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热增粘智能型水溶性聚合物是一种特殊的温度刺激响应型聚合物,是指聚合物溶液的粘度随着温度升高而升高的聚合物,其反常的“热增粘”行为与大多数聚合物所具有的“热稀释”性能刚好相反。热增粘智能型水溶性聚合物这种独特的性能,使其在控制药物释放、流体减阻、涂料工业,特别在提高石油采收率等方面有潜在的应用价值。
本文首次合成了系列具有不同低临界溶解温度(LCST)的基于双丙酮丙烯酰胺的温敏性大分子单体(MPAD),对其结构进行了定性和定量表征,系统地研究了其水溶液的LCST行为,考察了MPAD的组成及浓度、溶液中NaC1含量和溶液pH值对MPAD的LCST的影响。结果表明,LCST可通过这些参数来进行调控。
将MPAD分别与AM、AA或AMPS共聚,制备了系列非离子型和阴离子型热增粘水溶性聚合物,对聚合物的结构进行了定性和定量表征,测定了聚合物的特性粘数和分子量,研究了聚合物溶液的表观粘度和模量随温度的变化规律,利用荧光光谱和凝胶变温核磁共振谱(HRMAS1H NMR)从分子水平上研究了聚合物溶液的微观构象,利用冷冻透射电镜(Cryo-TEM)直观地观察了聚合物水溶液在不同温度下的微观结构。研究表明:
(1)随着非离子型热增粘聚合物PAD或NaC1浓度的增加,PAD溶液的热增粘能力增加,缔合温度(Tass)降低,且在NaC1溶液中的热增粘效果较在纯水中好。PAD溶液具有独特的粘弹性能,高温下弹性性质更为突出,低温下粘性性质更为明显;传统聚丙烯酰胺(PAM)溶液的粘弹性能则与之相反。
(2)阴离子型热增粘聚合物PADA和PADS在纯水中没有表现出热增粘性能,而在NaC1溶液中有较好的热增粘性能,且随着NaC1含量的增加,热增粘能力增加,Tass降低。在相同的条件下,PADS热增粘能力较PADA强,且两者在NaC1溶液中都具有较好的粘弹性能,这种粘弹性能与聚合物溶液形成的三维网络结构的强弱有关。
(3)荧光光谱、凝胶变温NMR表征结果和Cryo-TEM观察都证明了当聚合物溶液的温度高于Tass时,热增粘聚合物在溶液中的构象表现为疏水的三维网络结构。
利用所制备的非离子型热增粘聚合物和部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)进行了实验室驱油对比实验。结果表明,在模拟胜利油田Ⅲ类油藏(温度为75℃、矿化度为32868mg·L-1,Ca2+和Mg2+总含量为873mg·L-1)的条件下,热增粘聚合物比HPAM提高采收率值高。