紫外线引发的功能性聚丙烯酰胺涂层应用于石英砂支撑剂，具有优异的耐温性和耐盐性，从而增强了其自悬浮能力

《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：UV-initiated Functional Polyacrylamide Coating on Quartz Sand Proppant with Enhanced Temperature and Salt Resistance for Excellent Self-suspending Ability

石英砂支撑剂通过紫外光引发聚丙烯酰胺包覆改性，实现自悬浮性能优化。研究采用单因素实验制备三种自悬浮支撑体（ssp1-3），其膨胀比均超过5，热稳定性达280℃初始失重温度，抗压碎率、堆积密度及表观密度显著低于原石英砂。实验发现 SSP2 在高温高盐条件下膨胀性能最优，输送距离达73cm，较原支撑剂提升2倍。SEM、FTIR、1H NMR等表征证实包覆层均匀致密，提升了支撑剂在复杂工况下的应用性能。

　　

Jiang Guo|Yu Duan|Longqiao Hu|Feilong Jian|Fujian Zhou|Yuan Fang|Ou Hai|Wenling Wu|Jianfeng Zhu

教育部重点实验室——出土文化遗产保护材料与技术实验室，陕西科技大学材料科学与工程学院，西安，710021，中国

摘要

支撑剂在水力压裂技术中起着至关重要的作用，而水力压裂是开采非常规碳氢化合物资源最普遍和最关键的技术。在这项研究中，开发了一种环保的紫外光引发工艺，用于制备涂有P(AM-AA-AMPS-MBA)（PAAAM）的石英砂支撑剂。PAAAM可以在水溶液中吸收水分并膨胀，从而降低石英砂支撑剂的相对密度，实现自悬浮能力。经过一系列单因素实验，制备了三种自悬浮石英砂支撑剂（ssp1、ssp2和ssp3），它们的膨胀率均超过5%。这些支撑剂具有良好的热稳定性，初始失重温度约为280°C，并且与原始石英砂相比，其破碎率、堆积密度和表观密度显著降低。值得注意的是，ssp2在高温和高盐度条件下表现出更高的膨胀率。同时，ssp2的运输距离可达73厘米，大约是原始石英砂支撑剂的两倍。ssp2优异的耐温性、耐盐性和运输性能使其成为水力压裂应用中非常有前景的材料。

引言

随着全球经济的快速增长和工业系统的不断发展，人类对不可再生资源（尤其是石油和天然气）的需求持续上升[1]、[2]。传统的碳氢化合物开采方法已无法充分满足经济发展需求[3]、[4]。因此，迫切需要开发非常规石油资源以缓解世界能源消耗的巨大压力[5]、[6]、[7]。在水力压裂技术中，支撑剂起着至关重要的作用[8]、[9]、[10]。目前，除了天然石英砂外，常用的水力压裂支撑剂还包括陶瓷支撑剂和树脂涂层支撑剂[14]、[15]、[16]。自20世纪80年代以来，由于石英砂支撑剂具有较低的相对密度、稳定的化学性质、低成本和环保特性[17]、[18]、[19]，它一直受到石油行业的青睐。

目前，支撑剂通过滑润水压裂液输送到开采非常规碳氢化合物资源过程中形成的裂缝中。然而，支撑剂的输送效果不佳，导致深部裂缝的渗透性较差[20]。因此，研究人员对支撑剂进行了大量改性研究以提高其输送性能。例如，Lan等人[21]将Fe₃O₄掺杂的酚醛树脂涂在陶瓷支撑剂上，这种涂层降低了支撑剂的密度并增强了其自悬浮能力。Lu等人[22]通过将陶瓷支撑剂与环氧树脂和碎屑一起涂层，制备了双层结构的支撑剂（SEPs），这种支撑剂在0.3 wt%的瓜尔胶溶液中的沉降时间更长，从而减少了其在裂缝中的沉降。

如今，由于聚丙烯酰胺具有优异的热稳定性和耐盐性，人们将其应用于支撑剂表面以实现自悬浮能力[23]、[24]。例如，Zhang等人[25]通过用KH570和聚丙烯酰胺改性石英砂，制备出了耐高温和耐盐的自悬浮支撑剂（HTS-SSP），该支撑剂还表现出优异的悬浮稳定性。Cao等人[26]使用陶瓷砂、蔗糖、瓜尔胶、疏水性缔合水溶性聚合物（HAWP）和SiO₂制备了一种自悬浮支撑剂，这种支撑剂在120秒内可以完全悬浮且200分钟内不会发生沉降。Zhang等人[27]使用改性的聚丙烯酰胺和陶瓷制备了一种自悬浮支撑剂，表现出良好的耐温性。最近，Kang等人通过一步溶液法制备了聚丙烯酰胺水凝胶，表现出良好的膨胀率[28]。然而，关于通过紫外光引发聚合反应制备具有耐高温和耐盐性的聚丙烯酰胺涂层石英砂支撑剂的研究较少。

在这项研究中，通过紫外光引发P(AM-AA-AMPS-MBA)在石英砂支撑剂上的聚合反应，成功制备了一种自悬浮支撑剂。通过对影响膨胀性能的关键因素进行研究，确定了三种最佳样品。使用扫描电子显微镜（SEM）、超深度场显微镜（SDF）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和质子核磁共振光谱（¹H NMR）分析了光引发自悬浮支撑剂的微观结构和化学结构。此外，还评估了其热稳定性、膨胀率、凝胶破裂时间、堆积密度、酸溶性、表观密度、破碎率、耐温性和耐盐性、粘度以及运输性能。最终开发出一种具有最佳综合性能的耐盐和耐温自悬浮支撑剂，为水力压裂刺激应用提供了新的方法。

材料

石英砂（40-70目）购自天津科美欧化学试剂有限公司。无水乙醇（C₂H₆O，分析纯）购自中国医药化学试剂有限公司。丙烯酰胺（C₃H₅NO，分析纯）、N,N'-甲基双丙烯酰胺（C₇H₁₀N₂O₂，分析纯）、氢氧化钠（NaOH，分析纯）和丙烯酸（C₃H₄O₂，分析纯）购自天津大茂化学试剂有限公司。2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸（C₇H₁₃NO₄S）

微观结构

图1和图2S展示了石英砂支撑剂和ssp2的SDF和SEM图像。石英砂支撑剂的颜色为浅铜色，表面光滑干净（图1(a)）。对于ssp2，其表面覆盖有白色的PAAAM（图1(b)）。SEM结果显示，ssp2的表面比石英砂支撑剂更粗糙（图1(c, d)），这表明石英砂支撑剂表面被PAAAM覆盖。而ssp1和ssp3的表面...

结论

在这项研究中，通过环保的紫外光引发方法成功制备了具有优异耐温性和耐盐性的PAAAM改性自悬浮石英砂支撑剂。其膨胀率可达5.5，凝胶破裂时间仅为90.5分钟。自悬浮石英砂支撑剂的破碎率、堆积密度和表观密度均显著低于未经改性的石英砂。

作者贡献声明

Yu Duan：软件处理、数据整理。Longqiao Hu：撰写 – 审稿与编辑。Feilong Jian：撰写 – 审稿与编辑。Fujian Zhou：撰写 – 审稿与编辑。Yuan Fang：撰写 – 审稿与编辑。Ou Hai：撰写 – 审稿与编辑。Wenling Wu：撰写 – 审稿与编辑。Jianfeng Zhu：撰写 – 审稿与编辑、资金筹集。Jiang Guo：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法设计、资金筹集、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号U23B2084；62304126；62404128）、陕西省教育厅重点科研计划（编号23JY011）、陕西省科技创新引导项目（2024QY-SZX-04）以及中央政府指导地方科技发展基金项目（2024ZY-JCYJ-04-06）的支持。