高分子材料在页岩油气采收关键支撑剂材料中的应用
任先艳，尹金容，周扬，秦伟，曾真，李真勇
西南科技大学材料与化学学院，绵阳621010
摘要：滑溜水压裂技术已成为储层开采改造和增产的主要手段，尤其是受持续升高的能源需求和逐渐增高的常规油气开采成本的驱使，发展滑溜水压裂技术开采非常规油气资源是我国落实能源安全战略和坚实能源保障的重要举措。超低密度支撑剂和自生支撑剂是发挥该技术效果的关键材料。针对目前聚合物复合微球超低密度支撑剂存在疏水性弱和疏水可调控性差、硬度和刚性不足等缺陷，以及相变型自生支撑剂相变时间难以精准调控、生长速率缓慢、生长过程和相变过程难以监测等不足，本文展开了以下一系列研究。一方面，基于“KH570-苯乙烯（St）-二乙烯基苯（DVB）”共聚物分子结构，制备了3种具有长期持久疏水性的高强度改性苯乙烯-二乙烯苯共聚物微球（MSDBs），包括O-MSDBs（疏水型MSDBs）、LO-MSDBs（持久疏水型MSDBs）和CO-MSDBs（涂层O-MSDBs）。其中，O-MSDBs具有很强的疏水性，其表面静态水相接触角（θw）可达140.7°，但在强盐酸或氢氟酸中的持久性较短；相反，LO-MSDBs具有更好的疏水稳定性和持久性，其表面静态水相接触角（θw）略低，约为135.9°；与LO-MSDBs相比，CO-MSDBs具有更强的疏水性（θw=139.0°），且具有比O-MSDBs更持久的疏水稳定性。此外，具有可控释放疏水性的超低密度支撑剂可以满足不同断裂环境的不同要求，在非常规储层勘探中发挥着重要作用。因此，我们首次通过悬浮聚合设计并合成了分子结构为γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（KH570）-苯乙烯（St）-二乙烯基苯（DVB）（FR-SDB）的支撑剂。FR-SDB微球的疏水性可在10 min~144 h的宽时间范围内可控响应，其表面静态水相接触角（θw）可从初始约50°提高至90°~125º，且可调控。另一方面，为增加苯乙烯-二乙烯苯共聚物（SDB）的刚度并获得所需的超低密度（ULD）支撑剂，考虑到碳点（CDs）作为零维碳纳米材料的特性，将其进行原位引入；并考虑到压缩强度和轴向变形量等因素，优化了CDs改性的SDB微球（CDs-SDBs）的合成条件。以石墨改性的SDBs（MG-SDBs）为参考，CDs-SDBs的密度随CDs量的增加几乎保持在约1.1800~1.1899 g·cm-3左右。CDs-SDBs不仅具有高峰值压力（41.5 N），而且轴向变形量小（0.090 mm）。在更高的压力下，CDs-SDBs相对于MG-SDBs的优势更加显著，可以承受80 MPa的封闭压力，破碎率仅为4.47%。CDs-SDBs表现出显著的光致发光性能，最大激发和发射波长分别为634 nm和554 nm。最后，结合井筒和裂缝实际环境，基于自由基聚合机理，通过构建“St（苯乙烯）-DVB（二乙烯基苯）”共聚物交联结构、调控引发体系或掺杂无机填料等方法，研究了自生支撑剂的组成和工艺，构筑了一种高强度（56.2 N）、相变时间可控（9-66 min）和生长快速的自生支撑剂。针对自生支撑剂相变过程和生长过程未形成可靠的研究方法，开展了自生支撑剂相变过程和生长过程的监测研究。
关键词：超低密度支撑剂；自生支撑剂；疏水性；刚度；抗压强度；生长速度
参考文献：
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2. Zhou, Y.; Chen, H.; Wang, J.; et al. Fuel. 2023, 352, 129054.
3. Qin, W.; You, Y.; Song, Y.; et al. Polym Composite. 2023, 44(12), 8454-8464.
报告人简介：任先艳（1982.10-），女，陕西西安人，副教授，硕士生导师，四川省海外高层次留学人才。研究方向为油气采收与应急高分子材料。