新型化學(xué)驅(qū)油劑的分子行為與性能研究.pdf

1、聚合物和表面活性劑是兩類主要的化學(xué)驅(qū)油劑，前者通過封堵調(diào)剖降低水油流度比提高原油采收率，后者主要通過降低油水界面張力提高洗油效率提高采收率。近年來，疏水改性的聚合物由于既具有增粘效果又具有界面活性，成為備受關(guān)注的多效合一的新型化學(xué)驅(qū)油劑。本論文采用分子動(dòng)力學(xué)(MD)、耗散顆粒動(dòng)力學(xué)(DPD)等分子模擬方法，與動(dòng)態(tài)界面張力、體相粘度、動(dòng)態(tài)光散射、原子力顯微鏡、透射電鏡等實(shí)驗(yàn)方法相結(jié)合，從分子水平研究了疏水改性的部分水解聚丙烯酰胺HMHPA

2、M的分子行為和性能，考察了化學(xué)結(jié)構(gòu)、環(huán)境條件等因素對聚合物分子行為與性能的影響，并提出了相關(guān)機(jī)制，為疏水改性水溶性聚合物作為高效驅(qū)油劑的分子設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。另外，本論文還研究了烷醇酰胺非離子表面活性劑的界面行為，發(fā)現(xiàn)該體系不僅具有超高界面活性，并且因具有低界面電性可使驅(qū)動(dòng)原油經(jīng)分散和聚并發(fā)揮封堵調(diào)剖作用，因而也是多效合一的新型高效驅(qū)油劑。本文采用分子模擬方法與實(shí)驗(yàn)方法結(jié)合分別研究了疏水改性聚丙烯酰胺和烷醇酰胺的體相和界面分子行為

3、和性能，并通過觀察驅(qū)替過程，對兩種新型驅(qū)油體系的致效機(jī)制進(jìn)行了分析和比較。
　　 本論文主要分為四個(gè)部分:
　　 1.HMHPAM分子行為與構(gòu)效關(guān)系研究
　　 采用耗散顆粒動(dòng)力學(xué)(DPD)的方法考察了HMHPAM的濃度、聚合方式、疏水改性比例及水解程度對聚合物分子行為和溶液性質(zhì)的影響。研究發(fā)現(xiàn)改性基團(tuán)以無規(guī)形式均勻分布在分子鏈上的梳型結(jié)構(gòu)相較于嵌段結(jié)構(gòu)對HMHPAM的分子鏈伸展更為有利。經(jīng)過疏水改性處理后，疏水基

4、團(tuán)之間疏水締合作用的引入有利于分子鏈三級結(jié)構(gòu)地形成，其中適當(dāng)?shù)氖杷男曰鶊F(tuán)和合適的疏水改性度能使HMHPAM在溶液中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，很大程度上增大了整個(gè)體系的流體力學(xué)尺寸。而經(jīng)過水解處理后的聚合物上部分丙烯酸根基團(tuán)地引入則可使聚合物分子鏈通過靜電斥力逐漸展開，從而有效地增大了分子鏈的流體力學(xué)尺寸。在HMHPAM體系中，酰胺基團(tuán)之間的氫鍵作用，疏水基團(tuán)之間的疏水作用和水解基團(tuán)之間的電性作用，這三種作用力共同決定著HMHPAM的性質(zhì)和狀態(tài)。過

5、強(qiáng)的疏水締合作用會(huì)促使聚合物分子鏈蜷縮，導(dǎo)致聚合物的水溶性降低甚至析出，而過強(qiáng)的電性斥力則會(huì)破壞聚合物分子鏈之間的三級結(jié)構(gòu)使體系的粘度降低。因此在對實(shí)際應(yīng)用體系進(jìn)行改性處理時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際體系的應(yīng)用要求，結(jié)合改性的難易程度等因素，通過綜合考察改性基團(tuán)對聚合物溶液性質(zhì)的影響，制定合成方案。在以增粘為目的烷基鏈長度為十六個(gè)碳的HMHPAM體系中，疏水改性基團(tuán)梳型無規(guī)分布，聚合物的疏水改性度和水解度分別為2％和40％，為體系的最優(yōu)狀態(tài)。
　

6、　 2.環(huán)境條件對HMHPAM分子行為和性質(zhì)的影響
　　 耗散顆粒動(dòng)力學(xué)模擬方法，與實(shí)驗(yàn)手段相結(jié)合，研究了環(huán)境pH、鹽度及添加表面活性劑對HMHPAM分子行為和溶液性質(zhì)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨著溶液pH增大，聚合物分子鏈逐漸伸展，體系的粘度逐漸升高，當(dāng)pH≥8時(shí)，體系的粘度基本保持不變，因此HMHPAM的應(yīng)用體系應(yīng)選在偏堿性環(huán)境中更為有利。溶液中的無機(jī)鹽對HMHPAM的影響也很大，聚合物溶液的粘度隨著無機(jī)鹽含量地增加顯著下降。溶液

7、中的無機(jī)鹽不僅能夠屏蔽聚合物羧酸基團(tuán)之間的靜電斥力，引發(fā)聚合物分子鏈蜷縮，而且因其水合導(dǎo)致的競爭吸水能力也使體系中的聚合物的水溶性下降，分子鏈蜷縮，這兩種作用都會(huì)使聚合物溶液的粘度降低，影響聚合物的應(yīng)用效果。在HMHPAM的體系中，無機(jī)鹽的競爭吸水作用則是影響聚合物溶液性質(zhì)的主要原因。HMHPAM體系中適量SLS地加入可以一定程度上緩解聚合物因環(huán)境變化而引起的粘度大幅降低。分子模擬結(jié)果表明，HMHPAM與SLS的相互作用位點(diǎn)集中在各自的

8、疏水基團(tuán)。表面活性劑在聚合物疏水基團(tuán)上的聚集可以促使聚合物分子鏈伸展，有效地增大聚合物的水動(dòng)力學(xué)半徑，進(jìn)而起到增粘作用，然而過量的SLS的加入則會(huì)引起聚合物三級結(jié)構(gòu)地破壞從而使聚合物體系的粘度大幅降低。同時(shí)研究還發(fā)現(xiàn)SLS不但能使聚合物增粘，而且可以與HMHPAM在油/水界面共吸附，進(jìn)而大幅度降低體系的油/水界面張力，因此適量的SLS的加入能更好地優(yōu)化HMHPAM體系的體相性質(zhì)和界面性質(zhì)，擴(kuò)大聚合物的應(yīng)用范圍。
　　 3.無機(jī)陽

9、離子對HMHPAM的影響機(jī)制研究
　　 采用分子動(dòng)力學(xué)與實(shí)驗(yàn)手段相結(jié)合，研究了Na+、Mg2+、Ca+、Cr3+和Fe3+這5種常見的金屬陽離子對聚合物粘度和溶解度的影響。研究發(fā)現(xiàn)其影響大小排序?yàn)镕e3+＞Cr3+＞＞Ca2+＞Mg2+＞Na+。研究表明，Cr3+和Fe3+可以與HMHPAM的水解基團(tuán)羧酸根以絡(luò)合作用形成穩(wěn)定的配合物，且此配合物不溶于水，易從體相析出。相比較于Fe3+，Cr3+的配位作用要弱一些，其在低濃度時(shí)可以

10、作為交聯(lián)劑將不同的聚合物分子鏈連接在一起，且保持聚合物的水溶狀態(tài)，同時(shí)增加體系的粘度，而Fe3+只有降粘作用。HMHPAM在Na+、Mg2+和Ca2+存在的溶液中都保持著溶解狀態(tài)，其中Ca2+可以進(jìn)入羧酸根基團(tuán)的第一個(gè)水合層，并與之形成穩(wěn)定的離子對，研究發(fā)現(xiàn)Ca2+可以作為鹽橋通過靜電作用將不同的羧酸基連接在一起，使聚合物形成較大的聚集體。Mg2+的水合層比較致密，不易脫水，因此與羧酸根形成的離子對并不穩(wěn)定，但是Mg2+的吸水能力較強(qiáng)，

11、對聚合物的水溶性影響較大。Na+對聚合物的影響是最小的，其只能起到微弱的電性屏蔽作用。
　　 4.非離子型表面活性劑烷醇酰胺DDA的界面行為與超低界面張力產(chǎn)生機(jī)理
　　 采用分子模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的手段，研究了DDA的界面行為，揭示其產(chǎn)生超低界面張力的機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)DDA產(chǎn)生低界面張力的主要原因是其頭基與水分子之間及頭基與頭基之間的強(qiáng)氫鍵作用，這種作用使表面活性劑親水基與周圍的水分子形成了較穩(wěn)定且較厚的水合層，阻礙了界面層上

12、油相和水相的接觸，使原有的油-水界面，變成油-表面活性劑尾鏈-表面活性劑頭基親水層-水相的擬四相界面，從而使體系的界面張力大幅度降低。同時(shí)還考察了溫度、鹽度及pH的變化對DDA體系油/水界面張力的影響，發(fā)現(xiàn)界面電性對超低界面張力的產(chǎn)生影響很大。通過加入帶電表面活性劑改變界面電性，研究結(jié)果表明，表面活性劑頭基電性越強(qiáng)，界面電性越高，頭基之間靜電排斥作用越嚴(yán)重，界面上表面活性劑與表面活性劑之間孔隙越大，油/水直接接觸區(qū)域越大，體系的界面張力

13、越高。低電性或電中性表面活性劑因具有高界面密度，有效隔開油水層，可在不加輔助表面活性劑的情況下將界面張力將至超低。通過與離子型表面活性劑SLS和CTAB復(fù)合體系做對比，進(jìn)一步驗(yàn)證了界面電性對界面張力的影響。
　　 5.疏水改性聚合物與低張力表面活性劑的驅(qū)油效率與致效機(jī)理
　　 本論文采用自行設(shè)計(jì)的可視物模，考察疏水改性聚合物與低電性高活性的表面活性劑體系的驅(qū)油效率，并細(xì)致觀察驅(qū)替特征，發(fā)現(xiàn)兩種新型驅(qū)油劑均可有效提高采收率

14、，但致效機(jī)制不同。其中疏水改性聚合物不僅增加驅(qū)替體系粘度，降低原油和水的流速比，有效地緩解驅(qū)替液的竄流現(xiàn)象，提高體系的波及系數(shù)，還有促使油滴脫附的作用，因而可增加原油的采收率。而由表面活性劑烷醇酰胺組成的超低界面張力體系依靠超低油/水界面張力促進(jìn)原油自巖石表面脫附和分散，實(shí)現(xiàn)對殘余油的有效驅(qū)動(dòng)。同時(shí)作為一種非離子型表面活性劑，烷醇酰胺在原油界面吸附形成低界面電性乳狀液，易發(fā)生聚集，在高滲透帶形成原油封堵層，有效防止驅(qū)油過程中的指進(jìn)效應(yīng)和