表面活性剂对聚合物溶液流变性的影响

郭淑凤

(中国石化胜利油田分公司地质科学研究院，山东东营 257015)

聚-表二元驱技术逐渐成为化学驱提高采收率研究的新的重点。因此，聚-表二元体系的性能研究即聚表之间的相互作用成为聚表二元驱研究中需解决的技术关键之一。然而在聚-表二元体系中，由于表面活性剂分子会与聚合物分子结合而形成表面活性剂-聚合物的聚集体复合物[1-2]，改变高分子链的静电作用，引起高分子链的舒展和蜷曲；而高分子也影响表面活性剂的物理化学性质，如表面张力、黏度、电导率、临界胶束浓度和聚集数等物理参数，导致其相互作用的机制异常复杂，因此人们对此进行了大量的研究工作[3-6]，但针对油田常用的表面活性剂的浓度和盐度对聚合物的影响报道很少。笔者针对油田常用的4种表面活性剂对聚丙烯酰胺溶液流变性的影响进行了研究，以期指导二元复合驱配方设计。

1　实验部分

1.1　仪器与原料

Brookfield DV-Ⅱ+可编程控制式黏度计，美国；LV型0#转子，转子外套筒包着一层水浴保温夹层，外接恒温循环水，恒温水浴和循环泵。

十二烷基苯磺酸钠(SDBS)，化学纯，含量不少于83%，北京化学试剂公司；石油磺酸盐(PS)，由胜利油田石油磺酸盐中除去原油后得到；蒸馏水；聚丙烯酰胺(HPAM)，特性黏度为2 822 mL/g, 水解度为24.4%, 山东东营长安化工集团生产；聚氧乙烯(9)月桂醇醚(AEO-9)，化学纯，国药化剂；TW-80，化学纯，浙江龙游化工试剂厂。

1.2　实验方法

溶液配制：分别配制SDBS、PS、AEO-9不同浓度的水溶液，再与同等体积HPAM水溶液混合均匀，放置过夜。测定前需再稳定10 min。

流变性测定：利用Brookfield DV-Ⅱ+可编程控制式黏度计测定，各溶液需在水浴中恒温至少0.5 h，等数值稳定后再记录。测定温度30 ℃，实验用水为蒸馏水。

2　结果与讨论

2.1　表面活性剂浓度对聚合物溶液流变性能的影响

固定HPAM的浓度为500 mg/L，增加表面活性剂的浓度考察其对流变性的影响，结果见图1～图8。

图1　SDBS浓度对HPAM溶液表观黏度的影响

图2　SDBS浓度对HPAM溶液剪切应力的影响

图3　PS浓度对HPAM溶液表观黏度的影响

图4　PS浓度对HPAM溶液剪切应力的影响

图5　TW-80浓度对HPAM溶液表观黏度的影响

图6　TW-80浓度对HPAM溶液剪切应力的影响

图7　AEO-9浓度对HPAM溶液表观黏度的影响

图8　AEO-9浓度对HPAM溶液剪切应力的影响

从图1～图2可以看出，在加入SDBS的溶液中，随着剪切速率的增加，聚合物溶液的表观黏度迅速降低，呈现剪切稀化现象，之后趋于平缓；剪切应力随剪切速率的增加而升高，且呈现出过原点的凸向曲线，说明溶液是假塑性流体；表面活性剂的加入降低了表观黏度，并使剪切应力值相应减小；继续增加表面活性剂的浓度，由于更多表面活性剂分子在聚合物上的聚集，电性斥力增大使分子间摩擦力减小，而且聚合物链与溶液的接触面积减小，也降低聚合物与水溶液之间的摩擦力，导致表观黏度的下降，越接近牛顿流体。

从图3～图6可以看出，在PS和TW-80的溶液中，聚合物溶液的表观黏度随浓度的增加也迅速降低，剪切应力随剪切速率的增加而升高。

从图7～图8中可以看出，随着剪切速率的增加，对于AEO-9有些不同，混合溶液的表观黏度及剪切应力值反而高于初始溶液(聚合物溶液中无表面活性剂)，随着剪切速率的增加，其表观黏度呈现出与空白溶液相似的趋势，应力值也变化不多。原因是AEO-9是非离子表面活性剂，在水中不能够电离，实验所用的试剂中含杂质较少，所以对聚合物溶液的流变性影响不是很大。

2.2　盐度对聚合物溶液流变性的影响

聚合物溶液中加入不同浓度的NaCl后其流变性能的变化见图9。表观黏度随着盐度的增大而降低，原因是在HPAM水溶液中，—COO-Na+基团上的Na+发生电离，使基团呈负电性，—COO-基团间的相斥作用使高分子链的构象比较舒展，线团尺寸较大，因此使流动阻力增大，黏度增大。当溶液中加入盐后一部分阳离子相对集中在—COO-的周围，遮蔽了有效电荷，使阴离子的排斥作用减弱，分子链的蜷曲作用增强，使线团尺寸缩小，减少了大分子之间的网状结构，流动阻力减小，所以黏度随着盐度的增大而降低。

图9　盐度对HPAM溶液的流变性影响

图10为表面活性剂与聚合物混合溶液中分别加入1 000，10 000 mg/L NaCl后溶液流变性能的变化。混合溶液加入高浓度的盐就变为牛顿流体，剪切应力与速率基本呈线性关系。

图10　盐度对混合溶液的流变性影响

3　结论与建议

1)SDBS、PS、TW-80表面活性剂和聚合物混合溶液随着剪切速率的增加，剪切黏度大幅降低，之后趋于平缓；剪切应力随剪切速率的增加而升高，并且呈现出过原点的凸向曲线，说明溶液是假塑性流体；随着表面活性剂浓度的增加使表观黏度降低，并使剪切应力值相应减小，更接近牛顿流体。但是AEO-9不同，在某些浓度下，溶液的表观黏度及剪切应力值反而高于初始溶液(聚合物溶液中无表活剂)。

2)混合溶液的表观黏度随着盐度的增大而降低，加入高浓度的盐就变为牛顿流体，剪切应力与速率基本呈线性关系。

3)二元驱中表面活性剂与聚合物的相互作用研究可为今后复合驱配方设计提供理论指导，减少工作的盲目性。

[1]曹绪龙，蒋生详，孙焕泉，等.聚合物与表面活性剂的相互作用[J].应用化学， 2002,19(1): 866-869.

[2]李方.表面活性剂与聚合物间相互作用研究[D].济南：山东大学化学院,1997.

[3]樊明红.表面活性剂与聚合物间相互作用的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2004.

[4]王红艳.聚表二元体系的相互作用[D].成都:西南石油学院,2005.

[5]何珩.疏水缔合水溶性聚合物与表面活性剂的相互作用[D].成都:西南石油学院,2002.

[6]郭颖.表面活性剂/聚合物超分子体系微观结构和相互作用研究[D].济南:山东大学,2006.