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        陽離子聚丙烯酰胺微球水溶液的剪切性及黏彈性能*

        2020-10-15 06:41:48周偉康周文超李光輝李曉丹嚴美容
        油田化學(xué) 2020年3期
        關(guān)鍵詞:耐溫交聯(lián)劑丙烯酰胺

        周偉康,周文超,李光輝,李曉丹,嚴美容

        (1.燕山大學(xué)車輛與能源學(xué)院,河北秦皇島 066004;2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司,天津 300450)

        我國大多數(shù)油田已進入注水開發(fā)中后期,由于竄流、繞流等現(xiàn)象造成大面積注水無效循環(huán),嚴重影響油田進一步開發(fā),而聚合物微球深部調(diào)剖技術(shù)可有效緩解這一問題。該技術(shù)主要通過微球膨脹后的增黏作用及吸附、滯留堵塞竄流孔道。林梅欽等[1]通過研究納米級水溶脹交聯(lián)聚丙烯酰胺微球發(fā)現(xiàn)在一定的剪切速率范圍內(nèi),交聯(lián)聚丙烯酰胺微球分散體系在質(zhì)量濃度為100數(shù)900 mg/L時表現(xiàn)出較明顯的脹流體特性,且為依時性體系。吳鵬偉等[2]研究了丙烯酰胺基交聯(lián)聚合物微球?qū)︺@井液性能的影響。該交聯(lián)聚合物微球?qū)︺@井液具有顯著的降濾失作用和一定的增黏作用,耐溫性能優(yōu)良。Yao等[3-4]發(fā)現(xiàn)微米級聚丙烯酰胺微球懸浮液在不同溫度和剪切速率下表現(xiàn)出不同的流變性質(zhì);表觀黏度隨著聚合物微球濃度的增加而平穩(wěn)地增加,微球的儲能模量和損耗模量均隨溫度的升高而降低。但有關(guān)陽離子聚丙烯酰胺微球流變體系的研究較少。在制備微球過程中引入陽離子單體,對微球的吸水膨脹能力、靜電吸引作用有著重要的影響,因此微球的陽離子化對強化其調(diào)剖能力有著重要的研究意義。李光輝等[5]通過研究陽離子聚丙烯酰胺微球黏度以及濃乳液的流變性特征,發(fā)現(xiàn)微球增黏存在最佳陽離子度,合適的穩(wěn)定交聯(lián)劑濃度是顆??臻g結(jié)構(gòu)形成及相互作用增強的重要條件。為了進一步研究陽離子聚丙烯酰胺微球溶液的流變性能,本文用反相乳液聚合法合成陽離子聚丙烯酰胺微球,通過改變陽離子單體和交聯(lián)劑濃度,分析其對聚合物微球溶液耐溫剪切性、剪切恢復(fù)性及黏彈性的影響規(guī)律。

        1 實驗部分

        1.1 材料與儀器

        司班80(Span80)、吐溫60(Tween60)、丙烯酰胺(AM)、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨(DMC)、N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)、過硫酸銨(APS)、亞硫酸氫鈉(NaHSO3)、無水乙醇,其中Span80、Tween60為化學(xué)純,其余均為分析純,國藥集團化學(xué)試劑有限公司;白油,工業(yè)級,廣東穗欣化工有限公司;去離子水,自制。

        Haake MARS Ⅲ高溫高壓流變儀,美國賽默飛世爾科技公司;HD2004W電動攪拌器,上海司樂儀器有限公司;HH-1 數(shù)顯恒溫水浴鍋,江蘇金壇市環(huán)宇科學(xué)儀器廠;DZF-6020 真空干燥箱,上海一恒科學(xué)儀器有限公司。

        1.2 實驗方法

        (1)陽離子聚丙烯酰胺微球的制備

        在裝有溫度計、攪拌器以及氮氣保護裝置的三口燒瓶中加入一定配比的Span80、Tween60和白油,其中白油作為外相,Span80、Tween60為乳化劑。用攪拌器攪拌均勻后,加入AM 和DMC 單體水溶液,再加入少量APS和交聯(lián)劑MBA,其中AM、DMC與MBA組成的水溶液為水相,通入氮氣后加入少量引發(fā)劑亞硫酸氫鈉,30℃下反應(yīng)1 h,即可得到聚合物微球溶液。制備了兩個系列的微球:①不含交聯(lián)劑MBA,陽離子度(陽離子單體占總單體的質(zhì)量分數(shù))分別為2%、5%、10%、20%(后文表示為2%數(shù)20%DMC-0 MBA)的微球。②恒定10%陽離子度,交聯(lián)度(MBA 占水相的質(zhì)量分數(shù))分別為0.05%、0.1%、0.2%(后文表示為10% DMC-0.05%數(shù)0.2% MBA)的微球。將兩個系列的聚合物微球溶液用丙酮沉淀后,用無水乙醇提純3次,置于50℃真空干燥箱中干燥5 h至恒重,得到微球顆粒備用。

        (2)陽離子聚丙烯酰胺微球性能評價

        用蒸餾水配制質(zhì)量分數(shù)為1%的聚丙烯酰胺微球溶液,并用高溫高壓流變儀測定微球溶液的各項性能。①耐溫耐剪切性。將聚合物微球溶液倒入流變儀的測量筒內(nèi),將溫度設(shè)置為80℃(模擬地層的溫度),在恒定溫度、恒定剪切速率(170 s-1)下,測試陽離子聚丙烯酰胺微球的表觀黏度隨時間的變化。②剪切恢復(fù)性。實驗溫度為30℃,實驗時間為30 min,將剪切速率從135 s-1升至1635 s-1后又降至135 s-1,評價陽離子聚丙烯酰胺微球溶液的抗剪切性以及剪切恢復(fù)性能。③黏彈性。在溫度為80℃時,對陽離子聚丙烯酰胺微球溶液進行0.01數(shù)10 Hz頻率掃描,得到彈性模量(G')和黏性模量(G'')與頻率(f)之間的關(guān)系。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 耐溫耐剪切性

        在80℃下,2% DMC-0 MBA、10% DMC-0 MBA、10%DMC-0.05%MBA聚丙烯酰胺微球溶液的表觀黏度隨剪切時間的變化見圖1。3 種聚合物微球耐溫剪切過程中的黏度變化差異較大。隨剪切時間延長,曲線1 的黏度逐漸降低。在剪切力的作用下,分子鏈發(fā)生斷裂,動力學(xué)體積減小,黏度降低[6]。對比曲線1,曲線2的黏度隨著剪切時間增加逐漸升高。這是由于陽離子度增大,聚合物鏈之間的靜電排斥作用增強,高分子鏈更加伸展[7],動力學(xué)體積增加;且由于酰胺基團的存在,聚合物鏈的剛性增加,抗剪切能力增強。曲線3 的黏度變化幅度非常小。此過程中,由于交聯(lián)劑的加入,聚合物分子線團纏繞更加緊密,其空間立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)強度增加,微球穩(wěn)定性能顯著提高,黏度基本不隨剪切時間改變。以上3種聚合物微球溶液經(jīng)高溫剪切后的黏度均保持在150 mPa·s以上,耐溫剪切性優(yōu)良。

        圖1 80℃下3種聚合物微球溶液的黏度隨剪切時間的變化

        2.2 剪切恢復(fù)性

        在30℃下,2% DMC-0 MBA、10% DMC-0 MBA、10%DMC-0.05%MBA聚丙烯酰胺微球溶液的黏度隨剪切速率的變化見圖2。聚合物微球的黏度隨著剪切速率增加而逐漸降低,最后趨向穩(wěn)定,表明聚合物微球溶液為假塑性流體。聚合物微球溶液形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在剪切力作用下被破壞,表觀黏度下降,當(dāng)剪切力變小,體系中重新生成新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),表觀黏度增加[8]。

        組成為2%DMC-0 MBA 聚合物微球溶液的剪切恢復(fù)性較差(圖2(a)),黏度保留率只有30.79%。這是由于聚合物微球溶液經(jīng)過高速剪切后,分子鏈?zhǔn)艿狡茐?,黏度降低,不能在短時間內(nèi)重新形成或完全恢復(fù)原有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[9]。組成為10% DMC-0 MBA 聚合物微球溶液的剪切恢復(fù)性能較好(圖2(b)),黏度保留率為68.56%。圖2(a)和圖2(b)兩種微球水溶液的剪切恢復(fù)性能相差較大的原因是由于陽離子的增加,一方面,因聚合物中季銨鹽基團的位阻效應(yīng),分子間運動阻力增大,聚合物微球溶液的表觀黏度降幅較?。?0];另一方面,聚合物分子鏈中季銨鹽基團與相鄰的羧酸根基團結(jié)合形成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)增強,增強了聚合物鏈的剛性和聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的強度,使其抗剪切能力增強[11]。組成為10% DMC-0.05% MBA 聚合物微球溶液的初始黏度較低(圖2(c)),剪切恢復(fù)曲線幾乎與抗剪切性曲線重合,剪切恢復(fù)性極好,其黏度保留率為85.38%。由于交聯(lián)劑的加入,此時微球交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的交聯(lián)點增多,形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較致密,微球結(jié)構(gòu)韌性增強,因此抗剪切性能增強。然而此時致密結(jié)構(gòu)影響水分子進入微球內(nèi)部,微球溶脹性減弱,導(dǎo)致微球的整體黏度較低。因此,在油田封堵作業(yè)中,將配制合適濃度的陽離子聚合物微球溶液泵送至地層時,在高速流動的井筒中,剪切力增大,微球網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被拆散,黏度降低,有利于減少管內(nèi)流動阻力,注入性良好,到達低速流動的地層后,微球網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)又能緩慢恢復(fù),黏度升高,有利于調(diào)剖或堵水。

        2.3 黏彈性

        圖2 30℃下3種聚合物微球溶液的黏度隨剪切速率的變化

        不同陽離子度(不含MBA)聚合物微球溶液的彈性模量(儲能模量)G'和黏性模量(耗能模量)G"隨頻率的變化見圖3,不同交聯(lián)度聚合物微球溶液的G'和G"隨頻率的變化見圖4。由圖3可見,隨著頻率升高,聚合物微球溶液G'變化較小,G''在低頻率下減小,在高頻率下增大,且此過程中G'始終高于G",表明微球具有變形的特點。這使得聚合物微球在地下運移時,能通過受壓而發(fā)生自身的彈性變形從孔喉中通過。隨著陽離子度增加,聚合物微球內(nèi)分子間的纏繞更緊密,G'和G"不同程度地增大,表明陽離子度的增加可以使聚合物微球的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)得到加強,具有較高的黏彈性[12]。

        由圖4 可見,隨著交聯(lián)度的增加,聚合物微球黏彈性模量先增大后減小,當(dāng)交聯(lián)度為0.1%時,黏彈性模量達到最大。這是由于交聯(lián)劑的加入,使得聚合物大分子鏈結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成互穿網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),聚合物分子質(zhì)量增大,微球溶液的G'和G"也相應(yīng)增加[13]。但當(dāng)交聯(lián)劑濃度過大時,會導(dǎo)致聚合物微球內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)交聯(lián)點增多,形成的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)過于緊密,微球彈性變形能力變差,表現(xiàn)為G'降低。交聯(lián)度為0.1%時聚合物微球的黏彈性最好。

        圖3 不同陽離子度聚合物微球溶液的黏彈性模量隨頻率的變化

        圖4 不同交聯(lián)度聚合物微球溶液的黏彈性模量隨頻率的變化

        3 結(jié)論

        陽離子聚丙烯酰胺微球溶液的耐溫耐剪切性優(yōu)良,經(jīng)80℃高溫剪切2 h后,聚合物微球溶液黏度仍保持在150 mPa·s 以上。增大陽離子度,微球溶液的耐溫耐剪切性能提高、抗剪切性和剪切恢復(fù)性增強,黏度保留率從30.79%增至68.56%。增大交聯(lián)劑濃度,微球溶液的熱穩(wěn)定性能增強,黏度保留率升高,整體黏度明顯降低。

        1%的陽離子聚丙烯酰胺微球溶液的彈性模量(G')始終大于黏性模量(G''),微球溶液表現(xiàn)出良好的彈性。隨著陽離子度的增大,微球溶液黏彈性不同程度地增加;交聯(lián)度對聚合物微球溶液黏彈性模量的影響規(guī)律呈先增加后減小的趨勢。

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