絡結構是目前應對超高溫、強剪切環境的最優策略。與線性膠壓裂液（例如滑溜水壓裂液）相比，此類交聯膠壓裂液存在巨大的井筒摩阻，造成壓裂能量的浪費。為了平衡壓裂液“儲層耐溫”與“井筒減阻”之間的矛盾，延遲交聯技術最具應用潛力。通過延緩聚合物與交聯離子的交聯速度和交聯時間，使凍膠壓裂液實現“井筒內低黏減阻、儲層內高黏耐溫”的功能特性。目前，依靠配位體調控有機金屬交聯劑內交聯離子釋放是實現延遲交聯過程的常用方法。
提高凍膠壓裂液耐溫耐剪切性能的本質是強化其聚合物網絡結構，受壓裂施工成本的限制（水平井單井壓裂液用量可超過萬方），通過增加聚合物濃度的高密度單一化學交聯法在提高凍膠壓裂液的耐溫抗剪切性能方面存在不可避免的缺陷。近年來，基于非共價鍵形成的超分子化學的凝膠材料發展迅速，其特點是當被破壞的凝膠接近或接觸時，在超分子作用的驅動下可實現網絡結構的自修復。超分子凝膠的自修復特性非常適用于壓裂液的抗剪切要求，但在壓裂液領域目前僅有通過疏水作用構建的疏水締合超分子凝膠體系被報道，單一疏水作用提供的非共價交聯作用有限。貽貝仿生凝膠是炙手可熱的自修復材料，其超分子作用機制逐漸被認識。所具有的兒茶酚結構在自修復過程中起著關鍵作用，該結構提供了多種超分子相互作用，如氫鍵、π - π、陽離子- π等。在油氣田開發中也出現了一些貽貝仿生材料的報道，例如，利用貽貝仿生聚合物強化界面吸附力/粘附力來提高凝膠顆粒的堵水能力；具有超強粘附性能的貽貝仿生固井劑，解決了鉆井過程中的井壁穩定問題。通過引入貽貝仿生超分子作用，將有助于在共價交聯凍膠基礎上構筑多重網絡結構，進一步提升凍膠壓裂液的應用性能。
圖2 （a1、b1）聚合物AAA和貽貝仿生超分子聚合物AAAD的網絡結構示意圖；不同放大倍數下聚合物AAA（a2、a3）和貽貝仿生超分子聚合物AAAD（b2、b3）的冷凍電鏡圖；不同放大倍數下0.01 %聚合物AAA（c1 , c2）和0.01 %貽貝仿生超分子聚合物AAAD（d1、d2）的原子力顯微鏡成像圖；0.05 %聚合物AAA（e）和0.05 %貽貝仿生超分子聚合物AAAD（f）的原子力顯微鏡成像圖。
加入交聯劑后，在200 °C、170 s-1下剪切后，貽貝仿生延遲交聯凍膠壓裂液的黏度保留率高達95 mPa·s，與常規聚合物凍膠相比，多次循環剪切后凍膠模量恢復率提高了15.5 %。25 ℃下貽貝仿生延遲交聯凍膠壓裂液黏度基本保持不變，90℃下300 s內完成交聯，具有優秀的延遲交聯能力。此外，化學力顯微鏡技術（chemical force probe AFM technology）成功證明了兒茶酚基團是貽貝仿生聚合物中超分子作用的主要來源。除氫鍵外，鹽離子的適當增加有利于增加分子間靜電作用（如陽離子- π），從而增加超分子相互作用的強度。分子模擬結果表明，由于兒茶酚基團的加入，貽貝仿生聚合物分子內的氫鍵相互作用增強。并且形成的額外氫鍵在高溫下更加穩定，有利于體系黏度的保持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202405111
