耐温抗盐型丙烯酰胺共聚物的合成及性质研究

【摘要】： 目前,鉴于三次采油中的油藏温度高以及矿化度高的特点,要使驱油剂达到理想的效果,聚合物必须具有很好的增粘能力和很强的耐温、抗盐及抗剪切能力。但如何进一步改善聚合物的性能,更好的适应油田需要,目前与之相应的理论还不够完善,使耐温抗盐聚合物的改进具有一定的盲目性。因此,研究开发增粘性能好,耐温、抗盐、使用性能优良并能广泛应用于石油工业的驱油聚合物,研究耐温抗盐聚合物的结构与溶液特性的关系及其水溶液的聚集行为,探讨分子间增粘机理,提供改进聚合物的理论基础成为目前研究的热点。在聚合物中引入具有特殊功能的结构单元,如具有耐温抗盐功能的结构单元、具有疏水缔合功能的结构单元等,是提高聚合物耐温抗盐性能的有效途径。本论文的工作是基于上述研究背景以及发展趋势展开的,主要研究具有耐温抗盐性共聚物的合成、表征,共聚物溶液聚集行为及其实际应用性能。主要工作和实验结果分为以下几方面： 1、通过丙烯酰胺(AM)与磺酸甜菜碱型离子单体甲基丙烯酰氧乙基-N,N-甲基丙磺酸盐(DMAPS)水溶液共聚,合成了一系列离子单体含量不同的两性离子共聚物P(AM/DMAPS),并通过核磁、红外、元素分析等手段进行表征。通过静态光散射、动态光散射、凝胶色谱-光散射研究了聚合物P(AM/DMAPS)的溶液聚集行为,考察了聚合物浓度、各种盐、老化时间及温度对聚合物溶液聚集行为的影响。研究表明,聚合物P(AM/DMAPS)在纯水及0.1mol.L-1 NaCl溶液中以单分子链与分子间聚集体共存的形式存在。当聚合物浓度1.0g.L-1时,正负离子间的相互作用有利于分子内缔合；当聚合物浓度1.0g.L-1时,此时聚合物聚集行为以分子间缔合为主。各种盐(NaCl、NaBr、NaI、MgCl2、CaCl2)对聚合物P(AM/DMAPS)的溶液聚集行为有双重作用。加入少量的盐,溶液离子强度增加,有利于分子内缔合及分子间聚集体的解缔合。继续增大盐浓度,溶液离子极性进一步增强,溶液以分子间缔合为主。温度的升高有利于聚合物分子间缔合。聚合物P(AM/DMAPS)与油田用驱油剂AP-P4和SNF复配,能大大提高驱油剂的增粘性及热稳定性,具有较高的实际应用性能。 2、通过丙烯酰胺(AM)与甲基丙烯酰氧乙基-N,N-二甲基丙磺酸盐(DMAPS)、甲基丙烯酸十八醇酯(SMA)胶束共聚,合成了一系列疏水单体含量不同的疏水改性两性离子共聚物P(AM/DMAPS/SMA),并通过核磁、红外、元素分析、静态光散射等手段进行表征。通过表面张力、动态光散射及体相流变等方法研究了共聚物的表面活性以及聚合物浓度、外加盐、温度及不同种类的表面活性剂对其溶液聚集行为的影响,最后通过粘度测试考察了聚合物的实际应用性能。实验结果表明：当聚合物浓度在0.07wt%以上时,聚合物溶液表现出明显的表面活性,且随着聚合物的NH的增大表面活性增强。由于两性离子单体的引入,使得聚合物溶液具有优良的耐温抗盐性能,在盐水溶液中的增粘效果显著。在聚合物水溶液中,表面活性剂SDS、DTAB和TX-100对聚合物溶液粘度的影响明显大于两性离子表面活性剂SB3-12的影响,而阴离子表面活性剂SDS的影响最佳。聚合物ADS与油田用驱油剂AP-P4复配后,使得驱油剂AP-P4体系的增粘性及热稳定性都有所提高,具有较好的应用性能。 3、通过丙烯酰胺(AM)与二烯丙基二甲基氯化铵(DMDAAC)、甲基丙烯酸十八醇酯(SMA)胶束共聚,合成了一系列疏水单体含量不同的疏水改性阳离子共聚物P(AM/DMDAAC/SMA),并通过核磁、红外、元素分析、胶体滴定、静态光散射等手段进行表征。通过凝胶色谱-光散射、动态光散射、表面张力、荧光光谱等研究了聚合物P(AM/DMDAAC/SMA)的溶液聚集行为、表面活性和疏水微区的极性,考察了聚合物浓度、盐、温度对聚合物溶液聚集行为的影响。研究表明,在0.1mol.L-1 NaCl溶液中,当聚合物浓度0.5mg.mL-1时,疏水基团间以分子内缔合为主；当聚合物浓度0.5mg.mL-1时,此时聚合物聚集行为以分子间缔合为主。NaCl的加入使得聚合物的流体力学半径先减小后增大,呈现出良好的抗盐性能。同时聚合物盐溶液的流体力学半径随着温度的升高明显增大,说明聚合物具有较好的耐温性。由于疏水单体SMA的引入,聚合物水溶液具有较高的表面活性及较低的疏水微区极性。 4、通过丙烯酰胺(AM)与全氟己基乙基丙烯酸酯(PFHEA)共聚,合成了一系列疏水单体含量不同的全氟改性共聚物P(AM/PFHEA),并通过核磁、红外、元素分析、静态光散射等手段进行表征。通过动态光散射法及振荡气泡法考察了聚合物溶液体相及气液界面的聚集行为,详细研究了聚合物0.001-1.0wt%浓度范围内的动态界面张力及气液界面扩张粘弹性。研究表明：聚合物在溶液中易于疏水缔合,形成分子聚集体,临界缔合浓度约在0.7wt%左右。聚合物的界面张力及其随时间降低速率的大小与氟碳疏水基团含量有关。氟碳疏水基团含量越高,界面张力越低,界面张力降低速率越大。随着聚合物浓度的增大,扩张模量E、弹性模量E’及粘性模量E”先增大后减小,有一最大值。当在30-50℃内升温时,扩张模量E及弹性模量E’呈“V”变化,即先减小后增大,而扩张粘性模量E”呈相反变化规律。综上所述,聚合物的结构组成及温度对其扩张流变性质具有重要影响。 5、通过丙烯酰胺(AM)与甲基丙烯酰氧乙基-N,N-二甲基丙磺酸盐(DMAPS)/全氟己基乙基丙烯酸酯(PFHEA)共聚,合成了一系列疏水单体含量不同的全氟改性两性共聚物P(AM/DMAPS/PFHEA),并通过核磁、红外、元素分析、静态光散射等手段进行表征。通过动态光散射法、表面张力法、粘度法及共振散射光谱法考察了聚合物溶液的聚集行为,详细研究了聚合物浓度及外加盐对其溶液中分子聚集行为的影响和聚合物的应用性能。研究表明,聚合物溶液表现出较强的表面活性,且随着聚合物中的氟碳疏水基团含量的增加表面活性逐渐增强。聚合物浓度0.1 mg.mL-1时,聚合物分子间相互作用以分子内缔合为主；当聚合物浓度0.1 mg.mL-1时,此时聚合物分子间相互作用以分子间缔合为主。外加盐(NaCl和MgCl2)的加入有利于聚合物分子间的疏水缔合作用。聚合物与油田用驱油剂AP-P4和SNF复配,能大大提高驱油剂的增粘性及热稳定性,具有较高的实际应用性能。