聚丙烯酰胺类耐温抗盐聚合物的合成及其性能研究

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针对高温高盐油藏对驱油聚合物的要求,目前广泛使用的驱油聚合物部分水解聚丙烯酰胺由其结构原因存在的泵送时机械降解严重,剪切稳定性差,耐酸性差,耐高温高盐性差等局限性已难以满足高温高矿化度油藏的粘度要求。针对耐温耐盐聚合物的关注度日渐加重。磺酸盐型聚丙烯酰胺类耐温耐盐性高且水化能力强,采用的自由基水溶液聚合法经济安全易工业化。含有磺酸基团的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)包含活泼双键,易与丙烯酰胺(AM)聚合;同时有大的支链,使聚合物主链的刚性得到较大的提高,增加聚合物的热稳定性;磺酸基团增加共聚物的水溶性和水化能力,具有较强抗温抗盐性能。在两种单体聚合体系中添加第三单体丙烯酰吗啉(ACMO)制备的聚合物中吗啉环的两亲结构和氢键作用也可有效提高聚合物的性能。丙烯酰胺类聚合过程伴随放热,仅使用某种引发剂较难提高分子链的长度,复合引发体系可以使溶液中自由基量保持较低,可以提高产品分子量。研究主要内容包含以下几个部分:1.采用自由基水溶液聚合法制备磺酸盐单体AMPS与AM的共聚物,采用不同的引发体系合成P(AM/AMPS),研究了引发剂浓度,引发剂配比,单体浓度,单体配比,引发温度,聚合体系pH值等对聚合物表观粘度的影响,测定聚合物的固含量和水解度,并通过核磁共振、红外光谱和元素分析确定样品的结构,并测试其热性质。偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐(AIBI)/过硫酸钾(KPS)构成分段式复合引发体系,用正交试验法探寻适宜聚合条件和研究各个因素对聚合物性能的影响。在单体浓度为20%,引发剂浓度0.05%,KPS:AIBI为1:2,引发温度30 ℃下反应,聚合单体质量配比AM:AMPS为1:1,聚合体系pH为8时,在25 ℃时500 mg/L P(AM/AMPS)水溶液的表观黏度可达到110 mPa·s。β-二甲氨基丙腈(DMAPN)/KPS组成胺类氧化还原型复合引发体系,单体浓度20~25wt%,聚合单体质量配比AM:AMPS为1:1,引发剂浓度为单体浓度的0.015%,KPS:DMAPN=1.05:1(摩尔比),引发温度42℃,聚合时间为6h,聚合体系的pH值为9时,得到的聚合物有较高的水溶液表观粘度和较强的抗Ca2+,Mg2+能力。500mg/L的聚合物水溶液在25℃下的表观黏度为96.20mPa·s,1500mg/L的聚合物的Ca2+、Mg2+(盐水浓度200 mg/L)盐溶液的表观黏度为36.54 mPa·s、35.61 mPa·s。N,N,N’,N’-四甲基-1,6-己二胺(TMHD)/KPS组成氧化还原型双官能度复合引发体系,单体浓度为20~25 wt%,引发剂浓度为0.003%(摩尔比),聚合体系的pH值为8~9,聚合单体质量配比AM:AMPS为1:1时,引发温度为50℃,引发时间为3 h时,所得聚合物的粘度和抗盐性均较高,在32868 mg/L的矿化水中,1500 mg/L的聚合物溶液在25 ℃和85 ℃时7.34 s-1剪切率下的表观粘度分别为30.09 mPa·s和18.16mPa.s。三段温控式KPS/AIBI/DMAPMA多功能复合引发体系,1500 mg/L共聚物在在32868 mg/L的矿化水中,在85 ℃时,剪切率为7.34 s-1时表观粘度为18.69 mPa·s。结果表明,AMPS与AM的共聚物具有良好的抗温抗盐性能,且复合体系的使用有助于提高聚合物的性能。2.添加第三单体丙烯酰吗啉(ACMO),采用自由基水溶液聚合法,以复合引发体系制备AM/AMPS/ACMO三元共聚物,研究了引发剂浓度,引发剂配比,单体浓度,单体配比,引发温度,聚合体系pH值,ACMO添加量等对聚合物表观粘度的影响,测定聚合物的固含量和水解度,并通过核磁共振、红外光谱和元素分析确定聚合物的结构,研究了聚合物的热性质。N-(3-二甲氨基丙基)甲基丙烯酰胺(DMAPMA)/KPS组成胺基功能性复合引发体系,利用DMAPMA引发和聚合的双重作用提高聚合物的分子量,引发剂浓度为0.0010%~0.0015%,单体浓度为20wt%,引发温度为42℃,聚合反应时间为4h,ACMO为5~10wt%,聚合体系pH值为9,所得聚合物的粘度和抗盐性均较高。在32868 mg/L的矿化水中,1500 mg/L的聚合物溶液在25 ℃和85 ℃时7.34 s-1剪切率下的表观粘度分别为28.59 mPa·s和16.72 mPa·s。DMAPN/KPS组成胺类氧化还原型复合引发体系,引发平稳,引发效率高,引发剂浓度为0.005%,单体浓度为25 wt%,引发温度为46~50 ℃,聚合反应时间6 h,ACMO为1%(摩尔比),聚合体系pH值为9时可提高聚合物的耐温耐盐性。在32868 mg/L的矿化水中,1500 mg/L的聚合物溶液在25 ℃和85 ℃时7.34 s-1剪切率下的表观粘度分别为29.99 mPa-s和16.63 mPa·s。结果表明,第三单体ACMO的添加,复合引发体系的使用,可合成具有高的表观粘度的耐温耐盐聚合物P(AM/AMPS/ACMO)。3.研究了 P(AM/AMPS)和P(AM/AMPS/ACMO)的溶液性质,聚合物的量和NaCl、CaCl2、MgCl2的量与溶液表观粘度的相关性;频率、温度、无机盐与聚合物溶液粘弹性的相关性;聚合物溶液的抗剪切和耐温性能;聚合物溶液的抗老化性能。P(AM/AMPS)和P(AM/AMPS/ACMO)溶液在抗剪切、耐温性、抗盐性和抗老化性方面具有优异的性能。
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