楊紅蘋

(西南石油大學(xué)研究生學(xué)院，四川 成都 610500)

郭擁軍，柳建新

(油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西南石油大學(xué))，四川 成都 610500)

鐘金杭

(中石化寧波工程公司，浙江 寧波 315000)

楊雪杉，戴興星

(西南石油大學(xué)研究生學(xué)院，四川 成都 610500)

馮茹森

(油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西南石油大學(xué))，四川 成都 610500)

渤海二元復(fù)合驅(qū)室內(nèi)流變性評價(jià)

楊紅蘋

(西南石油大學(xué)研究生學(xué)院，四川 成都 610500)

郭擁軍，柳建新

(油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西南石油大學(xué))，四川 成都 610500)

鐘金杭

(中石化寧波工程公司，浙江 寧波 315000)

楊雪杉，戴興星

(西南石油大學(xué)研究生學(xué)院，四川 成都 610500)

馮茹森

(油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西南石油大學(xué))，四川 成都 610500)

主要測試了渤海二元復(fù)合驅(qū)的粘彈性，通過流變參數(shù)來表征體系的不同聚合物濃度和不同表面活性劑濃度下的粘彈性變化規(guī)律。

締合聚合物；聚合物/表面活性劑二元復(fù)合驅(qū)；流變性；粘彈性

由于疏水締合聚合物的分子鏈上引入了疏水基團(tuán)，使得該種類聚合物能夠形成分子間締合作用，從而具有良好的粘彈性，而與表面活性劑互配后的二元體系，不僅能很好的控制流度比，還能在降低油水界面張力上提供優(yōu)異的性能[1-5]。對于二元復(fù)合驅(qū)，粘彈性是一個(gè)重要的指標(biāo)。葉仲斌[6]研究新型締合聚合物與SDBS作用時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著SDBS的濃度增加，聚表復(fù)合體相黏度先增加后降低，然后趨于平衡。T.Annable[7]研究發(fā)現(xiàn)聚合物濃度越低，表面活性劑對于體系的粘彈性影響更大；聚合物濃度越高，出現(xiàn)黏度最大值時(shí)表面活性劑濃度越低；聚合物很高時(shí)，在高表面活性劑濃度下體系黏度比單獨(dú)聚合物溶液黏度下降越多。Myers[8]研究了表面活性劑與離子型和非離子型聚合物之間的作用機(jī)理。Biggs[9]等人在研究了SDS與N-丙烯酰胺/丙烯酰胺共聚物的相互作用的基礎(chǔ)上，提出了三階段理論。Thierry Aubry等[10]討論了在很稀HAWP溶液中加入表面活性劑的情況，當(dāng)HAWP的濃度很稀時(shí)，過大的分子間距使鏈間締合難以形成，溶液中鏈內(nèi)締合占絕對多數(shù)，雖然加入的表面活性劑也會與疏水基團(tuán)形成混合膠束，但由于這種混合膠束是鏈內(nèi)的，從而分子線團(tuán)更緊密，HAWP的特性黏度減小，同時(shí)溶液表觀黏度也減小。賀十中[3]研究了HPAM與OP-10及SDBS相互作用后的流變性能，證實(shí)了隨OP-10的增加，體系的黏度變化不明顯，而隨SDBS的加入黏度逐漸降低。締合聚合物與表面活性劑分子之間形成締合作用，為體系的流變性能帶來不同程度的差異，為此筆者主要測試了渤海二元復(fù)合驅(qū)的粘彈性，通過流變參數(shù)來表征體系的不同聚合物濃度和不同表面活性劑濃度下的粘彈性變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)部分

1.1儀器與藥品

1)測試儀器 Anton Paar公司生產(chǎn)的流變儀MCR301型，測試系統(tǒng):錐板，使用轉(zhuǎn)子:75/1° (錐板半徑75mm， 角度1°)。

2)藥品 疏水締合聚合物HAPAM(分子量：1700萬，CAC(臨界締合濃度)：1770mg/L)、 陰離子表面活性劑DMES-n(cmc：50mg/L)，實(shí)驗(yàn)室自制。試驗(yàn)用水水質(zhì)條件如表1所示。

1.2試驗(yàn)方法

采用MCR301高級流變儀考察二元體系的粘彈性。其中，考察DMES-n表面活性劑不同濃度和HAPAM聚合物不同濃度互配后的二元體系的粘彈性差異，使用MCR301流變儀的錐板測量系統(tǒng)。黏度測試：剪切速率范圍0.01～100s-1；法向應(yīng)力差測試：剪切速率掃描范圍0.01～100s-1；彈性測試：頻率掃描范圍0.1～ 5Hz，形變1%，溫度為65℃。

表1 試驗(yàn)用水水質(zhì)條件

2 結(jié)果及討論

2.1不同表面活性劑濃度對二元體系剪切黏度影響

圖1 不同表面活性劑濃度下1000mg/L HAPAM溶液的黏度變化曲線

圖1～3分別為不同濃度陰離子表面活性劑(DMES-n)下1000、2000、3000mg/L HAPAM溶液的黏度變化曲線。由圖1可以看出：①隨著表面活性劑的加入黏度先降低，然后增大到最大值，當(dāng)表面活性劑濃度達(dá)到2倍cmc時(shí)二元體系的剪切黏度出現(xiàn)最大值。在第一個(gè)階段加入少量的表面活性劑會使得體系黏度降低[10]，這主要是由于溶液中鏈內(nèi)締合占絕大多數(shù)，雖然加入的表面活性劑也會與疏水基團(tuán)形成混合膠束，但由于這種混合膠束是鏈內(nèi)的，從而使分子線團(tuán)更緊密，使得體系黏度降低。從圖1中可以看到，當(dāng)表面活性劑濃度逐漸增大時(shí)，鏈內(nèi)締合被拆散，從而使得聚合物鏈伸展，黏度也急劇增加。②當(dāng)表面活性劑濃度超過2倍cmc以后，二元體系的粘彈性先降低，當(dāng)表面活性劑濃度達(dá)到10倍cmc以后，體系的表觀黏度基本不變，此時(shí)的黏度受剪切速率的影響較大。這主要由于溶液中自由表面活性劑濃度達(dá)到臨界膠束濃度cmc時(shí)，每個(gè)疏水側(cè)鏈都單獨(dú)存在于一個(gè)聚集體中，體系黏度降到最低。

圖2中體系的變化規(guī)律與圖1稍有差異。由于此時(shí)疏水締合聚合物的濃度在CAC點(diǎn)以上，分子的締合方式以分子間締合為主，表活劑的加入使得分子鏈?zhǔn)嬲?，黏度增大。?dāng)表面活性劑濃度達(dá)到6倍cmc以后，二元體系的粘彈性降低，當(dāng)表面活性劑濃度達(dá)到10倍cmc以后，體系的表觀黏度基本不變。當(dāng)表面活性劑的濃度增大到10倍cmc以后，體系的黏度隨表面活性劑濃度的增加變化較小，此時(shí)的黏度受剪切速率的影響較大，體系黏度降到最低。

圖2 不同表面活性劑濃度下2000mg/L HAPAM溶液的黏度變化曲線 圖3 不同表面活性劑濃度下3000mg/L HAPAM溶液的黏度變化曲線

圖3體系表現(xiàn)出了與圖1、圖2不同的流變特征。表面活性劑濃度對二元體系的剪切黏度隨著表面活性劑濃度的增加先降低，而后基本不變。這主要是由于當(dāng)聚合物濃度增大到3000mg/L以后，聚合物的締合形式以聚合物分子鏈間的締合為主，由于濃度的提高，鏈間締合較為緊密，表面活性劑的加入使得膠束濃度增加，疏水側(cè)基增溶于膠束中，隨著膠束數(shù)量的增大，聚合物的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被拆散，黏度急劇下降。當(dāng)表面活性劑的濃度增大到10倍cmc以后體系的剪切黏度變化不大。

2.2不同表面活性劑濃度對二元體系第一法向應(yīng)力差的影響

圖4 不同表面活性劑濃度下1000mg/L HAPAM溶液的第一法向應(yīng)力差曲線

圖4～6分別為不同濃度陰離子表面活性劑(DMES-n)下1000、2000、3000mg/L HAPAM溶液的第一法向應(yīng)力差曲線。隨著表面活性劑濃度的增大，第一法向應(yīng)力差先減小后增大，這也符合表面活性劑的疏水基進(jìn)入聚集體內(nèi)核，親水基取代聚合物的親水鏈，使之與水隔離以保護(hù)疏水內(nèi)核。這樣本身因親水鏈包裹疏水微區(qū)而呈現(xiàn)蜷曲構(gòu)型的締合聚合物分子變?yōu)樯煺範(fàn)顟B(tài)，導(dǎo)致溶液黏度上升，當(dāng)表面活性劑濃度達(dá)到10倍cmc以后，體系的第一法向應(yīng)力差值不再隨表面活性劑濃度改變而改變，這主要是由于表面活性劑濃度的再增加，使得聚集體濃度也繼續(xù)增加，這樣每個(gè)聚集體中平均包含的疏水側(cè)基鏈數(shù)小于2，空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)開始被拆散，溶液黏度迅速下降。當(dāng)溶液中自由表面活性劑濃度達(dá)到臨界膠束濃度cmc時(shí)，每個(gè)疏水側(cè)鏈都單獨(dú)存在于一個(gè)聚集體中，體系黏度降到最低?？梢钥闯霰砻婊钚詣┑募尤朐黾恿司喓辖Y(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，使得第一法向應(yīng)力差增大，體系的彈性增加。

圖5 不同表面活性劑濃度下2000mg/L HAPAM溶液的第一法向應(yīng)力差曲線 圖6 不同表面活性劑濃度下3000mg/L HAPAM溶液的第一法向應(yīng)力差曲線

當(dāng)聚合物濃度為2000mg/L時(shí)，第一法向應(yīng)力差隨著表面活性劑的加入先增加，然后降低，當(dāng)表面活性劑濃度達(dá)到2倍cmc時(shí)二元體系的第一法向應(yīng)力差出現(xiàn)最大值。在第一個(gè)階段加入少量的表面活性劑會使得體系黏度增加，這主要是由于少量的表面活性劑分子與締合聚合物的疏水基相互作用，形成締合作用，使得體系的結(jié)構(gòu)更加緊密。當(dāng)表面活性劑濃度達(dá)到10倍cmc以后二元體系的第一法向應(yīng)力差變化很小，此時(shí)除了與聚合物締合的表面活性劑分子以外，多余的表面活性劑分子相互結(jié)合形成膠束，此時(shí)的膠束濃度已達(dá)到cmc以上。

當(dāng)聚合物濃度為3000mg/L時(shí)，二元體系的第一法向應(yīng)力差隨著表面活性劑的加入逐漸減小，這主要是由于締合聚合物以聚合物分子之間的締合為主，表面活性劑的加入使得締合分子結(jié)構(gòu)被拆散，體系的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，法向應(yīng)力差降低。

2.3不同表面活性劑濃度對于體系的動態(tài)測試結(jié)果影響

圖7～9分別為1000、2000、3000mg/L的HAPAM溶液頻率掃描曲線。當(dāng)聚合物濃度為1000、2000mg/L時(shí)，隨著二元體系的表面活性劑濃度的增加，體系的彈性經(jīng)過減小-增加-減小-基本不變。這充分應(yīng)正了剪切速率掃描的結(jié)論，說明表面活性劑的加入對于體系的結(jié)構(gòu)彈性增大也有著重要的貢獻(xiàn)。

圖7 不同表面活性劑濃度下1000mg/L HAPAM溶液的頻率掃描曲線 圖8 不同表面活性劑濃度下2000mg/L HAPAM溶液的頻率掃描曲線 圖9 不同表面活性劑濃度下3000mg/L HAPAM溶液的頻率掃描曲線

當(dāng)聚合物濃度為3000mg/L時(shí)，二元體系的儲能模量隨著表面活性劑的濃度增加先降低而后基本不變。這是由于表面活性劑的加入拆散了原本締合的體系，使得體系的彈性降低。同時(shí)也說明締合聚合物之間的締合強(qiáng)度要高于表面活性劑分子與締合聚合物分子之間形成的締合強(qiáng)度。當(dāng)表面活性劑濃度達(dá)到10倍cmc以后體系的彈性趨于穩(wěn)定。這時(shí)體系的自由表面活性劑的分子已達(dá)到cmc值。體系的彈性不再受表面活性劑分子的影響。

3 結(jié) 論

1)聚合物濃度較低時(shí)，二元體系的粘彈性受DMES-n(陰離子)表面活性劑濃度影響比較大，體系的粘彈性呈現(xiàn)出降低-增加-降低-趨于穩(wěn)定的趨勢。

2)當(dāng)聚合物濃度在2000mg/L時(shí)，二元體系的粘彈性隨著表面活性劑的增加呈現(xiàn)出增加-降低-穩(wěn)定的趨勢，當(dāng)DMES-n濃度增大到2倍cmc時(shí)，粘彈性達(dá)到最大，這說明了此時(shí)二元體系的締合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較大。當(dāng)聚合物濃度達(dá)到3000mg/L時(shí)，二元體系的粘彈性隨著DMES-n表面活性劑的濃度增大，粘彈性呈現(xiàn)出先減小后趨于穩(wěn)定的趨勢，當(dāng)表面活性劑濃度到達(dá)10倍cmc時(shí)，體系的粘彈性基本不變。此時(shí)HAPAM溶液主要以分子間締合為主，DMES-n表面活性劑的加入拆散了締合結(jié)構(gòu)，使得體系粘彈性減小。

3)當(dāng)表面活性劑達(dá)到一定濃度以后二元體系的粘彈性不再發(fā)生變化，這是由于體系內(nèi)的游離的表面活性劑濃度已經(jīng)超過了cmc。

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[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.12.025

TE357.46

A

1673-1409(2012)12-N077-04