耐温抗盐聚丙烯酰胺的合成技术及应用研究.pdf

100技术应用与研究引言根据实际调查显示，在提高石油采收率的三次采油方法中，聚丙烯酰胺作去油剂具有极高的地位，其作用在于调节注入水的流变性，提高驱动液黏度，改善水驱效率，降低地层中水相渗透率，使水与油能够匀速流动。为此，笔者以制备耐温抗盐型聚丙烯酰胺作为目标展开研究，以发挥合成技术的作用。一、实验部分1.实验原料与仪器实验原料主要包括：丙烯酰胺、衣康酸、丙烯酸、丙磺酸、甲基丙烯酸二甲氨基、乙酯、甲基氯化铵、过硫酸铵、亚硫酸氢钠、聚合氯化铝、硫酸钠、硫酸镁、氯化钙、氯化钠、硫酸。实验仪器有：恒速电动搅拌器、电热恒温水浴锅、磁力搅拌器、500mL四口烧瓶、蠕动泵、电子天平、温度计、浆料疏解器、打浆度测定仪、抗张强度测试仪、激光粒度仪、紫外分光光度计、pH计、电导率仪。2.实验方法第一，聚丙烯酰胺的合成，需称取少量丙烯酰胺单体、交联剂，依照60%、40%的比例放入烧杯，加入蒸馏水。之后将总量较多的记为单体1，总量较少的记为单体2，分别使用硫酸调节两者的pH值。再将单体1加入四口烧瓶，放入恒温水浴锅，升温至80，添加1%过硫酸铵引发剂，二次加入蒸馏水。经过30min后，体系温度逐渐稳定，利用连续滴加的方式将单体2与过硫酸铵引发剂一同加入体系内。单体2的滴加时间为1小时，直至滴加完成后，恒温反应时间为2h。最后添加终止剂，待搅拌均匀后冷却至室温，以此得到浓度为20%聚丙烯酰胺。第二，应用聚丙烯酰胺。在浆内添加前，需要预先采用清水将聚丙烯酰胺稀释10倍，把控好石油用量，依照一定比例配制聚丙烯酰胺溶液，将聚丙烯酰胺溶液添加到浆料中，搅拌至均匀，用于采油控制，具体实验方法为：制备浆料；完成打浆度的测定；模拟白水制备，在打浆时需要不断更换所用浆料，并添加一定量的无机盐，控制好白水导电率；疏解浆料；并添加聚合氯化铝。第三，应用效果检测，主要包括定量、抗张强度、耐破强度、耐折度等测试测定内容，需要充分结合相关安全标准执行。第四，产品性能检测，主要包括：酸碱值，需采用pH计在室温环境下，测量产品pH酸碱度；表观黏度测定，对待测样品实施恒温调试，选取适合转子，放入样品内，调节转速，结合旋转黏度计测量黏度值；粒径测定，将聚丙烯酰胺配制为1%浓度的溶液，借助超声波振荡进行分散处理，采用纳米激光粒度分析仪测量粒子尺寸；测定电荷密度，采用去离子水将样品配制为特定浓度的稀溶液，取一定量溶液使颗粒电荷测定仪完成滴定检测。3.工业生产首先，要进行生产合成操作，在工厂环境下的合成属于实验室合成的放大处理，两者间无本质差异，具体流程为：（1）准备相应设备，控制好作业条件，完成物料转移，调节酸碱值；（2）通蒸汽升温，直至满足目标温度后，加入引发剂；（3）控制好反应过程，保证温度恒定，将反应物滴加量适中，观察物料变化；（4）判断反应终点，及时终止反应；（5）完成产品转移，通冷却水降温，放料。其次，明确设备要求，比如：反应釜，要配备好夹套，用于反应开始前的升温与反应后的降温，确保降温效果符合实际要求，并搭配搅拌装置，保证转速可调，确保反应釜运行平稳。至于组成材料则要具备一定的耐酸耐腐蚀特性；单体2溶解滴加罐，配备简单搅拌，控制好转速，顶部设置较大开口，便于添加固体原料，实现耐温抗盐聚丙烯酰胺的合成技术及应用研究封兰芬王建东营市盛聚化工有限责任公司【摘要】石油开采在进入到中后期，往往会出现原油采收效率不佳的问题。而采用聚丙烯酰胺水溶液，不仅可以改善油水流速比，使采出物中原油含量得到大幅度提升，也能避免击穿油层。为此，将围绕耐温抗盐聚丙烯酰胺的合成实验开展分析讨论，以自由基聚合为实验原理，借助自由基聚合反应，以适应高阴离子垃圾和高电导率的白水系统，并将制备后的聚丙烯酰胺运用在石油采油上。在此基础上，探究各类影响因素对采油效率的影响，确定最佳工艺条件。【关键词】聚丙烯酰胺；结构助剂；油田采油【DOI】10.12316/j.issn.1674-0831.2023.15.034101技术应用与研究酸碱值调节。罐底出口需要与反应釜连接；调节水罐，用于调节体系温度，底部设有固定出水管道，阀门保证易于操控，利用固定管道，控制好流量，配备流量计。最后，要做好生产安全保护，为了确保生产流程有序开展，需要操作人员把控好聚合反应温度，避免高温引发安全隐患。比如当温度无法控制在安全标准以下时，需要及时浇水降温，将损失控制到最低。至于存在强烈刺激性的药品，则需要操作人员佩戴好防护服、口罩、眼镜，避免化学品喷溅对人体产生伤害。同时企业也要定期做好人员的安全教育培训，使其养成一定的安全意识，注重生产车间的环境整洁，严禁化学品随意堆放，并确保通风条件良好。此外，在聚合环节要避免污染物排放，为避免药品泄漏，加强设备的密封性。并在实验后第一时间清洗反应容器和相关管道，直至满足环保要求后才可排放。二、结果与讨论1.制备流程（1）单体选择。本次实验采用的制备方法为共聚法，该技术的关键点在于合理选择阴阳离子单体。通常来说，聚丙烯酰胺需要根据阴阳离子单体酸碱性，进行类型划分。比如：丙烯酰胺甲基丙磺酸，在水溶液内完全电离，酸性极强；丙烯酸、衣康酸的电离程度偏弱，属于弱酸性离子单体；二甲基芐氯化铵在水溶液内会易质子化为阳离子集团，本质上属于强碱性阳离子单体。将上述几种阴阳离子单体应用在去油系统中，可以保证极佳的比较效果。笔者将二甲氨基乙酯作为阳离子单体，衣康酸作为阴离子单体，制备多种电荷密度不同、黏度各异的聚丙烯酰胺，之后在高电导率环境下用于石油采油。通过对产品性能以及应用效果实施研究发现，当两种离子的摩尔比为0.150.2时，制备的聚丙烯酰胺可以达到阴阳电荷平衡，此时电荷密度趋近于0。而随着二甲氨基乙酯摩尔数的提升，制备的聚丙烯酰胺阳离子性便愈发明显，反之，则呈现阴离子性。相较于空白样来说，弱酸弱碱聚丙烯酰胺对采油的增强效果不佳，但阳离子性的聚丙烯酰胺增强效果却远优于阴离子性聚丙烯酰胺。由此可见，弱酸弱碱聚丙烯酰胺无法有效适应高电导率系统，抗盐性能较差。本次实验将二甲基芐氯化铵、二甲氨基乙酯作为阳离子单体，丙烯酸作为阴离子单体，制备强碱弱酸性聚丙烯酰胺，并在阴离子垃圾条件下，实现才有效率提升。根据实验结果显示，样品采用阴离子单体，表观黏度为8000mPas，采用二甲基芐氯化铵的阳离子单体样品增强效果较为明显，具有一定的抗盐性能。而采用丙烯酸阴离子单体的样品则不具备明显的抗盐性能，证明以二甲基芐氯化铵作为阳离子单体更适合高阴离子系统。（2）聚合物电荷密度的影响。当聚丙烯酰胺携带的净电荷为零时，聚合物产生反电解质效应，此类特性有助于提高聚合物抗盐效果，因此合成具有反电解质效应的聚合物应作为聚丙烯酰胺制备的重点。根据研究显示，当聚合物电荷密度接近零时，采油效率会存在小幅度下降，而在聚合物电荷密度接近0.01mmol/g时，采油效果最佳。（3）离子单体摩尔比的影响。当聚合物电荷密度在0.01mmol/g时，表观黏度为8000cP。此时，增加阳离子单体摩尔比值，会使采油效率指标出现先增后减的变化，直至摩尔比为3.21时，采油效率达到最大值。究其原因在于阳离子单体具备一定的疏水基团，若含量增加，则会进一步强化聚丙烯酰胺的疏水性能。（4）离子总用量的影响。当阴阳离子单体总量提升时，采油效率指标同样表现为先增后减的变化，直至阴阳离子单体总量占总用量的19%时，采油效率为最优，究其原因在于，一旦阴阳离子的单体用量较少，即便聚合物趋近于零电点，但聚合物分子链的纤维吸附效果已大幅度减弱，过少的滴加量也会被无机盐包裹，进而使其阴阳离子的本质作用，从而削弱采油效率。（5）结构助剂的影响。以甲基丙烯酸烯丙酯为例，通过改变其用量，研究不同结构助剂用量对采油效率的影响。根据研究显示，当甲基丙烯酸烯丙酯用量较高时，可以在一定程度上提高聚合物表观黏度，但不够明显。而在添加甲基丙烯酸胺后，可以促进网络结构的形成，使聚合物在高电导率环境下，也能具备极佳的稳定性。因此需要将甲基丙烯酸烯丙酯、甲基丙烯酸胺联合使用。（6）反应温度的影响。当反应温度提升时，聚丙烯酰胺的合成过程中，表观黏度出现明显提升。究其原因在于温度提升会增加聚合速率常数，进一步增加单体反应活性，使聚合物分子量不断提升。直至温度达到80度，采油效率达到最佳的增强效果。（7）反应酸碱值的影响。在酸性条件下，聚合物的酰胺集团会出现质子化，使氮原子带正电，引发自由基活性随酸碱值的减少而提升。但要注意，聚合反应的酸碱值不可低于一定标准，结合先前实验与研究结论，最终将聚合反应的最佳酸碱值确定为34。102技术应用与研究（8）化合物影响。本次实验以添加尿素化合物为例，比如硫脲、亚乙基脲等。经研究发现，在添加尿素后，聚合物表观黏度明显降低，虽然能够提高聚丙烯酰胺的增强效果，但幅度较低。且综合分析后发现，尿素的添加还会提高聚合物固含量，导致成本提升。因此，笔者建议无需在聚合反应添加化合物。2.性能研究为了进一步探究聚合物溶液在无机盐环境下表观黏度的变化趋势，笔者选用自制的聚丙烯酰胺A与优化条件下的聚丙烯酰胺B作为分析对象，其中聚丙烯酰胺A的水溶液表观黏度会随着盐浓度的提升而不断加大，最终趋于平稳，表现出一定的反聚电解质效应。而聚丙烯酰胺B的表观粘度则会随着盐浓度的提升而不断降低，表现为聚电解质效应。究其原因在于，聚丙烯酰胺A几乎不存在净电荷，因此分子链收缩尺寸较小，分子结构较为紧密。而在盐溶液内，小分子盐会破坏阴阳离子间的静电引力，进而增大黏度。至于存在大量净电荷的聚合物，其静电相互作用较高，因此分子链表现为伸展状态，盐离子会削弱分子基团的排斥作用，使分子链卷曲，从而引发黏度降低。同时，聚丙烯酰胺A的聚合物大分子形态也发生了变化，若想更好地探究无机盐的影响，可将氯化钠作为研究对象，考察不同盐浓度下，聚合物溶液粒径、透光率的变化。经过实验发现，溶液粒径与盐浓度呈现反比关系，这是因为在水溶液内，阴阳电荷存在静电吸引作用，导致分子链流体力学尺寸降低，所以粒径较大。而在盐溶液中，小分子盐会破坏阴阳离子间的静电引力，使分子构象更加舒展，降低粒径。至于溶液透光率则会随着盐浓度的提升而增加，在无机盐环境下，分子链更加舒展，溶液清澈透明，因此透光率会与盐浓度保持正比关系。3.应用效果一方面要分析不同电导率的影响，笔者将实验用聚丙烯酰胺与市场上应用效果最佳的产品作为研究对象。通过硫酸钠调节系统电导率，考察不同聚丙烯酰胺在不同电导率环境下对采油效率的影响。根据研究发现，当浆水混合物电导率较低，实验用聚丙烯酰胺与市场上的聚丙烯酰胺抗张指数基本一致，但高阳电荷聚丙烯酰胺的增强效果最为显著，当浆水混合物电导率提升后，前者的增强效果会随之降低。但自制、具备一定反电解质效应的聚丙烯酰胺增强效果会呈现小幅度提升。直至浆水混合物电导率达到30000s/cm时，自制聚丙烯酰胺耐折度达到极限值，之后逐渐降低，且在任何电导率下，均表现极佳的耐折强度。由此可见，高阳电荷聚丙烯酰胺的抗盐效果不佳，容易在高电导率环境下失效。而市场聚丙烯酰胺的增强效果则不会受到电导率的影响。至于自制聚丙烯酰胺的抗盐性能最佳，究其原因在于，具有反电解质效应的聚丙烯酰胺不会因电导率的提升，而降低聚合物分子排斥作用，反而会加大接触面积，能够与纤维形成良好的吸附。另一方面，要探究不同无机盐的影响，包括：相同电导率下不同无机盐对聚丙烯酰胺增强效果的影响，通常来说，白水系统内的无机盐电解质以Na2+、Al3+、Ca2+、Mn2+、Cu2+等金属离子与Cl-、SO4-、Br-、S2等阴离子为主。为了更好地判断聚丙烯酰胺的抗盐效果，需要将硫酸钠、硫酸镁等物质添加在白水系统中。经过实验后发现，当无机盐为硫酸钠时，聚丙烯酰胺强度性能优异，耐破指数提升近50%，抗张指数提升约35%。当无机盐为氯化钙时，聚丙烯酰胺的增强性能较差。当无机盐为硫酸镁时，聚丙烯酰胺的增幅相对较小；相同用量下，不同类型无机盐对聚丙烯酰胺抗盐效果的影响，同样以上述几种无机盐作为研究对象。其中硫酸钠对应的采油效率最高，氯化钙与硫酸镁对应的采油效率基本一致。究其原因在于钙离子、镁离子与钠离子相比，对聚丙烯酰胺的屏蔽作用更明显，会阻碍盐溶液与纤维的结合，降低其强度性能。三、结论综上所述，通过以自由基聚合原理作为理论基础，借助过硫酸铵单独引发，实现自由基聚合反应，进一步制备具有耐温抗盐特性的聚丙烯酰胺。并提出将聚丙烯酰胺作为去油剂，最终发现，依照实验合成的工艺条件对聚丙烯酰胺实施工业化生产，不仅可以产生极佳的增强效果，抗盐性能优异，甚至部分指标明显高于发达国家的聚丙烯酰胺，推广价值极高。参考文献：1易亮，周龙夏娣，颜龙.聚丙烯酰胺聚合物互穿网络凝胶在透明防火玻璃中的应用J.中国安全生产科学技术，2023，19(03):53-58.2石维，王利书，尹海魁.聚丙烯酰胺改性生物质炭对盐碱化土壤盐分洗脱的影响J.水土保持学报，2023，37(02):371-376.3刘建，于建立，吴文兵.超支化阳离子型聚丙烯酰胺絮凝剂的研制及应用J.天津科技，2023，50（01）：48-51.