表面活性劑對聚合物溶液流變性的影響

郭淑鳳

(中國石化勝利油田分公司地質科學研究院，山東東營 257015)

聚-表二元驅技術逐漸成為化學驅提高采收率研究的新的重點。因此，聚-表二元體系的性能研究即聚表之間的相互作用成為聚表二元驅研究中需解決的技術關鍵之一。然而在聚-表二元體系中，由于表面活性劑分子會與聚合物分子結合而形成表面活性劑-聚合物的聚集體復合物[1-2]，改變高分子鏈的靜電作用，引起高分子鏈的舒展和蜷曲；而高分子也影響表面活性劑的物理化學性質，如表面張力、黏度、電導率、臨界膠束濃度和聚集數等物理參數，導致其相互作用的機制異常復雜，因此人們對此進行了大量的研究工作[3-6]，但針對油田常用的表面活性劑的濃度和鹽度對聚合物的影響報道很少。筆者針對油田常用的4種表面活性劑對聚丙烯酰胺溶液流變性的影響進行了研究，以期指導二元復合驅配方設計。

1　實驗部分

1.1　儀器與原料

Brookfield DV-Ⅱ+可編程控制式黏度計，美國；LV型0#轉子，轉子外套筒包著一層水浴保溫夾層，外接恒溫循環水，恒溫水浴和循環泵。

十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)，化學純，含量不少于83%，北京化學試劑公司；石油磺酸鹽(PS)，由勝利油田石油磺酸鹽中除去原油后得到；蒸餾水；聚丙烯酰胺(HPAM)，特性黏度為2 822 mL/g, 水解度為24.4%, 山東東營長安化工集團生產；聚氧乙烯(9)月桂醇醚(AEO-9)，化學純，國藥化劑；TW-80，化學純，浙江龍游化工試劑廠。

1.2　實驗方法

溶液配制：分別配制SDBS、PS、AEO-9不同濃度的水溶液，再與同等體積HPAM水溶液混合均勻，放置過夜。測定前需再穩定10 min。

流變性測定：利用Brookfield DV-Ⅱ+可編程控制式黏度計測定，各溶液需在水浴中恒溫至少0.5 h，等數值穩定后再記錄。測定溫度30 ℃，實驗用水為蒸餾水。

2　結果與討論

2.1　表面活性劑濃度對聚合物溶液流變性能的影響

固定HPAM的濃度為500 mg/L，增加表面活性劑的濃度考察其對流變性的影響，結果見圖1～圖8。

圖1　SDBS濃度對HPAM溶液表觀黏度的影響

圖2　SDBS濃度對HPAM溶液剪切應力的影響

圖3　PS濃度對HPAM溶液表觀黏度的影響

圖4　PS濃度對HPAM溶液剪切應力的影響

圖5　TW-80濃度對HPAM溶液表觀黏度的影響

圖6　TW-80濃度對HPAM溶液剪切應力的影響

圖7　AEO-9濃度對HPAM溶液表觀黏度的影響

圖8　AEO-9濃度對HPAM溶液剪切應力的影響

從圖1～圖2可以看出，在加入SDBS的溶液中，隨著剪切速率的增加，聚合物溶液的表觀黏度迅速降低，呈現剪切稀化現象，之后趨于平緩；剪切應力隨剪切速率的增加而升高，且呈現出過原點的凸向曲線，說明溶液是假塑性流體；表面活性劑的加入降低了表觀黏度，并使剪切應力值相應減小；繼續增加表面活性劑的濃度，由于更多表面活性劑分子在聚合物上的聚集，電性斥力增大使分子間摩擦力減小，而且聚合物鏈與溶液的接觸面積減小，也降低聚合物與水溶液之間的摩擦力，導致表觀黏度的下降，越接近牛頓流體。

從圖3～圖6可以看出，在PS和TW-80的溶液中，聚合物溶液的表觀黏度隨濃度的增加也迅速降低，剪切應力隨剪切速率的增加而升高。

從圖7～圖8中可以看出，隨著剪切速率的增加，對于AEO-9有些不同，混合溶液的表觀黏度及剪切應力值反而高于初始溶液(聚合物溶液中無表面活性劑)，隨著剪切速率的增加，其表觀黏度呈現出與空白溶液相似的趨勢，應力值也變化不多。原因是AEO-9是非離子表面活性劑，在水中不能夠電離，實驗所用的試劑中含雜質較少，所以對聚合物溶液的流變性影響不是很大。

2.2　鹽度對聚合物溶液流變性的影響

聚合物溶液中加入不同濃度的NaCl后其流變性能的變化見圖9。表觀黏度隨著鹽度的增大而降低，原因是在HPAM水溶液中，—COO-Na+基團上的Na+發生電離，使基團呈負電性，—COO-基團間的相斥作用使高分子鏈的構象比較舒展，線團尺寸較大，因此使流動阻力增大，黏度增大。當溶液中加入鹽后一部分陽離子相對集中在—COO-的周圍，遮蔽了有效電荷，使陰離子的排斥作用減弱，分子鏈的蜷曲作用增強，使線團尺寸縮小，減少了大分子之間的網狀結構，流動阻力減小，所以黏度隨著鹽度的增大而降低。

圖9　鹽度對HPAM溶液的流變性影響

圖10為表面活性劑與聚合物混合溶液中分別加入1 000，10 000 mg/L NaCl后溶液流變性能的變化。混合溶液加入高濃度的鹽就變為牛頓流體，剪切應力與速率基本呈線性關系。

圖10　鹽度對混合溶液的流變性影響

3　結論與建議

1)SDBS、PS、TW-80表面活性劑和聚合物混合溶液隨著剪切速率的增加，剪切黏度大幅降低，之后趨于平緩；剪切應力隨剪切速率的增加而升高，并且呈現出過原點的凸向曲線，說明溶液是假塑性流體；隨著表面活性劑濃度的增加使表觀黏度降低，并使剪切應力值相應減小，更接近牛頓流體。但是AEO-9不同，在某些濃度下，溶液的表觀黏度及剪切應力值反而高于初始溶液(聚合物溶液中無表活劑)。

2)混合溶液的表觀黏度隨著鹽度的增大而降低，加入高濃度的鹽就變為牛頓流體，剪切應力與速率基本呈線性關系。

3)二元驅中表面活性劑與聚合物的相互作用研究可為今后復合驅配方設計提供理論指導，減少工作的盲目性。

[1]曹緒龍，蔣生詳，孫煥泉，等.聚合物與表面活性劑的相互作用[J].應用化學， 2002,19(1): 866-869.

[2]李方.表面活性劑與聚合物間相互作用研究[D].濟南：山東大學化學院,1997.

[3]樊明紅.表面活性劑與聚合物間相互作用的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2004.

[4]王紅艷.聚表二元體系的相互作用[D].成都:西南石油學院,2005.

[5]何珩.疏水締合水溶性聚合物與表面活性劑的相互作用[D].成都:西南石油學院,2002.

[6]郭穎.表面活性劑/聚合物超分子體系微觀結構和相互作用研究[D].濟南:山東大學,2006.