黃原膠的化學(xué)改性及其性能和結(jié)構(gòu)的研究.pdf

1、本文以目前油田應(yīng)用較為廣泛的驅(qū)油聚合物黃原膠(XG)為研究對(duì)象,針對(duì)它在使用過(guò)程中存在用量高、耐溫有限等問(wèn)題,根據(jù)驅(qū)油聚合物的性能要求,改變其分子結(jié)構(gòu),對(duì)其進(jìn)行化學(xué)改性。通過(guò)黃原膠與氯代烴(ArCl)進(jìn)行醚化反應(yīng),在聚合物分子鏈上引入疏水基團(tuán),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(yīng)條件如反應(yīng)溫度、反應(yīng)體系pH值、反應(yīng)體系中聚合物濃度、改性劑用量以及反應(yīng)時(shí)間對(duì)改性聚合物增粘性能的影響,得到醚化反應(yīng)的適宜條件。通過(guò)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(duì)聚合物MXG進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)表征；并使用紫外吸收光譜(UV)對(duì)改性黃原膠中改性劑的含量進(jìn)行了定量分析。結(jié)果表明,反應(yīng)得到的聚合物MXG為目標(biāo)產(chǎn)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(jié)構(gòu)。研究結(jié)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(xiàn)了良好的增粘、耐溫、抗鹽、抗剪切等溶液性能；而在強(qiáng)酸強(qiáng)堿溶液中,由于聚合

3、物MXG和XG原有的分子結(jié)構(gòu)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(tuán)的疏水締合作用和分子鏈上的親水性基團(tuán)C-O鍵與溶液中Na+的絡(luò)合作用,使聚合物MXG呈現(xiàn)出兩次明顯的鹽增稠效應(yīng)和良好的抗鹽

4、性能。當(dāng)NaCl濃度高達(dá)60 g/L時(shí),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(yīng),但是與聚合物MXG溶液對(duì)應(yīng)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(yīng)更強(qiáng)。以上粘度的測(cè)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(nèi),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(shí),溶液表現(xiàn)出微弱的熱增稠,溶液表觀粘度達(dá)到最大值,分別為188 mPa·s和318 mPa·s。當(dāng)溫度升高到75℃時(shí),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(duì)應(yīng)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(jié)構(gòu)在低剪切速率時(shí)被破壞,隨剪切速率的增加,溶液粘度急劇減小；在高剪切速率時(shí),大分子鏈在流場(chǎng)中取向,溶液表觀粘度逐漸降低。剪切回復(fù)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明該聚合物具有觸變性,連續(xù)剪切過(guò)程中分子鏈結(jié)構(gòu)未被破壞。聚合物MXG在7.34 s-1的剪切速率下進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間剪切時(shí),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(huì)隨著剪切時(shí)間的增加有所降低,當(dāng)剪切時(shí)間超過(guò)2 min時(shí),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(jié)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(jié)構(gòu)的數(shù)量增多,溶液的吸光度增大。同時(shí),NaCl的加入,使疏水基團(tuán)間的締合作用更強(qiáng),締合體更緊密,導(dǎo)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(xiàn)了拐點(diǎn),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(jié)果相一致。當(dāng)NaCl濃度為3 g/L時(shí),Na+的引入對(duì)聚合物分子鏈產(chǎn)生屏蔽作用,疏水基團(tuán)的締合作用強(qiáng)度增加,締合體的非極性增強(qiáng),較多的芘分子溶解到締合體結(jié)構(gòu)中,2 g/LMXG溶液的吸光度第一次出現(xiàn)最大值,為1.39；當(dāng)Na

9、Cl濃度提高到20 g/L時(shí),聚合物分子鏈中的C-O鍵與溶液中的Na+絡(luò)合,加強(qiáng)了分子鏈間締合作用,溶液的吸光度第二次出現(xiàn)最大值,為1.62。對(duì)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(tuán)締合,增加溶液的疏水微區(qū)非極性。當(dāng)溫度從30℃升高到60℃時(shí),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