磺酸基羟丙基胍胶疏水化分子设计、缔合作用及凝胶性能研究

摘要

近年来，中国的经济增长速度有目共睹，与此同时，我国的能源需求也迅猛增长。虽然我国地域辽阔，拥有丰富的石油储量，但是因为地层条件苛刻及开采条件不理想，导致大部分油藏难以被开采，产量受限，目前我国已成为全球最大的原油进口国。
　　为了扩大原油产量、提高采收率，对低渗储层通过水力压裂的方式达到增产、增效的目的。一般情况下，水力压裂所使用的压裂液是以改性胍胶为稠化剂配制的。随着油田的常年开采，我国油藏储层物性越来越差，孔喉越来越小，开采难度越来越大，对压裂液稠化剂的要求越来越苛刻，现有胍胶系列稠化剂存在水不溶物含量高、破胶不彻底、储层伤害大、返排困难等缺点，不能物尽其能，故亟需进一步发掘胍胶稠化剂的潜能。
　　为此，本论文通过分子设计，在胍胶(GG)分子中引入磺酸基团、疏水基团、温敏性基团，分别合成出磺酸基羟丙基胍胶(SHG)、氟碳疏水缔合型阴离子胍胶(FAGG)和温敏性疏水缔合型磺酸基胍胶(PAGG)等三种胍胶衍生物，并用FT-IR、1H-NMR、13C-NMR、19F-NMR、XRD、DSC、DTG、乌氏黏度计、旋转黏度计、流变仪、AFM、激光光散射、荧光光谱、紫外光谱等手段系统研究了SHG、FAGG和PAGG的制备、结构表征、溶液性能，同时在室内评价了三种胍胶改性物作为稠化剂时的压裂液性能。
　　第一部分工作是合成并研究了SHG的结构与性能:
　　(1)用环氧氯丙烷、亚硫酸氢钠为原料制备出3-氯-2-羟基丙磺酸钠（CHP）、再以CHP和胍胶(GG)反应制备出SHG。
　　(2)热性能和结晶性能研究结果显示，SHG相态比GG稳定;引入磺酸基团后引起结晶度明显下降;因CHP的空间位阻作用，阻碍了GG的分子间或分子内脱水而提高热稳定性。
　　(3)取代度越高，SHG相对分子质量越低，其特性黏数、表观黏度、k值（稠度系数）越小，同时耐温耐剪切性能变差，但耐盐性能得到提高。另外，GG和SHG溶液的n值皆小于1，均表现出假塑性流体性质。GG溶液的储能模量(G')和损耗模量(G

目录

摘要

1 前言

1．1 压裂液概述

1．1．1 压裂液的主要种类及其应用现状

1．1．2 水基压裂液的种类

1．1．3 水基压裂液主要组成

1．2 胍胶的基本性能及改性

1．2．1 基本性能

1．2．2 物理改性

1．2．3 化学改性

1．2．4 改性胍胶的制备方法

1．3 疏水缔合水溶性聚合物

1．3．1 疏水缔合作用的定义

1．3．2 疏水缔合形式

1．3．3 疏水缔合聚合物的合成

1．3．4 疏水缔合聚合物溶液的研究方法

1．3．5 疏水缔合聚合物溶液性能影响因素

1．4 表面活性剂对水溶性聚合物溶液的影响

1．4．1 非离子水溶性聚合物

1．4．2 聚电解质

1．4．3 疏水缔合聚合物

1．5 温敏性聚合物

1．5．1 温敏性聚合物的分类

1．5．2 温敏机理

1．5．3 温敏性聚合物的合成

1．5．4 温敏性聚合物的应用

1．6 研究目的、内容和意义

2 磺酸基羟丙基胍胶制备及其性能

2．1 磺酸基羟丙基胍胶(SHG)的制备

2．1．1 试剂和仪器

2．1．2 SHG的制备工艺

2．2 测试方法

2．2．1 胶粉含水率

2．2．2 水不溶物

2．2．3 取代度(DS)

2．2．4 红外光谱(FT-IR)

2．2．5 核磁共振谱图(NMR)

2．2．6 X激光光散射(XRD)

2．2．6 示差扫描量热法(DSC)

2．2．7 热重(TG)

2．2．8 特性黏数([η])

2．2．9 表观黏度(η)

2．2．10 幂律模型

2．2．11 模量(G)

2．2．12 原子力显微镜(AFM)

2．2．13 破胶液残渣含量

2．3．14 表面张力

2．3．15 界面张力

2．3．16 岩心伤害

2．3 SHG分子结构和性能表征

2．3．1 FT-IR分析

2．3．2 NMR分析

2．3．3 XRD分析

2．3．4 DSC分析

2．3．5 TG分析

2．4 SHG的溶液性能

2．4．1 特性黏数([η])

2．4．2 表观黏度(η)

2．4．3 幂律模型

2．4．4 溶液模量

2．4．5 AFM溶液形貌分析

2．4．6 温度对SHG溶液的影响

2．4．7 剪切速率对SHG溶液黏度的影响

2．4．8 NaCl浓度对SHG溶液黏度的影响

2．5 SHG水凝胶压裂液室内评价

2．5．1 SHG凝胶的制备

2．5．2 交联剂用量对SHG凝胶黏度的影响

2．5．3 SHG凝胶的耐温耐剪切性能

2．5．4 SHG凝胶的模量

2．5．5 SHG凝胶的耐盐性

2．5．6 SHG水凝胶压裂液的破胶及伤害评价

2．6 小结

3 氟碳疏水缔合型阴离子胍胶制备及其性能

3．1 氟碳疏水缔合型阴离子胍胶(FAGG)的制备

3．1．1 试剂和仪器

3．1．2 FAGG的制备工艺

3．2 测定方法

3．2．1 异氰酸酯基转化率

3．2．2 取代度(DS’)

3．2．3 荧光光谱

3．2．4 紫外光谱

3．2．5 动态激光光散射

3．2．6 静态激光光散射

3．2．7 胶束聚集数(N)

3．2．8 其他测定

3．3 FAGG的合成

3．3．1 FSM的合成

3．3．2 FAGG的合成

3．4 FAGG分子结构及性能表征

3．4．1 FT-IR分析

3．4．2 NMR分析

3．4．3 XRD分析

3．4．4 DSC分析

3．4．5 TG分析

3．5 FAGG溶液性能

3．5．1 表观黏度

3．5．2 荧光光谱

3．5．3 紫外光谱

3．5．4 AFM溶液形貌分析

3．5．5 幂律模型

3．5．6 剪切速率对FAGG溶液性质的影响

3．5．7 温度对FAGG溶液性质的影响

3．5．8 NaCl浓度对FAGG溶液性质的影响

3．5．9 DLS分析

3．6 FAGG与表面活性剂的相互作用

3．6．1 FAGG与SDS的相互作用

3．6．2 FAGG与CTAB的相互作用

3．7 FAGG水凝胶压裂液的室内评价

3．7．1 FAGG凝胶的制备

3．7．2 交联剂用量对FAGG凝胶黏度的影响

3．7．4 FAGG凝胶的模量

3．7．5 FAGG凝胶的耐盐性

3．7．6 FAGG水凝胶压裂液的破胶及伤害评价

3．8 小结

4 温敏性疏水缔合型阴离子胍胶制备及其性能

4．1 温敏性疏水缔合型阴离子胍胶(PAGG)的制备

4．1．1 试剂和仪器

4．1．2 PAGG的制备工艺

4．2 测定方法

4．2．1 PEGS浊点

4．2．2 取代度(DS")

4．2．3 其它测定

4．3 PEGS表面活性

4．4 PAGG合成

4．4．1 PSM合成

4．4．2 PSM的表征

4．4．3 PAGG合成

4．5 PAGG分子结构和性能表征

4．5．1 FT-IR分析

4．5．2 XRD分析

4．5．3 DSC分析

4．6 PAGG的溶液性能

4．6．1 表观黏度与CAC

4．6．2 荧光光谱

4．6．3 紫外光谱

4．6．4 AFM溶液形貌分析

4．6．5 幂律模型

4．6．6 剪切速率对PAGG溶液性质的影响

4．6．7 NaCl浓度对PAGG溶液性质的影响

4．6．8 DLS分析

4．7 PAGG的温敏性研究

4．7．1 表观黏度

4．7．2 CAC测定

4．7．3 模量

4．7．4 幂律模型

4．8 PAGG水凝胶压裂液室内评价

4．8．1 PAGG凝胶的制备

4．8．2 交联剂用量对PAGG凝胶的影响

4．8．3 PAGG凝胶的耐温耐剪切性能

4．8．4 PAGG凝胶的模量

4．8．5 PAGG凝胶的耐盐性

4．8．6 PAGG水凝胶压裂液破胶及伤害评价

4．9 小结

5 结论

5．1 总结

5．2 本文创新之处

5．3 下一步工作

致谢

参考文献

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