含有动态共价键的水溶性驱油聚合物的合成及性质研究

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三次采油中注入高粘度聚合物能够减小水油流度比,增大波及体积和携带力,从而驱替出更多的原油,但矿化度高、剪切作用强使驱油聚合物粘度损失极其严重,最高可达80%。要达到理想效果,聚合物必须具有良好的增粘能力、较强的耐盐抗剪切性。目前人们也根据相应理论提出了进一步改良聚合物性能的方法,尤以疏水缔合聚合物或化学键交联聚合物最为常见,但是对于提升聚合物的耐盐耐剪切性能的方法并不多。因此,开发增粘性能好、耐盐、抗剪切、性能优良并能实际应用的驱替剂具有重要的实际意义。基于此,本论文设计合成了系列含有动态共价键的水溶性驱油聚合物,主要从增粘性、耐盐性、耐剪切性、界面活性四个方面进行了探讨研究,其中动态共价键的动态平衡性有助于聚合物剪切后分子量和粘度的恢复,提升聚合物抗剪切性能。(1)以工业可获得的丙烯酰胺、双丙酮丙烯酰胺为基本单体,采用水溶液自由基共聚得到不同比例的丙烯酰胺-双丙酮丙烯酰胺共聚物,再以己二酸二酰肼为可控小分子交联剂得到了酰腙键交联的水溶性非离子型共聚物。通过核磁共振氢谱、红外光谱、静态光散射、元素分析、动态光散射等手段对共聚物进行了结构表征。通过粘度计、流变仪、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等方法考察了共聚物浓度和交联剂含量以及盐离子浓度对共聚物粘度、流变性质、微观形貌的影响。采用多段式剪切和机械剪切模拟泵剪切和地下多孔介质的剪切作用探究了共聚物的耐剪切性能,最后通过岩心驱替实验探索了共聚物的应用性能。酰腙键的交联增强了共聚物的网络结构,3 g/L共聚物的6576 mg/L矿化水溶液粘度仍能达1400 mPa·s。剪切断裂的分子链可以通过时刻处于动态平衡的酰腙键再形成实现分子量的恢复,粘度恢复率达68%,可提高采收率13.1%-16%。(2)通过季铵化反应得到疏水单体十六烷基二甲基烯丙基氯化铵,并与丙烯酰胺,双丙酮基丙烯酰胺自由基共聚得到三元共聚物,然后用己二酸二酰肼交联构筑了含酰腙键结构的水溶性疏水缔合共聚物。通过核磁共振氢谱、红外光谱、静态光散射、元素分析进行了结构表征,动态光散射研究了共聚物溶液的聚集行为,采用旋转粘度计、流变仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜考察了共聚物溶液的耐盐性和耐剪切性。采用表界面张力测试探究了溶液的表界面活性。结果发现,共聚物具有优异的耐盐性和界面活性,可耐受3.0×10^4mg/L的Na+溶液,300 mg/L的Ca2+溶液,3 g/L的共聚物矿化水溶液粘度达1400 mPa·s,1 g/L浓度下界面张力低至3 mN/m,能够有效地防止油水聚集。室内岩心驱替实验进一步发现,注入驱替剂后的二次水驱阶段不断有原油采出,最终可以提高采收率10.2%。(3)以丙烯酰胺、双丙酮丙烯酰胺、苯乙烯磺酸钠为共聚单体,通过水溶液自由基共聚得到三元阴离子共聚物,然后与己二酸二酰肼反应获得含有酰腙键的阴离子水溶性共聚物,同时与阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)复配,得到具有酰腙键的阴离子共聚物及其与CTAB的复合作用体系。通过核磁共振氢谱、红外光谱、元素分析、静态光散射对共聚物进行了基本表征,动态光散射、表面张力和界面张力测试研究了溶液性质,并通过粘度和流变学测试考察了不同复配比例及不同盐浓度下的溶液粘度及粘弹性。在相同盐离子浓度下,复合溶液粘度比原始溶液粘度提升超过100倍,温度超过55℃以后,静电作用贡献率达80%,表面活性剂使复合溶液具有较高的表面活性和界面活性,有效结合了聚合物驱与表面活性剂驱的优点,既能以高粘度驱油,又可以避免油水聚集。
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