锆掺杂β-环糊精-碳量子点动态交联水凝胶：超高温压裂液性能增强与流变特性研究

针对超高温(200°C)油气储层压裂需求，西南石油大学团队创新性地开发了基于锆掺杂β-环糊精-碳量子点(β-CCs)的动态交联水凝胶β-CCs-P(AM-AA)。该材料在200°C/170 s-1剪切147分钟后仍保持122 mPa·s粘度，其独特的100°C二次交联机制显著提升了网络稳定性，为极端温度条件下的压裂作业提供了突破性解决方案。

　　

随着全球油气勘探向超深层（>10,000米）发展，塔里木盆地等区域面临200-224°C的极端井下温度环境。传统聚丙烯酰胺压裂液在180°C以上就会出现明显的性能衰减，而常规纳米交联剂（如纳米二氧化硅、氧化锌等）存在易聚集、稳定性差等问题，难以满足超高温压裂需求。这一技术瓶颈严重制约着深层油气资源的有效开发，亟需开发具有自适应交联特性的新型耐高温压裂材料。

西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室的研究团队创新性地将β-环糊精(β-CD)的金属螯合特性与碳量子点(CDs)的纳米增强效应相结合，开发出具有温度响应特性的动态交联水凝胶。研究人员通过水热法合成碳量子点后，将其与单-(6-氨基-6-脱氧)-β-环糊精和八水合氯氧化锆复合，制备出β-CCs交联剂。该交联剂与丙烯酰胺-丙烯酸共聚物P(AM-AA)交联形成的β-CCs-P(AM-AA)水凝胶，在《Geoenergy Science and Engineering》发表的研究中展现出突破性的耐温性能。

关键技术方法包括：1) 水热法制备碳量子点(CDs)；2) EDC/NHS活化羧基后接枝氨基化β-CD；3) 锆离子配位构建动态交联网络；4) 高温流变仪(200°C)评估性能；5) TEM表征纳米结构演变。研究样本为实验室自制的所有化学试剂。

【材料表征】TEM显示β-CCs交联剂呈2.61-2.90 nm单分散分布，锆离子与β-CD形成"核-卫星"结构，这种独特构型为温度响应交联奠定基础。

【流变性能】在27-200°C动态剪切测试中，β-CCs-P(AM-AA)表现出两个显著特征：一是100°C出现粘度突增的二次交联现象，归因于β-CD-Zr⁴⁺的特异性螯合；二是终点粘度达122 mPa·s，比未修饰β-CD的对照组提高83%。

【机理分析】TEM跟踪显示100°C时交联密度显著增加，证实温度触发的配位键重组机制。β-CD的刚性环状结构不仅阻止碳量子点聚集，其丰富的羟基还提供了额外的交联位点。

【对比实验】与单纯CDs交联体系相比，β-CCs体系在200°C下的储能模量(G')提高2.1倍，证明β-CD的引入有效增强了网络结构的热稳定性。

该研究实现了三项重要突破：1) 首次将β-CD的分子识别特性应用于压裂液交联剂设计；2) 发现100°C特异性二次交联现象，为智能材料开发提供新思路；3) 创制出目前报道中耐温性能最优的压裂液体系(200°C)。这种动态交联策略不仅解决了传统材料在超高温下的失效问题，其温度响应特性更可自适应不同深度的储层环境。研究为深层/超深层油气开采提供了关键技术支撑，同时为地热工程等极端环境应用开辟了新途径。国家自然科学基金(42472382)资助的这项成果，标志着我国在高温油田化学品领域取得重要进展。