黃原膠的化學改性及其性能和結構的研究.pdf

1、本文以目前油田應用較為廣泛的驅油聚合物黃原膠(XG)為研究對象,針對它在使用過程中存在用量高、耐溫有限等問題,根據驅油聚合物的性能要求,改變其分子結構,對其進行化學改性。通過黃原膠與氯代烴(ArCl)進行醚化反應,在聚合物分子鏈上引入疏水基團,合成了具有疏水締合性能的改性黃原膠(MXG)。研究了各種反應條件如反應溫度、反應體系pH值、反應體系中聚合物濃度、改性劑用量以及反應時間對改性聚合物增粘性能的影響,得到醚化反應的適宜條件。通過紫外

2、吸收光譜(UV)、傅立葉變換紅外光譜(FT-IR)和核磁共振氫譜(1H-NMR)對聚合物MXG進行分子結構表征；并使用紫外吸收光譜(UV)對改性黃原膠中改性劑的含量進行了定量分析。結果表明,反應得到的聚合物MXG為目標產物。深入系統(tǒng)地研究了聚合物MXG的溶液性能和疏水締合微觀結構。研究結果表明,聚合物MXG與聚合物XG相比,在純水、鹽水溶液中均具有疏水締合性能,表現了良好的增粘、耐溫、抗鹽、抗剪切等溶液性能；而在強酸強堿溶液中,由于聚合

3、物MXG和XG原有的分子結構被破壞,其溶液性能較純水、鹽水溶液中差。
　　 聚合物MXG在純水和NaCl、CaCl2鹽水中均具有良好的增粘效果。聚合物濃度為2 g/L的MXG純水溶液和NaCl溶液的表觀粘度分別為354mPa·s和314mPa·s。在0～60 g/L NaCl溶液中,由于聚合物分子鏈中疏水基團的疏水締合作用和分子鏈上的親水性基團C-O鍵與溶液中Na+的絡合作用,使聚合物MXG呈現出兩次明顯的鹽增稠效應和良好的抗鹽

4、性能。當NaCl濃度高達60 g/L時,聚合物濃度為1.5 g/L和2 g/L的溶液表觀粘度分別為174 mPa·s和340 mPa·s,而在此鹽濃度下,聚合物XG雖然也有鹽增稠效應,但是與聚合物MXG溶液對應濃度下的表觀粘度僅為140 mPa·s和239 mPa·s。聚合物在CaCl2溶液中的表觀粘度變化規(guī)律和NaCl溶液中相似,只是Ca2+的鹽效應更強。以上粘度的測定條件為30℃和7.34 s-1。
　　 在5 g/L Na

5、Cl溶液中,在30～75℃范圍內,1.5 g/L和2 g/L MXG溶液因聚合物分子間的締合作用,在35℃時,溶液表現出微弱的熱增稠,溶液表觀粘度達到最大值,分別為188 mPa·s和318 mPa·s。當溫度升高到75℃時,兩種濃度下的溶液表觀粘度分別為86 mPa·s和190 mPa·s,顯示了良好的耐溫性能。在此溫度下,聚合物XG溶液對應濃度下的表觀粘度僅為38mPa·s和76 mPa·s。1.5 g/L MXG和XG溶液于70℃

6、老化60 d后,溶液表觀粘度分別為111 mPa·s和65 mPa·s,粘度保留率分別為60％和54％,表明聚合物MXG溶液的抗老化性能高于XG。在剪切作用下,聚合物MXG的締合結構在低剪切速率時被破壞,隨剪切速率的增加,溶液粘度急劇減??；在高剪切速率時,大分子鏈在流場中取向,溶液表觀粘度逐漸降低。剪切回復實驗說明該聚合物具有觸變性,連續(xù)剪切過程中分子鏈結構未被破壞。聚合物MXG在7.34 s-1的剪切速率下進行長時間剪切時,不論在鹽水

7、還是在純水中,只有在剪切初期,溶液的表觀粘度會隨著剪切時間的增加有所降低,當剪切時間超過2 min時,溶液表觀粘度不再下降,顯示了聚合物MXG具有優(yōu)異的抗剪切性能。
　　 以芘為探針,采用紫外光譜法研究聚合物MXG溶液中的疏水微區(qū)的微環(huán)境極性,研究結果表明,在純水和5g/L NaCl溶液中,隨聚合物濃度增大,分子間形成的疏水微區(qū)結構的數量增多,溶液的吸光度增大。同時,NaCl的加入,使疏水基團間的締合作用更強,締合體更緊密,導致

8、鹽溶液的紫外吸光度大于純水溶液。在5g/L NaCl鹽水溶液中,溶液吸光度曲線在聚合物濃度為1.5 g/L處出現了拐點,表明聚合物MXG在5g/L NaCl鹽水中的臨界締合濃度為1.5 g/L,這與溶液增粘性能中的結果相一致。當NaCl濃度為3 g/L時,Na+的引入對聚合物分子鏈產生屏蔽作用,疏水基團的締合作用強度增加,締合體的非極性增強,較多的芘分子溶解到締合體結構中,2 g/LMXG溶液的吸光度第一次出現最大值,為1.39；當Na

9、Cl濃度提高到20 g/L時,聚合物分子鏈中的C-O鍵與溶液中的Na+絡合,加強了分子鏈間締合作用,溶液的吸光度第二次出現最大值,為1.62。對于1.5g/L MXG溶液,溶液吸光度隨NaCl濃度的變化規(guī)律和2 g/L MXG溶液相似。
　　 改性黃原膠溶液在不同溫度下的疏水微區(qū)極性研究表明,升高溫度,有助于疏水基團締合,增加溶液的疏水微區(qū)非極性。當溫度從30℃升高到60℃時,隨著溫度的逐漸升高,聚合物分子鏈間的疏水締合作用逐漸