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新型流体转向剂 ——互穿网络（IPN）吸水凝胶的研究

2020-11-23阅读(668)

新型流体转向剂 ——互穿网络（IPN）吸水凝胶的研究

论文摘要

针对目前油田应用的凝胶颗粒流体转向剂的特点，采用IPN技术研制了一种具有互穿网络结构的聚合物凝胶，并深入研究了其应用性能，取得了以下研究成果： （1）在分子结构设计的基础上研究了IPN凝胶的合成原理、合成路线，采用正交设计法和方差分析法、模糊综合分析法研究了凝胶的合成工艺。以PVA、PAM和PAA为基本分子结构能满足凝胶应用性能的需要，并符合“极性相近”和“相似相容”的原则；采用自由基聚合机理和化学交联的原理来合成IPN凝胶；顺序IPN是最理想的合成路线；PVA浓度对凝胶的拉伸强度、溶胀度和脱水率影响最大；PVA浓度与第二交联剂用量的交互效应对凝胶的综合性能影响最大。 （2）利用傅立叶红外光谱、偏光显微镜、电镜扫描、常温差热分析等手段对IPN凝胶的结构进行了表征。IPN凝胶中PVA与PAM和PAA分子间形成了氢键作用，并且聚合物网络的拓扑缠结结构在凝胶吸水过程中不会破坏；IPN凝胶呈网状结构，聚合物网络结构的聚集体为圆球状颗粒形式，并可以观察到明显的结晶结构；吸水后凝胶的网络结构由连续的膜状带和分离的不规则的近似椭圆形孔状结构组成，膜状带宽度大约在10～30μm之间，孔径大约在25～50μm之间；随凝胶中P（AM-AA）含量的增加，IPN凝胶的结晶结构逐渐被破坏，P（AM-AA）网络的尺寸大小对PVA的结晶结构也有影响。 （3）利用力学拉伸试验全面评价了IPN凝胶的强度、柔度和韧度。PVA浓度越大，凝胶拉伸强度越大；单体用量越大，凝胶柔度越小；PVA浓度为2％，单体用量为20％，引发剂YF用量为0.12％，第一交联剂JL-1浓度为0.04％，第二交联剂JL-2浓度为0.05％时，IPN凝胶的韧度最大；凝胶的溶胀度越大，凝胶的强度和韧度越小，凝胶的柔度越大。影响IPN凝胶的力学性能的本质因素有高分子本身结构、结晶和取向、银纹和应力集中等。 （4）采用溶胀度测试方法开展了IPN凝胶的溶胀动力学研究，利用TGA分析了凝胶中水的状态，全面评价了IPN凝胶对温度、酸碱度和盐的溶胀响应行为。IPN凝胶溶胀属于非-Fickian溶胀过程；IPN凝胶中的水以三种状态存在，即非冻结结合水，可冻结结合水，游离水，其中游离水含量在55％以上，非冻结结合水含量在5％以下；凝胶溶胀度的大小主要受控于凝胶内自由水含量的高低；IPN凝胶在不同的环境溶液中具有不同的溶胀行为，主要原因来自高分子链间氢键的形成和离解、高分子链上基团的交联反应、网络内的静电排斥作用等。 （5）推导了IPN凝胶的脱水模型，研究了IPN凝胶在空气、地层水和原油中的脱水性能。交联密度小于临界交联密度的凝胶的脱水速率随交联密度的增大而

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 1 绪论
  • 1.1 注水井深部调驱技术的提出与发展
  • 1.1.1 深部调驱技术的概念
  • 1.1.2 深部调驱技术的提出
  • 1.1.3 深部调驱技术的意义
  • 1.1.4 深部调驱技术国内外现状
  • 1.2 水凝胶颗粒深部调驱技术的优势及现状
  • 1.2.1 水凝胶的发展状况
  • 1.2.2 水凝胶颗粒调驱技术的意义
  • 1.2.3 水凝胶颗粒调驱技术的现状
  • 1.3 聚合物水凝胶概述
  • 1.3.1 聚合物水凝胶的定义与分类
  • 1.3.2 聚合物水凝胶的合成方法
  • 1.3.3 聚合物水凝胶的特征
  • 1.3.4 聚合物水凝胶的结构与性能表征方法
  • 1.4 互穿网络聚合物（IPN）概述
  • 1.4.1 聚合物网络的基本概念
  • 1.4.2 IPN的定义与分类
  • 1.5 论文的研究意义及主要研究内容
  • 1.5.1 论文的研究意义
  • 1.5.2 论文的主要研究内容和取得的成果
  • 1.5.3 论文的主要创新点
  • 1.6 本章小结
  • 2 IPN凝胶的合成
  • 2.1 原料的选择
  • 2.1.1 PVA的有关性质
  • 2.1.2 PAM的有关性质
  • 2.1.3 PAA的有关性质
  • 2.2 PVA与PAM和PAA的相容性
  • 2.3 实验方法的确定
  • 2.3.1 PVA的化学交联机理
  • 2.3.2 AM-AA的聚合交联原理
  • 2.3.3 共混方式的确定
  • 2.3.4 IPN凝胶的合成路线
  • 2.4 IPN水凝胶的合成工艺优化
  • 2.4.1 正交试验设计概述
  • 2.4.2 模糊优化概述
  • 2.4.3 因子水平的确定及正交设计表的选择
  • 2.4.4 试验结果的方差分析
  • 2.4.5 试验结果的模糊分析
  • 2.5 本章小结
  • 3 IPN凝胶的结构
  • 3.1 IPN凝胶的FTIR分析
  • 3.1.1 实验仪器及方法
  • 3.1.2 实验结果与分析
  • 3.2 IPN凝胶的偏振光分析
  • 3.2.1 实验仪器及方法
  • 3.2.2 实验结果与分析
  • 3.3 IPN凝胶的SEM分析
  • 3.3.1 实验仪器及方法
  • 3.3.2 实验结果与分析
  • 3.4 IPN凝胶的结晶结构分析
  • 3.4.1 实验仪器及方法
  • 3.4.2 实验结果与分析
  • 3.5 本章小结
  • 4 IPN凝胶的力学性能
  • 4.1 测试仪器及方法
  • 4.2 IPN凝胶的应力-应变曲线
  • 4.3 IPN凝胶的强度
  • 4.3.1 PVA浓度对IPN凝胶强度的影响
  • 4.3.2 AM与从总用量对IPN凝胶强度的影响
  • 4.3.3 YF用量对IPN凝胶强度的影响
  • 4.3.4 JL-1用量对IPN凝胶强度的影响
  • 4.3.5 JL-2用量对IPN凝胶强度的影响
  • 4.3.6 含水率对IPN凝胶强度的影响
  • 4.4 IPN凝胶的柔度
  • 4.4.1 PVA含量对IPN凝胶柔度的影响
  • 4.4.2 AM与从总用量对IPN凝胶柔度的影响
  • 4.4.3 YF用量对IPN凝胶柔度的影响
  • 4.4.4 JL-1用量对IPN凝胶柔度的影响
  • 4.4.5 JL-2用量对IPN凝胶柔度的影响
  • 4.4.6 含水率对IPN凝胶柔度的影响
  • 4.5 IPN凝胶的韧度
  • 4.5.1 PVA含量对IPN凝胶韧度的影响
  • 4.5.2 AM与AA总用量对IPN凝胶韧度的影响
  • 4.5.3 YF用量对IPN凝胶韧度的影响
  • 4.5.4 JL-1用量对IPN凝胶韧度的影响
  • 4.5.5 JL-2用量对IPN凝胶韧度的影响
  • 4.5.6 含水率对IPN凝胶韧度的影响
  • 4.6 本章小结
  • 5 IPN凝胶的溶胀性能
  • 5.1 水凝胶的基本理论
  • 5.1.1 热力学理论
  • 5.1.2 动力学理论
  • 5.1.3 吸水机理
  • 5.2 IPN凝胶的溶胀动力学
  • 5.3 IPN凝胶中水的状态
  • 5.4 IPN凝胶的温度响应性
  • 5.4.1 PVA浓度对IPN凝胶温度响应性的影响
  • 5.4.2 AM与AA总用量对IPN凝胶温度响应性的影响
  • 5.4.3 YF用量对IPN凝胶温度响应性的影响
  • 5.4.4 JL-1用量对IPN凝胶温度响应性的影响
  • 5.4.5 JL-2用量对IPN凝胶温度响应性的影响
  • 5.5 IPN凝胶的pH响应性
  • 5.5.1 PVA浓度对IPN凝胶pH响应性的影响
  • 5.5.2 AM与AA总用量对IPN凝胶pH响应性的影响
  • 5.5.3 YF用量对IPN凝胶pH响应性的影响
  • 5.5.4 JL-1用量对IPN凝胶pH响应性的影响
  • 5.5.5 JL-2用量对IPN凝胶pH响应性的影响
  • 5.6 IPN凝胶的盐响应性
  • 5.6.1 PVA浓度对IPN凝胶盐响应性的影响
  • 5.6.2 AM与AA总用量对IPN凝胶盐响应性的影响
  • 5.6.3 YF用量对IPN凝胶盐响应性的影响
  • 5.6.4 JL-1用量对IPN凝胶盐响应性的影响
  • 5.6.5 JL-2用量对IPN凝胶盐响应性的影响
  • 5.6.6 离子类型对IPN凝胶盐响应性的影响
  • 5.7 本章小结
  • 6 IPN凝胶的脱水性能
  • 6.1 凝胶的脱水模型
  • 6.2 凝胶在空气环境中的脱水性能
  • 6.3 凝胶在水环境中的脱水性能
  • 6.4 凝胶在原油中的脱水性能
  • 6.5 本章小结
  • 7 IPN凝胶颗粒深部调驱物理模拟研究
  • 7.1 IPN凝胶颗粒的注入性
  • 7.1.1 在单岩心中的运移规律
  • 7.1.2 在并联岩心中的选择性进入能力
  • 7.2 IPN凝胶颗粒的渗透率调整作用
  • 7.2.1 平面改善作用
  • 7.2.2 剖面改善作用
  • 7.3 IPN凝胶颗粒／表面活性剂的组合调驱效率
  • 7.3.1 单岩心驱油实验
  • 7.3.2 并联岩心驱油实验
  • 7.3.3 平板模型驱油实验
  • 7.4 IPN凝胶颗粒调驱机理
  • 7.4.1 优先进入高渗层
  • 7.4.2 深部液流改向
  • 7.4.3 克服贾敏效应
  • 7.4.4 粘弹性运动驱油
  • 7.5 本章小结
  • 8 结论与建议
  • 8.1 结论
  • 8.2 建议
  • 参考文献
  • 致谢
  • 攻读博士学位期间发表的论文及获得的成果

    • 相关论文文献

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