驱油用聚丙烯酰胺后水解方法综述_彭齐国

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绞碎机切割的胶体水解方法[7]
将聚合后 PAM 胶体用手动绞碎机切割造粒, 依据实验的 不同条件,按水解度 25%加入水解剂,进行水解反应。 所用水解 剂为 20%NaOH 溶液。 水解后再 向 样 品 中 加 入 防 粘 剂 ,用 绞 碎 机再绞碎,干燥粉碎后筛分得到 HPAM 粉末。
(1)水 解 剂 的 选 择 水解前 PAM 浓度为 8%,水解温度 90℃。具体实验结果见表 3。B1 加了添加剂,防止干燥时降解,B2 未加;B1 和 B2 分别表示 用 NaOH 水解,B3 和 B4 分别表示用 Na2CO3、NaHCO3 水解。
应用科技
2009 年 7 月 6 日 第十七卷 第 13 期
驱油用聚丙烯酰胺后水解方法综述
彭齐国 宋志学 朱洪庆 陈 平 王成胜 易 飞 (中海油能源发展股份有限公司采油工程研究院,天津 300452)
聚丙烯酰胺类聚合物中应用最广泛的是部分水解聚丙烯 酰胺(以下简称 HPAM),特别是在三 次采油聚 合 物 驱 及 水 处 理 等 方 面 。 水 解 度 为 10%~30% 的 超 高 相 对 分 子 质 量 的 HPAM 主 要 用 于 油 田 采 油 以 提 高 采 收 率 [1]。
实验编号 B1 B2 B2 B2 B3 B3 B4 B4
表 3 水解剂种类的影响
水 解 时 间 /h
分 子 量 /104
2.0
2710.1
1.0
2588.4
2.0
2494.2
3.0
1701.3
2.5
2610.9
2.5
2579.8
2.5
1834.6
3.0
1920.9
溶解性 很好 很好 很好 很好 极少不溶 很好 很好 很好
由于邻近基团的影响,产物 HPAM 的理论水解度最高只能 达到 70%。 从反应机理角度讲, 该反应实际上是一个亲核取代 反应, 当碱浓度一定的情况下, 影响反应的因素主要是水解时 间、 水解温度和水解浓度。 水解产物分子链上含羧酸根离子 (COO-),由于 COO-离子之间的静电排斥作用,大分子线团在溶液 中的伸展程度增加, 粘度增加, 因此粘均相对分子质量增大。 HPAM 分子链上含 COO-离子的数目 越 多, 其 粘 均 相 对 分 子 量 增加得越多。
非离子 PAM 溶液的水解方法[5]
先将称量好的非离子 PAM 用一定量的去离子水溶解,选用 NaOH 为水解剂,然后按产品水解度为 25%加入水解剂,将反应 器密闭, 在恒温槽中进行不同条件下的实验。 水解完毕后,在 (90±2)℃下干燥 3h,造粒。
(1)水 解 机 理 分 析 在碱性条件下,PAM 水解反应如下:
(2)水 解 剂 的 选 择 一 般 水 解 剂 有 Na2CO3、NaHCO3、NaOH,这 3 种 水 解 剂 的 碱 性强度为 NaOH> Na2CO3> NaHCO3。 水解产物的水解度随水解 剂碱性强度的增加而增加, 相对分子量随水解剂碱性的增加而 增加。 此方法选用 NaOH 作为水解剂。 (3)水 解 温 度 的 选 择 PAM 的水解反应在常温下进行得很慢。 为加快反 应,需 要 对反应体系加热。 当 PAM 的质量分数为 8%,水解时间为 2.5h 时,水解温度的影响见表 1。
手工剪碎的 PAM 胶体水解方法[6]
称取 50g 剪碎的 30%左右聚丙烯 酰 胺 胶 体 ,将 其 置 于 塑 料 袋中,再将含有 2.1g NaOH、0.7g 尿素、1.5g 分散剂的 15mL 水溶 液 (保证水量在 10~15mL/50g 胶体为宜)置 于 塑 料 袋 中,在 袋 中 二 者 充 分 混 合 均 匀 后,将 塑 料 袋 密 封,置 入 100℃恒 温 干 燥 箱 中 水解 2~3 h。
从 表 3 可 看 出 ,用 NaOH 水 解 ,水 解 时 间 1~2h 较 为 合 适 , 2.5~3h 显然过长。用 NaHCO3 水解,时间应在 3h 以上。用 NaOH 水解的样品分子量及溶解性最好。 用 Na2CO3、NaHCO3 水解,水 解时间较长,在工业化生产中耗能较高。 因此建议采用 NaOH、 90℃水解 1~2h。
加 水 量 /mL 图 2 加水量对[η]的影响 结 果 表 明,在 此 范 围 内 ,随 水 量 增 大 ,[η]平 衡 上 升 ,最 后 趋 于平稳。 水可携带水解剂和助剂向聚丙烯酰胺体内渗入,使其 水解更均匀,但用水量过多,后期干燥时耗能更高,不易于工业 化生产。 因此,水量在 10~15mL/50g 胶体为宜。 (3) 水 解 中 分 散 剂 加 入 量 对 特 性 粘 数 [η]的 影 响 固定配方中的其他组份,在 0.5~20g 范围内改变分散剂的用 量,评价分散剂用量与特性粘数[η]的关系,结果如图 3 所示。
时间/h 图 1 温度和时间对[η]的影响
[η]/(g/mL)
[η]/(g/mL)
结 果 表 明 ,在 70~100 ℃范 围 内,随 温 度 升 高,[η]增 大,温 度 低的情况下,则需要更长的时间,才能达到最高粘度,这一结果符 合化学反应的普遍规律。
(2) 加 水 量 对 特 性 粘 数 [η]的 影 响 在水解过程中要用水将水解剂及各种助剂溶解后再与剪 碎的聚丙烯酰胺胶体混合进行水解反应。 在 5~20mL 范围内改 变加水量,结果如图 2 所示。
(1) 水 解 反 应 温 度 及 时 间 对 特 性 粘 数 [η]的 影 响 固 定 水 解 剂 用 量 ,选 定 70~100℃,在 1~8h 范 围 内 进 行 水 解实验, 产物溶解后, 用乌式粘度计按国标方法测定特性粘数 (以下用[η]表示),结果如图 1 所示。

℃ ℃
[η]/(g/mL)
(2)水 解 温 度 的 选 择 把样品放入烘箱中,考察温度对水解的影响,见表 4。
温 度 /℃ 分 子 量 /104 溶解性
表 4 温度对水解的影响
常温
70
80
-
2467.5 2512.2
大量不溶 部分不溶 少量不溶
90 2857.1 较好
100 1985.1 较好
从表 4 看出, 随着水解温度的提高,PAM 分子量先增加后 降低。 这是由于水解温度较低时,PAM 水解不完全,并且溶解性 较差;而温度较高时,PAM 大分子链易降解。 故综合考虑聚合物 分子量和溶解性等因素,选择水解温度为 90℃。
收稿日期: 2009-03-26 作者简介: 彭齐国(1979-),男,助理工程师,现主要从事提高采收率和油田化学方面研发工作。
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表 2 水解时间对产物粘均分子量的影响
实验编号
1
2
3
4
时间/h
2.0
ห้องสมุดไป่ตู้2.5
3.0
3.5
分 子 量 /104
2060
2130
2320
2270
5 4.0 2140
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2009 年 7 月 6 日 第十七卷 第 13 期
破碎,使其能够充分与水解剂混合,保证水解反应能够均匀进行。 但超高分子量聚丙烯酰胺胶体的破碎方式对其分子量影响巨 大 。
该方法选择的水解条件就是尽量避免机械降解的发生,使 其能够按照指定的水解反 应方向进行,PAM 按照设计的水解度 充分得到水解,也容易操作实现;由于 PAM 分子量愈高抗机 械 降 解 的 性 能 愈 差 ,如[η] = 24 的 胶 体 经 绞 肉 机 绞 碎 后 其[η] = 17 ,分 子 量 下 降 了 几 百 万,而 用 手 工 剪 刀 剪 碎 后 其[η]值 下 降 较 小。 胶体工业破碎方法还应探讨;水解后干燥条件(由于 HPAM 在高温下很容易降解)还需要进一步的摸索。
从上表可看出, 水解时间对产物粘均分子量影响较大,水 解时间最好选择 2.5~3.0h。
(5)水 解 质 量 浓 度 的 选 择 从经济效益角度出发,水解浓度越大,干燥过程的能耗就越 低,所以选用的水解浓度越大越好。 从 PAM 的水解机理可知,水 解浓度大,有利于反应进行,但 PAM 的 加 入 量 太 大,一 方 面 体 系 的 粘 度 大,另 一 方 面 也 易 造 成 PAM 溶 解 不 完 全,与 碱 混 合 不 够 均匀,且使水解生成的羧酸根基团在分子链上分布不均匀,以致 产物粘度降低,相对分子质量降低。 为了考察各因素之间的相互影响,获得最优的工艺条件, 在单因素实验的基础上, 进行了正交试验。 通过正交试验得 出 最 佳 水 解 条 件 为 : 水 解 温 度 90℃, 水 解 时 间 3h, 水 解 质 量 浓 度 8%。 该方法水解时水解剂扩散较好, 但在工业上可操作性不 强,一般都是用胶体水解;产品溶解性不好,应该考虑水解过程 中适当加入分散剂,尽量避免 PAM 大 分 子 交 联 问 题 ;干 燥 造 粒 能耗高,成本相对较高。
表 1 水解温度对产物粘均分子量的影响
实验编号
1
2
3
4
温 度 /℃
70
80
90
100
分子量/104 1880
1970
2130
1830
5 110 1720
在其他条件相同的情况下, 产物相对分子质量随温度的变 化是先增加后降低。 这是因为在较低温度时,PAM 水 解 速 度 较 慢,反应不完全,生成的 COO-基团数 目较少, 静电斥力 较 小, 线 团伸展程度不够好,因而产物的粘度低,相对分子质量低。 当温 度太高时,PAM 的降解成为影响相对分子质量的 主 要 因 素 。 因 此,水解温度不要超过 100℃,最好选择 90℃。
(3)水 解 胶 体 粒 度 的 选 择 将 PAM 胶 体 切 成 不 同 粒 径 的 颗 粒 ,A0 为 胶 体 样 品 ,Ap 为 干粉样品,在相同条件下进行水解,实验结果见表 5。
HPAM 的生产有两种方法,即共聚法和 均 聚 水 解 法 。 采 用 共 聚 法 难 以 获 得 高 分 子 量 的 HPAM,而 在 适 宜 的 条 件 下 ,利 用 均聚后水解法可制备高分子量 HPAM[2]。
目 前 ,国 内 聚 丙 烯 酰 胺 (以 下 简 称 PAM)行 业 大 多 采 用 后 水 解 法 [3]制 备 HPAM, 然 而 由 超 高 分 子 量 聚 丙 烯 酰 胺 转 化 成 超高分子量部分水解聚丙烯酰胺是一个重要环节。 水解引入 的阴离子基团间的静电排斥作用使聚合物链更加扩张,因 此 , 随 PAM 水 解 程 度 的 增 加 ,HPAM 溶 液 粘 度 会 持 续 增 加 [3]。 水 解 工 艺 控 制 的 好 坏 是 影 响 HPAM 在 高 矿 化 度 水 质 (海 洋 油 田油藏条件)中溶解情况是否浑浊或产生乳状沉淀的重要因 素之一。 对于高矿化度水质来说, 尤其是在海洋油田高含 Ca2+、Mg2+的 油 藏 条 件 下 , 水 解 工 艺 条 件 直 接 影 响 PAM 稳 定 性 ,也 就 是 常 说 HPAM 的 盐 敏 效 应[4],即 由 于 HPAM 周 围 由 羧 基与钠离子所形成的扩散双电层受到盐的压缩作用所致。 HPAM 中 的 -COONa 基 团 对 Ca2+、Mg2+等 很 敏 感 ,PAM 由 于 分 子量大、分子链长且结构的无规整性,以及由此产生的位阻 作用很容易造成水解不均匀 ,形成局部水解度大。 本文综述 了 几 种 PAM 后 水 解 法 方 法 并 分 析 了 PAM 水 解 机 理 及 影 响 因 素。
(4)水 解 时 间 的 选 择 随 着 反 应 的 进 行,大 分 子 链 上 COO-基 团 数 目 增 加,因 此 产 物的相对分子质量随水解时间的延长有增加的趋势。 然而当水 解时间超过 3.0h 后,产物的相对分子质量则有所降低。 这 是 因 为在相同水解温度下,水解时间过长则大分子链也同样发生降 解,使相对分子质量降低。水解时间对产物粘均相对分子质量的 影响见表 2。
分散剂/g 图 3 分散剂加入量对[η]的影响 结 果 表 明 ,分 散 剂 用 量 在 此 范 围 内 对[η]没 有 影 响 ,分 散 剂 的功能主要是消弱聚丙烯酰胺分子间的作用力, 避免大分子的 交联,同时也有助于溶解。 该结果表明,分散剂用量在较宽范围 内波动不影响聚丙烯酰胺的分子量。 (4)机械作用对高分子量 PAM 的降解影响 聚丙烯酰胺的分子量愈高,抗机械降解的性能愈差。 本实验所 合成的聚丙烯酰胺分子量高达 2000 万, 在进行水解反应时要将其
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