剪切作用对功能聚合物微观结构性能的影响研究.pdf

第 4 1 卷 第 4期 2 0 1 3年 4月 燃料化学学报 J o u r na l o f Fue l Che mis t r y a n d Te ch no l o g y V0 1 41 NO 4 Ap r 2 01 3 文章编 号 0 2 5 3 2 4 0 9 2 0 1 3 0 4 0 4 4 9 0 7 剪切作用对 功能聚合物微观结构性 能的影响研究 李美蓉 黄 漫 曲彩霞 曹绪龙 张继超 刘 坤 1 中国石油大学 华东 理学院 山东 青 岛2 6 6 5 8 0 2 中国石 化胜利 油田地质科学研究 院 山东 东 营2 5 7 0 1 5 摘要 梳型聚合物和活性聚合物是目前常用驱油聚合物 其增黏性和黏弹性是评价其驱油能力的重要指标 为考察剪切作 用对两种聚合物溶液性能的影响 分别研究了梳型聚合物和活性聚合物溶液经过模拟炮眼剪切前后的宏观和微观性能变化 结果表明 在高速剪切 拉伸应力作用下 梳型聚合物黏度损失率为4 0 7 3 活性聚合物黏度损失率为7 0 1 0 当剪切频率 为0 0 2H z时 梳型聚合物界面扩张弹性降低了 1 9 0 3 而活性聚合物界面扩张弹性降低了 6 8 0 3 相比活性聚合物 梳型 聚合物紧密的空间网状结构虽被部分破坏 但仍有疏松的网络结构 且以聚集体 的形式紧密地分散在溶液中 通过 D L S及 A F M测定表明其粒径尺寸稍有变小 可见梳型聚合物抗剪切能力较活性聚合物强 关键词 梳型聚合物 活性聚合物 炮眼剪切 黏度 界面扩张弹性 中图分类号 O 6 3 1 1 3 文献标识码 A Efle e t o f s he ar act io n o n t he m ic r oc o s m ic s t r uct ur e a nd pe r f o r m a nce of f unct io na l po l y m er us e d in o il dis pl a ce m e nt L I Me i r o n g H U AN G Ma n Q U C a i x ia C A O Xu l o n g Z HA NG J i ch a o L I U K u n 1 C o l l e g e o fS cie n ce C h i n a U n i v e r s i t y o fP e t r o l e u m E a s t C h i n a Q i n g d a o 2 6 6 5 8 0 C h in a 2 G e o l o g i ca l S ci e n t i f i c R e s e a r ch I n s t i t u t e S h e n g l i O ilfi e l d S I NO P E C D o n g y in g 2 5 7 0 1 5 C h i n a Abs t r act Co mb s h a p e d po l yme r a n d r e a ct i v e p o l y me r a r e t wo k in d s o f p o l y me r s wid e l y u s e d i n t h e t e r t ia r y r e cov e r y p r oce s s a t p r e s e n t a nd the ir v is co s it y a n d v is co e l a s t icit y are impo r t a nt i n de x e s f o r e va l u a ting the o il d is p l a ce m e n t e fficie n cy To in v e s t i ga t e the e f f e ct o f s h e ar a cti o n o n the p r o p e r t ie s o f p o l y me r s ol u ti o ns t h e ma cr os co p ic a n d micr o co s mic p r o p e rtie s o f th e co mb s ha pe d po l y m e r a n d r e a ct iv e p ol y m e r b e f o r e a n d a f t e r s h e a fi ng t h r o u g h t he s i mul a t e d ho l e cu t we r e compare d Th e r e s u l t s s h o we d tha t a t hi g h s p e e d s he afin g a n d t e n s il e s t r e s s the v is cos iti e s o f th e co mb s h a pe d p o l y me r a n d th e r e a ctive po l y me r are d e cr e a s e d b y 4 0 73 a nd 7 0 1 O r e s pe ct iv e l y W i th a s h e ar f r e q u e n cy o f 0 0 2 Hz the in t e r f a cial d il a t a t io n a l e l a s t icit ie s o f the co mb t v pe p o l y me r an d the r e a cti v e p o l y me r are r e d u ce d b y 1 9 0 3 a n d 6 8 0 3 r e s p e cti v e l y Co mp are d wit h the r e a ct ive p o l y me r the co mb s h a pe d p o l y me r s t i l l e x h ibi t s a l o os e n n e t wo r k s t r u ct u r e a n d is p r e s e nt a s a gg r e g a t e s d is pe r s e d in the s o l ut io n a f t e r s h e afin g th o ug h i t s s u pe r m o l e cul ar s t r u ct ur e is pa r t ia l l y d e s t r o y e d the p a r ti cl e s iz e o f the co mb s ha p e d p o l y me r a s me a s ur e d b y DLS a nd 删 is o nl y s l ig h t l y r e d u ce d Th e s e s ug g e s t tha t the co mb s ha p e d p o l y me r h a s a s u p e r io r s he ar p e rfo r man ce t o the r e a ct i ve p o l y me r Ke y wo r d s co mb s h a p e d p o l y me r r e a ct iv e p o l y me r h o l e cu t v is co s i t y in t e r f a cial d il a t a t io n a l e l a s t icit y 针对 目前使用的聚合物普通存在不耐温不抗盐 的缺点 开发了耐温抗盐 的梳型聚合物和活性聚合 物 梳形聚合物是在高分子的侧链 同时带亲油基团 和亲水基 团 由于亲油基团和亲水基团的相互排斥 使得分子内和分子间的卷曲 缠结减少 高分子链在 水溶液中排列成梳形 活性聚合物是一种溶于水后 吸水溶胀且可变形 的高分子 它除了具有一般聚合 物的性能外还具有一定 的表面活性 驱油聚合物溶液的黏性可以扩大波及 系数 从 而提高原油的采收率 聚合物 的界面扩张黏弹性则 可以驱替部分盲孔中的残余油 提高洗油效率 进一 步提高采收率 功能聚合物溶液在现场注入地 下的过程中 将经历一系列的机械剪切 比如注入管 线与设备 注聚工艺 完井方式 炮眼 近井地带的 高速剪切降解作用 导致聚合物分子发生断裂 溶液 黏度明显下降 近年来 针对炮 眼附近的高速剪切 和拉伸作用对聚合物溶液宏观性能的影响做 了许多 研究 6 圳 但对其 界面 流变性质 的研 究报道 较少 本实验针对梳型聚合物和活性聚合物 研究炮 眼附 近剪切作用对聚合物溶液性能的影响 探讨 了聚合 物溶液的黏度 界面扩张弹性及微观形态的变化 比 较两种功能聚合物抗剪切能力 对指导油 田开发具 收稿 日期 2 0 1 2 0 8 1 3 修回 日期 2 0 1 2 1 0 3 0 基金项 目 国家重大科 技专项基金 2 0 0 8 Z X0 5 0 1 1 国家高技术研究发展计划 8 6 3计划 2 0 0 8 AA 0 9 2 8 0 1 联 系作者 李美蓉 1 9 6 6 一 女 教授 主要从事油 田化学方面的研究 T e l 1 8 7 5 4 2 6 3 3 1 5 E ma i l lmr o n g 8 8 8 1 6 3 C O Y 1 4 5 0 燃料化学学报 第 4 l 卷 有重要意义 1 实验部分 1 1 材料与试剂 模拟填沙管 乌氏黏度计 中间容器 D 2 5 0 L型 恒速恒压泵 海安石油科 技有 限公 司 H W 4 B型 恒温箱 南通 华兴石油 仪器有 限公 司 B r o o k f i e l d D V I I P r o型黏度计 美 国 B R O OK F I E L D公 司 Z a t a s i z e r Na n o Z S型高灵敏度动态光散射仪 英 国 马尔文公 司 S 4 8 0 0冷 场扫描 电镜 日本 E t 立 公 司 美 国DI 公司 Na n o S co p e 1 Va 原子力显微镜 美 国 D I 公司 J MP 2 0 0 0界面膨胀流变仪 上海 中辰 数字技术设备有限公司 活性 聚合物 梳型聚合物均由胜利油田地质科 学研究院提供 经无水乙醇抽提 真空干燥恒重备 用 二 次蒸馏 水 为 实验 室 自制 其 他试 剂 均 为分 析纯 1 2聚合物的增黏性测试 分别将 5 0 0 0 mg L的聚合物母 液用二次蒸馏 水稀 释到所需的浓度 用 电磁搅拌器搅拌 1 h后在 2 5 下恒温 2 0 mi n 用 B r o o k f i e l d D V一 P r o型黏 度计测定其黏度 转速为 4 2 2 2 s 1 3 模拟剪切实验 1 3 1 注入 速 率 注入速率为 1 0 m m d 每米 1 6个射孔 射 孔孔眼直径为 1 cm 深度 为 5 0 cm 计算 可得渗流 速率为 0 0 4 6 1 cm s 实验 中渗流速率与实际渗流 速率相等 填沙管直径为 3 8 cm 计算注入速率 3 0 mL mi n 1 3 2 剪 切实 验 向模拟装置 4 8 cmx 5 2 cm 充填 8 O 1 2 0目磨 圆度较好 的石英砂 孔 隙度 2 2 按 图 1所示 将 浓度为 1 5 0 0 mg L的聚合 物溶液 以一定 的流量通 过模拟段 收集产 出液并密封保存 图 1 模拟剪切装置流程示意图 F i g u r e 1 S k e t ch ma p o f p r o ce s s s i mu l a t i o n o f s h e a r d e v i ce 1 4 剪切前后功能聚合物界面扩张弹性的测定 L a n g mu i r槽 法 测 定 界 面 扩 张 黏 弹 性 将 5 0 0 0 m g L的 聚合 物母 液 用 去 离子 水 稀 释 至 1 5 0 0 m g L 聚合物溶液 首先调节滑障到固定的位 置 然后挂上 吊片将重力清零 必要时用微调按钮 将 吊片浸没在溶液中 在恒温循环水浴 中静置 3 h 改变不同频率 测量剪切前后功能聚合物界面扩 张 弹性 2 结果与讨论 2 1 功能聚合物的增黏能力比较 按 1 2的实验方法 将 5 0 0 0 m L的聚合物母 液用二次蒸馏水稀释到不同的浓度 在 2 5 测定各 浓度梳形聚合物和活性聚合物的黏度 结果见图 2 由图 2可知 梳型聚合物的黏度 比活性聚合物 的黏度大 当浓度为 1 5 0 0 mg L时 梳型聚合物黏 度达到 3 0 5 mP a s 而活性聚合物 的黏度偏小 黏度 只有 1 8 2 m P a s 这是 因为梳形聚合物分子 主链上 带有含极性基团短侧链 侧链之间体积 和电性排斥 作用使聚合物主链不易卷缩 舒展程度好 呈梳型结 构 且分子间的作用力及分子链的缠结作用随着聚 合物分子在水溶液 中浓度 的增加而加强 因而梳形 聚合物溶液黏度比较高 窃 吕 0 璺 图2 功能聚合物的黏浓曲线 Fi g ur e 2 Re l a tio ns h i p be t we e n a p p a r e n t v i s cos i t y a n d co n ce n t r a ti o n o f f u n cti o n a l p o l y me r 2 2 模拟剪切作用对功能聚合物宏观性能的影响 在高速剪切 拉伸应力作用下不 同结构的功能 聚合物抗剪切能力不 同 分别对活性聚合物和梳型 聚合物剪切前后黏度及分子量进行测 量 计算黏度 损失率 结果见表 1 和表 2 第 4期 李美蓉 等 剪切作用对功能聚合物微观结构性能的影响研究 4 5 5 8 叶仲斌 彭杨 施雷庭 舒政 陈洪 多孔介质剪切作用对聚合物溶液粘弹性及驱油效果的影 响 J 油气地质与采收率 2 0 0 8 1 5 9 5 9 6 2 YE Z h o n g b i n P E NG Ya n g S H I L e i rin g S HU Z h e n g C H E N Ho n g T h e i n f l u e n c e o f s h e a r a c tio n i n p o r o u s me d iu m o n v i s c o e l a s tic i t y a n d 0 i1 d i s p l a c e me n t e ffi c i e n c y o fp o l y me r J P e t r o l e u m G e o l o g y a n d R e c o v e r y E f f i c ie n c y 2 0 0 8 is 9 5 9 6 2 9 陈洪 韩利娟 徐 鹏 罗平亚 疏 水改性 聚丙烯酰胺 的增粘机理研究 J 物理化学学报 2 0 0 3 1 9 1 1 1 0 2 0 1 0 2 4 C HE N Ho n g H AN L i j u a n X U P e n g L UO P i n g y a T h e t h i c k e n in g me the n is m s t u d y o f h y d r o p h o b i c a l l y mo d i fie d p o l y c r y l a mid e J Ac t a P h y s i c o C h i mi c a S i n i c a 2 0 0 3 1 9 1 1 1 0 2 0 1 0 2 4 1 0 朱怀江 赵常青 罗健辉 魏宝和 杨静波 朱德升 聚合物水化分子的微观结构研究 J 电子显微学报 2 0 0 5 2 4 3 2 0 5 2 1 0 Z H U H u a i j i a n g Z H AO C h a n g q in g L U O J i a n h u i WE I B an h e Y A NG J i n g b o Z H U De s h e n g S t u d y o n the m ic r o s l r u c tur e o f p o l y me r mo l e c u l e h y d r a t e J J o u r n a l o f Ch in e s e E l e c t r o n Mic ms c o p y S o c i e t y 2 0 0 5 24 3 2 0 5 2 1 0 1 1 Z H A NG Y X F P L I M Z WANG E J N o v e l a p p r o a c h t O s y n the s i z in g h y d r o p h o b i c a U y ass o c ia tin g c o p o l y me r u s i n g t e mp l a t e c o p o l y me r i z a tio n T h e s y n the s i s and b e h a v io r s o f a c ryl a mid e a n d 4 一 一 p r o p e n o y l o x y e tho x y b e n z o i c a c id e o pol y me r J J P h y s C h e m B 2 0 0 5 1 0 9 4 7 2 2 2 5 0 2 2 2 5 5 1 2 张瑞 叶仲斌 罗平亚 原子力显微镜在聚合物溶液结构研究中的应用 J 电子显微学报 2 0 1 0 2 9 5 4 7 5 4 8 1 Z H AN G R u i Y E Z h o n g b in L UO p i n g y a Th e a t o mi c f o r c e mi c r o s c o p y s tud y o n t h e mi c r o s t r u c t u r e o f t h e p o l y me r s o l u tio n J J J o u rna l o f C hi n e s e E le c t r o n Mi c r o s c o p y S o c i e 曰 2 0 1 0 2 9 5 4 7 5 48 1 1 3 曹宝格 驱油用疏水缔合聚合物溶液的流变性及粘弹性试 验研究 D 成都 西南石油学院 2 0 0 6 C AO B a o g e T HE e x p e d me n t s tud y o n the the o l o g i c a l p rop e r tie s a n d v i s c o e l astic o f h y d r o p h o b ic a s s o c i a t i n g p o l y me r s o l u tio n u s e d t O di s p l a c e c r u d e o i l D C h e n g d u S o u thw e P e t r o l e u m U