在中国，聚合物驱已成为提高原油采收率的主 导方法之一。聚合物驱是通过在注人水中加入水溶 性高、相对分子质最大的聚合物，增加水相黏度和降 低水相渗透率，改善流度比，从而提高原油采收 率[|]。聚合物溶液的黏度是考察聚合物驱油效率 的重要指标。影响聚合物溶液黏度的因素很多，主 要有分子量、水解度、溶剂、浓度、温度、矿化度、搅拌 速率、溶解氧等u~5]。聚丙烯酰胺（HPAM)水溶液 作为一种驱油剂已在油田推广应用，并取得了较好 的驱油效果。HPAM溶液黏度受着各种物理和化 学条件的限制，本实验主要研究了金属阳离子对 HPAM溶液黏度的影响，并结合埕东油田区块聚合 物驱的采出水实际情况，考察各种金属阳离子引起 的黏度损失率。通过扫描电镜、红外光谱初步研究 了金属阳离子对HPAM溶液的降黏机理。

1实验部分

1.1 实验材料北京恒聚聚丙烯酰胺，水解度 23%，固含量77%，金属阳离子对聚丙烯酰胺溶液黏度的影响及其降黏机理研究,分子量约1 500万;NaCl、KCl、 CaCl2、MgCl2 • 6H20、FeCl3、FeS04均为分析纯;污 水取自胜利油田埕东采油厂，污水中各种金属阳离

子含量分析结果见表1。

1.2实验仪器BrookfieldDV-H+Pro型黏度计， 美国BROOKFIELD公司生产；S4800冷场扫描电镜，日本日立公司生产；Spectrometer One FT-IR光 谱仪，美国Perkin Elmer公司生产;79-1型磁力加热 搅拌器，常州国华电器有限公司生产。

1.3实验方法

1.3.1 HPAM溶液的黏度测定HPAM母液的浓.- 度为5 000 mg/L，配制方法参照“用于提高石油采 收率的聚合物评价的推荐方法SY/T6576. 2003 执行”〇

用矿化水将HPAM母液稀释到1 500 mg/L，分 别配制含有不同浓度的Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe2+ HPAM溶液，用电磁搅拌器搅拌1 h后在60 t：下恒 温 10 rtiin，选择 Brookfield DV-n +Pro 型黏度计测 定黏度，选择RV-3号转子,转速为12〇r/min。

1.3.2扫描电镜实验用去离子水和模拟埕东矿 化水(仅含Na+、K+、Mg2+和Ca2+)配制质量浓度为 1 000 mg/L的HPAM溶液，在室温25 t下，用搅拌 器搅拌2 h，静置熟化14 d，用移液枪分别取100 pL 溶液滴在采用超声波处理的2个新云母片上，使它 尽量铺张成膜，尽量保持HPAM水化分子的原有结 构和形貌，在干燥器中干燥后，进行喷金，最后用S- 4800冷场扫描电镜观察HPAM的形态。选择电压 3.0 kV，工作距离和放大倍数在扫描电镜图片下方 标注。

1.3.3 HPAM的红外光谱实验将纯HPAM固体 研磨碎后，取微量作其红外光谱。分别用含Na+(浓 度为 2 000 mg/L)、Mg2+(浓度为 90 mg/L)、Fe2+(浓

度为5. 4 mg/L)的矿化水稀释HPAM母液到 1500 mg/L,搅拌均匀，静置1 d，在100 t下烘干得 '到塑料膜状的薄膜，将这些薄膜研磨碎后取微量分 别作红外光谱图。

2结果与讨论

2.1金属阳离子对HPAM溶液黏度的影响水 质是影响HPAM溶液黏度的重要因素之一。目前， 现场配制HPAM溶液一般采用清水配制母液、污水 稀释的方法。清水和污水中所溶解的无机盐离子主 要有 Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe2+ 以及 Cl.、N(V、C032-、 1«：0/、5042_等。其中，阴离子对HPAM溶液黏度 影响很小，而阳离子是引起HPAM溶液黏度损失的 主要原因[6]。

取1.3.1中配制的溶液，测定各离子对HPAM 溶液黏度的影响，结果见图1(a) ~(c)。从图1(a) ~(c)可以看出，随着各离子质量浓度的增加， HPAM溶液黏度都降低。其中，Na+、K+对HPAM 溶液黏度的影响基本一致，两者浓度在大于1 300 mg/L 后，HPAM溶液黏度下降趋势变缓；Ca2+、Mg2+对 HPAM溶液黏度的影响也比较接近，浓度大于 100 mg/L时,HPAM溶液黏度下降趋势变缓，相同 质量浓度时Mg2+对HPAM溶液黏度的影响比Ca2+ 略大一些。 

 

0500100015002000050100 150 200 250 3001234567

Mass concentration c/mg-L1Mass concentration c/mg-L 'Mass concentration c/mg-L'1

图1不同离子对HPAM溶液黏度的影响 Figure 1 Different ions on HP AM solution viscosity □ : Na*； ■： K"； A： Mg2+； A： Ca2t； •： Fe2* 

比较图1(a)和图1(b)可以看出，二价离子对 HPAM溶液黏度的影响明显大于一价离子。由图1 (c)可以看出，2 mg/L的Fe2+就可使黏度损失率达 到50 %，可见Fe2+对聚合物溶液黏度影响尤为显 著。综合图丨（a) ~(c)可知，金属阳离子对HPAM 水溶液初始黏度影响较大，当浓度低于1〇 mg/L 时，相同质量浓度下，对HPAM黏度影响程度由大 到小的顺序是 Fe2+>Mg2+>Ca2+>Na+ »K+。

2.2埕东污水中各种金属离子对HPAM溶液黏 度的影响按照埕东油田污水中各种金属阳离子实 测含量配制HPAM溶液，黏度测定结果见表1。由 表1可以看出,埕东污水中各种金属阳离子单独作 用时，对HPAM溶液黏度的影响由大到小的顺序为 Na+>Fe2+>Ca2+>K+>Mg2+。若污水中仅含 1 808 mg/L Na+就可以使HPAM溶液黏度损失率达到84%，可 见Na+是造成HPAM溶液黏度下降的主要因素。金属阳离子对聚丙烯酰胺溶液黏度的影响及其降黏机理研究, 若污水中仅含有5.4 mg/L Fe2+可使HPAM溶液黏 度损失率达到70%，因此，污水中必须严格控制 Fe2+含量。由表1可知，各种金属阳离子造成 HPAM溶液黏度损失率之和明显大于100%，而捏 东现场污水配制HPAM溶液的实际黏度损失率为 90% (去离子水稀释聚合物溶液黏度为200 mPa>s左

Metal cadonNa+K+Ca2t Mg2*Fe2*

Mass concentration c /mg-L-1 Loss rate of viscosity 77/%180817585 135.4

843460 2570

右，模拟污水稀释聚合物溶液的黏度为25 mPa*s左 右）。这说明污水中各离子对聚合物黏度的影响并 非简单的叠加，机理比较复杂。

表1埕东污水中各种金属阳离子对HPAM 溶液黏度的彩响

Table 1 Effect of metal cation from Chengdong sewage on the viscosity of HPAM solution

2.3 HPAM的降黏机理分析图2为去离子水配

制的1 000 mg/L HPAM溶液的SEM照片。由图2 可以看出，在去离子水中HPAM在溶液中占的空间 体积很大，HPAM分子链很长，分子链之间相互缠 绕交联，形成空间网状结构，这种空间网状结构阻碍 了水介质的自由运动，因而HPAM溶液黏度很 大[7]。形成这种空间网络结构的原因，可从HPAM 的化学结构式方面分析,HPAM分子链中含有一定 比例的羧酸根阴离子，链节之间有静电斥力，使得分 子链变得松散舒展不易卷曲,增加了阻碍水介质自 由运动的能力，提高了 HPAM溶液黏度。观察 HPAM的表面结构可以看出，HPAM分子表面有一 层较厚的水化膜，分子链粗细不均匀，链节处有凸 起，造成这种形态的原因是HPAM分子的亲水基团 与水介质之间存在溶剂化作用，HPAM分子表面形 成了较厚的水化膜，因“束缚水”的存在，使聚合物 黏度增大。

由图2可知，去离子水配制的HPAM溶液黏度 高是由其分子结构特点决定的，概括为三方面的原 因:空间效应、静电斥力、溶剂化作用。HPAM的分 子体积越大，空间结构越疏散，分子链越舒展,黏度越 大;HPAM分子链节之间的静电斥力越大，分子链越 松散舒展，黏度越大;HPAM分子的溶剂化作用越大， 束缚的“自由水”越多，黏度越大。

图3为矿化水配制的1 000 mg/L HPAM溶液 的SEM照片。从图3可以看出，在金属阳离子的作 用下HPAM原有的空间网状结构被破坏，分子链由 舒展变得卷曲。原因是金属阳离子与羧酸根阴离子 之间的静电引力,使分子链节原有的静电斥力减弱， 舒展程度降低。对比图2和图3 HPAM的表面结构 可以看出，在矿化水中HPAM分子表面发生了明显 的变化，表面的溶剂化层在金属阳离子的作用下，水 化层变薄，释放出大量“束缚水”。

由图3可以看出，金属阳离子与HPAM链上的 竣酸根阴离子静电作用，金属阳离子对聚丙烯酰胺溶液黏度的影响及其降黏机理研究,一方面使HPAM在溶液中 的交联程度发生变化，造成水化半径减小，黏度降 低;另一方面降低了 HPAM分子表面的电荷密度， 减弱了极性基团的溶剂化能力，释放大量“束缚水” 变为“自由水”，进而使黏度明显降低[61。

图4为HPAM的红外光谱图。从图4可以看 出，加不同金属阳离子的HPAM红外谱图峰的位置 基本一致，在3 350和3 200 cm4左右存在伯酰胺的 N-H的对称伸缩振动和不对称伸缩振动的峰。在 3 420和3 200 cn^处的峰比较宽,为水峰，伯酰胺的 N-H对称伸缩振动和不对称伸缩振动的峰被水峰 掩盖。1 6600^为C = 0的对称伸缩振动峰， 1 410 cnT1为C-N伸缩振动和N-H的弯曲振动的 偶合峰，以C-N的伸缩振动为主。2 930 cnT1为 -CH2-不对称伸缩振动峰,2 800 cnT1左右为-CH2_ 对称伸缩振动峰。1450 cnT1为-CH2-CO接近于 -CH2-弯曲振动峰。1 3M和1 l^cm—1两峰在1 35〇 ~1 150 cm'为仲酰胺C-N键的伸缩振动和部分 N-H的振动峰，569 cnT1为酰胺的氨基的面外弯曲

振动峰。

由图4 HPAM的红外谱与图5 AM的标准红外 光谱对比可以明显看出，AM在1 040 cnT1左右存在 由双键产生的烯烃面外弯曲振动峰，可将1 040 cuT1 左右定义为单体的特征峰，而HPAM固体样品不存 在此吸收峰。从图4可以看出，而用含有离子的矿 化水配制的HPAM在1 040 cn^左右时出现丙烯酰 胺单体的特征峰。这说明在各种阳离子的作用下 HPAM发生降解，被分解为类似单体的短链的聚 合物。

为了进一步比较各种金属阳离子对HPAM离 子降解作用的大小，以1 660 cnT1为C = 0的对称伸 缩振动峰的峰面积为基准，计算各种阳离子对 HPAM作用后在1 040 cnT1产生单体特征峰的峰面 积与基准峰的峰面积的比值，比值越大证明对 HPAM产生的降解作用越大。峰面积的计算使用 软件0MNIC红外分析软件。各个峰面积、峰面积 参考文献

之比和各离子造成的黏度损失率见表2。

从表2可以看出，Fe2+的浓度很小，与竣酸根阴 离子相互的静电作用力也小，其对HPAM造成的卷 曲作用并不大，但用含Fe2+矿化水配制的HPAM在 1 040 cnT1处的吸收峰与1 660 cnT1处的峰面积比值 明显大于含Na+、Mg2t的，这说明Fe2+存在时，造成 HPAM降解作用显著。

表2红外光谱峰面积分析

Table 2 Analysis of 1R peak area

Metal cationFe2+Mg2+Na+

Mass concentration c /mg*L-15.490,02 000.0

^*^1040 cm'1 ^ /Cm4.834.562.40

Area1660cm-i A /cm215.5039.5034.20

040 cnT1’A】 660cm_10.310.110.07

Loss rate of viscosity^/%708384

有研究表明，在HPAM溶解过程中不可避免地 会带入一些空气使溶液中含有溶解氧，在Fe2+作用 下，发生自由基反应，导致HPAM骨架断裂，被分解 为类似单体的短链聚合物，使黏损率增大18~1<)]。 Na+和Mg2+作用后峰面积比值较Fe2+的小很多，也 就说明Na+、Mg2+不易造成HPAM断链，而污水中 其质量浓度较大，说明它们造成黏度明显降低的主 要原因不是使HPAM断链，而是由于Na+和Mg2+与 羧酸根的静电作用引起分子链的卷曲，从而导致 HPAM溶液的黏度的降低。

3结论

金属离子对HPAM水溶液初始黏度影响较大， 在浓度小于10 mg/L时，金属阳离子对聚丙烯酰胺溶液黏度的影响及其降黏机理研究,同质量浓度下的各种金属 离子，影响HPAM溶液黏度由大到小顺序为Fe2+> Mg2+>Ca2+>Na+«K+0

埕东污水中各离子的实测浓度对聚合物溶液的 黏度影响由大到小顺序为Na+>Ca2+>Mg2+ »Fe2+。

由扫描电镜结果分析用去离子水配制的 HPAM溶液黏度大的原因可从其分子结构特点分 析，主要有三方面原因:空间效应、静电斥力、溶剂化 作用。