非离子粘弹性表面活性剂与低分子量疏水缔合聚合物相互作用与协同增稠机制研究

Micellar microstructure,theoretical model and the synergistic effect have been the research focuses in the area of polymer-surfactant interactions. In this study, hydrophobic associating polymer (HAP) and non-ionic based viscoelastic surfactant (NVES), both currently used in the formation of fracturing fluid systems, are employed to form a composite fracturing fluid system， in order to take advantages of each component in the aspect of intrinsic viscosity and structural viscosity . Its solution properties are investigated by means of surface tension measurements and rheological method. Fluorescence spectrometry, dynamic light scattering, atomic force microscopy, cryo-HRSEM and 13C NMR are utilized for the study of its micellar microstructure, self assembly behavior and interactions between HAP and NVES molecules. Through properties on both macro- and micro-scale, the effect of chemical structure of HAP and NVES, its micellar characteristics and other factors on its supermolecular conformation and interaction, are investigated. Meanwhile, a practical HAP-NVES interaction model is established. The outcome of this study will provide theoretical and experimental basis to the design and application of novel fracturing fluid systems. This project also has important significance to the development of polymer/surfactant science.

在聚合物与表面活性剂相互作用的研究中，胶束聚集体的微结构及其理论模型、协同作用的机制和影响因素是主要的研究热点。本项研究将低分子量疏水缔合聚合物和非离子型粘弹性表面活性剂两个系列的清洁压裂液组成复合体系，实现两者在本体粘度和结构粘度方面的优势互补。利用表面张力法和流变学方法研究其溶液性质，利用荧光光谱 、动态光散射、原子力显微镜、冷冻高分辨率扫描电镜及核磁共振碳谱等方法研究其复合体系微观结构、胶束自组装行为及聚合物与表面活性剂分子间相互作用机理。通过对宏观性能及微观结构的研究，揭示表面活性剂和聚合物的分子结构及其它影响因素对复合体系聚合物和非离子粘弹性表面活性剂两者相互作用的影响，建立符合实际情况的疏水缔合聚合物／粘弹性表面活性剂相互作用模型。研究成果将为新型压裂液体系的设计与应用提供实验依据和理论基础，对于表面活性剂／聚合物科学的发展和应用具有重要的意义。

研究疏水缔合聚合物与粘弹性表面活性剂之间的相互作用，以促进认识疏水缔合聚合物-非离子粘弹性表面活性剂复合体系的超分子结构及其与性能的关系。有助于开发其在低渗油藏改造等油田化学领域的应用。.（1）合成了共8种不同结构类型的低分子量疏水缔合聚合物并进行了结构表征，联合利用微观（AFM、SEM、荧光光谱等）和宏观（表面张力、粘度、流变性等）实验方法，研究了低分子量疏水缔合聚合物的溶液性质和微观织构。.（2）其中疏水缔合聚合物HMPAM具有良好的增粘性及耐高温、抗无机盐性。表面张力测试表明，随着HMPAM 浓度的升高，水溶液的表面张力迅速降低至45mN/m。荧光光谱法测得其临界缔合浓度约为0.15wt%。.（3）HMPAM与NVES的相互作用主要受到疏水缔合作用力的驱动，二者的相互作用发生在CMC之后。由于NVES在水溶液中形成棒状胶束，随着表面活性剂浓度的升高，复合体系粘度单调升高。.（4）疏水缔合聚合物HAPDA与非离子表面活性剂NVES复合体系粘度随NVES浓度增大先减小后增大最后趋于稳定。荧光光谱证实HAP与NVES在CMC值之前就开始形成混合胶束，混合胶束起到桥接作用将不同高分子链连接在一起形成大的网络结构起到协同增稠作用。.（5）疏水缔合聚合物HAPSA与NVES复合体系在CMC之前未发生协同增稠作用。NVES过量时，两者形成混合棒状胶束。随着表面活性剂浓度不断增大，棒状胶束相互叠合形成更加致密的网络结构，复配体系粘度不断增大。相互作用的过程不符合三阶段模型，作用机理属于棒状胶束与聚合物相互作用的类型。.（6）组成为0.2wt%HMPAM和0.15wt%的NVES的复合体系具有低摩阻、携砂能力强的特点，可用做油层改造施工的携沙液。组成为0.6wt%的疏水缔合聚合物PAMMS-1水溶液粘度达到916 mPas，在150℃、170 S-1下剪切2 h，粘度仍大于50 mPas，且具有良好的粘弹性，可用做清洁压裂液。组成为0.5wt% PAMAAM-1聚合物在金属和酚醛树脂交联剂的作用下，形成的凝胶耐温能力达到230℃，可用于稠油油田注蒸汽井汽窜通道的封堵。