AMPS-AM 粘彈性聚合物的制備及其調驅性能研究

中圖分類號：O631 文獻標志碼：A

Abstract： In current oil recovery processes，low-quality resources and complex reservoir conditions present significant challenges in enhancing oil recovery efficiency. Traditional polyacrylamide （PAM）-based chemical flooding agents are effective in regulating the water-oil mobility ratio and controlling water channeling but exhibit limited performance in high-salinity environments. To address this issue，this study developed an AMPS-AM copolymer based on 2- acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid （AMPS）.The AMPS units impart excellent salt resistance and stability to the copolymer，while the AM units enhance its viscoelasticity，enabling it to adapt to varying salinity conditions and effectively improve sweep efficiency and oil recovery.The AMPS-AM copolymer prepared in this study has a molecular weight of 1.19×10⁷g/mol Its structure was characterized using Fourier-transform infrared spectroscopy （FT-IR），nuclear magnetic resonance spectroscopy （ ¹H NMR），and scanning electron microscopy （SEM）.Rheological performance tests showed that the copolymer maintained high viscoelasticity under salinity conditions ranging from 1～4 w.It exhibited shear-thinning behavior at different shear rates ?100rad/min，200rad/min，300rad/min ，and 600rad/min） and demonstrated excellent viscoelastic self-recovery properties.Furthermore，core flooding experiments and glass micromodel oil displacement tests revealed that the AMPS-AM copolymer increased oil recovery by 10% ，effectively improved the mobility ratio，and reduced the water phase flow rate，providing a theoretical basis for efficient oilfield development.

Key words： viscoelastic self-regulating agent; AMPS-AM copolymer; oil displacement agent

0 引言

在當前石油資源開采中，資源品質下降、開采難度增加及技術瓶頸加劇，使得進一步提高原油采收率成為亟待解決的難題[1-5].傳統的提高采收率方法，包括一次、二次和三次采油手段中，化學驅油在三次采油階段展現出顯著效果.其中，聚丙烯酰胺（PAM）類驅油劑[6-10]作為三次采油的核心化學劑，因其優異的流變性能在調節水油流比、控制水指進現象方面具有顯著優勢，已廣泛應用于如大慶油田、勝利油田等[11-13]，對提高采收率發揮了重要作用.然而，隨著油田逐漸進入開發中后期，地層條件日益復雜，傳統PAM類驅油劑的局限性逐漸顯現：其在高溫高鹽環境中的溶解性和穩定性大幅下降，導致調驅效果顯著減弱，從而降低了原油采收率[14，15].研究表明，高礦化度條件下鹽離子與PAM分子鏈間的靜電屏蔽效應會削弱其流變性能，同時PAM的分子結構易發生降解，進一步加劇其性能的損失[16，17].因此，在現有技術的基礎上，迫切需要開發兼具耐鹽性、耐溫性及優異粘彈特性的自調控驅油劑，以滿足復雜儲層條件下進一步提高采收率的實際需求.

基于此背景，近年來國內外學者對高效化學驅油劑的研發展開了廣泛研究.如JouenneS等[18]通過分子設計優化PAM衍生物的抗鹽性能，顯著提高了其在特定環境下的驅油效率；國內團隊也在聚合物耐鹽性及粘彈性能增強方面取得了重要進展[19，20].其中，以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）為功能單體的AMPS-AM共聚物展示出廣闊的應用前景：AMPS單體中的磺酸基團賦予共聚物優異的耐鹽性和耐溫性，使其在高礦化度條件下仍能保持穩定的流變特性，而AM單體的引入則增強了共聚物的粘彈性能，從而在油層波及效率和驅油效果方面表現出顯著優勢[21-24].

本研究針對傳統PAM類驅油劑在高礦化度環境下性能不足的問題，引入AMPS和AM單體的協同作用機制：AMPS中的磺酸基團通過電性屏蔽效應顯著提升聚合物的耐鹽性和熱穩定性[25]，而AM單體中的極性基團（ C=O 和N-H）通過分子間氫鍵增強聚合物的粘彈性和可恢復彈性變形能力，同時維持良好的溶解性[26].二者的協同作用有效平衡了聚合物鏈的柔性與剛性，優化流變性能，顯著提高驅油波及效率.此外，通過系統調整AMPS與AM的單體比例、聚合溫度及引發劑用量，優化了聚合物的分子量與分布，確保其在高鹽環境下具備優異的增稠性與抗剪切性能.研究發現，AMPS-AM共聚物能夠通過粘彈響應調節流變性能，有效改善驅油劑的波及體積與驅替效率，減少剩余油分布，展現出在復雜儲層條件下不可替代的優勢.本研究為高礦化度油田開發提供了創新的分子設計、實驗依據與理論支持，具有顯著的科學性與應用潛力.

1實驗部分

1.1 試劑與儀器

1. 1. 1 主要試劑

2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS），國藥集團化學試劑有限公司；丙烯酰胺（AM，異丙醇，上海麥克林生化科技股份有限公司；過硫酸銨，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；氯化鎂，氯化鈉，氯化鉀，氯化鈣，均來自Adamas；去離子水，實驗室自制.

1. 1. 2 主要儀器

磁力攪拌器，天津市工興電器廠；傅里葉變換紅外光譜，INVENIO，德國布魯克Bruker公司；核磁共振儀， 600M ，德國Bruker公司生產；電動六速粘度，ZNN-D6II型，青島宏煜琳石油儀器有限公司；動態流變儀， AR2000ex 型，美國TA公司；巖心驅替相滲實驗裝置，YXQT-4O型，海安石油科研儀器有限公司；真空烘箱，DZF-6050，上海精恒儀器制造有限公司.

1.2 實驗方法

1.2.1 AMPS-AM共聚物合成

AMPS-AM共聚物的制備過程包括以下步驟：首先按 1：1 的質量比將2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）和丙烯酰胺（AM）溶解于去離子水中，在氮氣保護下攪拌均勻以防止氧氣干擾反應.隨后，在 0^°C 的設定溫度下 0.05% 加入引發劑（過硫酸銨、亞硫酸氫鈉），啟動自由基聚合反應，并通過控制反應溫度、攪拌速率及時間來保證反應均勻性.為調控共聚物分子量，可在適當時刻添加鏈轉移劑.反應完成后，將產物冷卻并進行純化（如透析），去除未反應單體及雜質，最后在真空下干燥得到純化的AMPS-AM共聚物（如圖1所示）.

圖1 AMPS-AM結構式

1.2.2 礦化水配制

將 58.5g 氯化鈉 ?5.5g 氯化鈣 、4.5g 氯化鎂 .20g 氯化鈣溶于1L去離子水中得 8wmg/L 礦化水.經過稀釋，分別得到1w mg/L，2 W mg/L， 3w mg/L.4 W mg/L 礦化水.

1.2.3 粘彈自調控劑配制

將 100mg AMPS-AM共聚物分別溶于200 mL1 w mg/L，2 W mg/L，3 w mg/L、4 w mg/L 、 5 wmg/L礦化水中，得待測樣品.

1.3 結構與表征

1.3.1 AMPS-AM結構表征

使用傅里葉紅外光譜（INVENIO）和Bruker DPX600MHz核磁共振儀對樣品的結構進行表征；使用烏氏粘度計用粘度法按照GB/T10247-2008要求對待測樣品進行相對分子質量測量；使用S4800場發射掃描電鏡對待測樣品進行微觀形貌測試.

1.3.2AMPS-AM粘彈自調控劑溶液表征

使用UV2600紫外可見分光光度計對AMPS-AM粘彈自調控劑溶液進行穩定性測試；使用6速粘度計測定AMPS-AM粘彈自調控劑的粘度；使用哈克流變儀測定AMPS-AM粘彈自調控劑的流變性能和粘彈自恢復行為.

1.3.3AMPS-AM粘彈自調控劑調驅性能表征

使用巖心驅替相滲實驗裝置進行AMPS-AM粘彈自調控劑驅油性能測試；通過玻璃刻蝕模擬微觀驅油實驗.

2 結果與討論

2.1 AMPS-AM共聚物結構測試

2.1.1 FT-IR測試

利用傅里葉紅外光譜儀對水系和礦化水系中的PAM進行分析測試.由圖2可知， 3471cm^-1 處為酰胺基中N-H鍵的伸縮振動吸收峰. 2910cm^-1 處為-CH₃ 和 ?CH₂ 中-C-H鍵的伸縮振動吸收峰.1672cm^-1 處是 c=o 的伸縮振動吸收峰，1460cm^-1 處出現季銨基團 C-N⁺ 的特征吸收峰，1642cm^-1 附近 C=C 的伸縮振動吸收峰消失，1061cm^-1 和 680cm^-1 處出現磺酸基特征峰，初步證明AMPS-AM共聚物成功合成.

圖2 FT-IR測試圖譜

2.1.2 AMPS-AM共聚物1HNMR測試

酰胺基上N-H的信號通常出現在 1.5～2.0ppm 甲基（ CH₃ ）和亞甲基（ CH₃ ）基團的信號分布在1～2ppm .在圖3所示的核磁圖譜中， 的峰面積約為 2：1 ，結果符合AMPS-AM結構，進一步證明AMPS-AM共聚物成功合成.由于氫質子峰的重疊，AMPS的含量由元素分析儀進行進一步測試表征，可得AMPS含量為 5%

圖31HNMR測試圖譜

2.1.3 AMPS-AM共聚物SEM測試

通過SEM對AMPS-AM共聚物的本體形貌（如圖4所示）進行研究，可發現出現大量聚集體的形態，這是因為在特定條件下（如溶液中、外部拉伸或納米限域空間中），聚合物鏈可能呈現有限的伸展構象，與無規線團狀態相比，這種構象使得鏈的剛性部分延展，而柔性部分則適度拉伸，對材料的力學性能和聚集行為產生顯著影響，

圖4 AMPS-AM共聚物SEM測試

2.1.4AMPS-AM共聚物分子量測試

制備AMPS-AM共聚物溶液濃度 C₀=Φ 0.00 075mg/L，t₀=120 s，其中氯化鈉濃度為1mol/L ，待測液及氯化鈉溶液在使用前均經干燥的砂芯漏斗過濾.按照 GB/T10247-2008 要求，用粘度法對待測樣品進行相對分子質量測量.所測的實驗數據按公式（1）、（2）處理數據，結果如表1所示.

η_sp=η_r-1

表1相對分子質量測定數據

以 C_r 為橫坐標，分別以 η_sp/C_r 和 為縱坐標，進行作圖，結果如圖5所示.通過兩組點各作直線外推至 C_r=0 ，求的截距H.若兩條直線不能在縱軸上交于一點時，取兩截距的平均值為H.

通過計算可得：

H=（1.6280+1.6306）/2=1.6293 [η]=H/C₀=1.6293/0.00075=2172.4mL/g M=K[η]α=802×2172.4×1.25=1.19× 10⁷g/mol

AMPS-AM共聚物的相對分子質量為 1.19× 10⁷g/mol.

圖5 η_sp/C_r 和 曲線

2.2AMPS-AM粘彈自調控劑溶液性質測試

2.2.1 粘彈自調控劑紫外穩定性測試

利用紫外-可見光譜測試粘彈自調控劑的穩定性，主要是通過監測樣品在不同礦化度溶液中的光吸收變化來分析其分子結構的穩定性和抗老化性能.如圖6（a）所示，隨著礦化度的增加，AMPS-AM粘彈自調控劑的紫外吸收峰逐漸增加，這主要是因為AMPS-AM共聚物發生了慢水解作用，側基從酰胺基向酯基進行轉變，且隨著礦化度的提高，會加速水解作用，但水解過程較為緩慢，表明AMPS-AM粘彈自調控劑具有一定的耐鹽性.

圖6（b）展示了AMPS-AM粘彈自調控劑在1W mg/L 礦化度條件下水解不同時間的紫外圖譜.時間依賴性紫外表明，AMPS-AM粘彈自調控劑在礦化度水中室溫下2d開始出現酰胺鍵的水解，紫外峰由 212nm 向 236nm 偏移.說明其具有優秀的穩定性，適合不同狀況的油田使用.

圖6紫外測試

2.2.2粘彈自調控劑粘彈性測試

在室溫條件下，使用哈克流變儀在剪切震蕩模式下進行分別測試AMPS-AM粘彈自調控劑在（20 1wmg/L，2 w mg/L、3 w mg/L、4 w mg/L 的流變性能.AMPS-AM共聚形成了一個動態調節的分子網絡，在剪切力作用下展現出顯著的粘彈響應行為.

由圖7可以看出，在 1wmg/L 的礦化水中，儲能模量多數大于損耗模量，表現為彈性性質；礦化度增加到 4wmg/L 時，儲能模量與損耗模量的大小發生變化，損耗模量大于儲能模量，表現為粘性性質.AMPS-AM共聚物在外界應力作用下表現出的儲能和耗散模量變化規律，源于分子鏈的柔性和微觀網絡結構的協同作用[27].此外，可以發現在不同剪切速率下，樣品的粘彈行為發生了轉變，這主要是因為高剪切速率下，同時產生了可逆和不可逆的形變，一部分分子鏈間作用力被破壞，致使分子鏈出現不可逆的滑移，粘性增大；另外，部分分子鏈產生彈性固體的特征，與剪切力同步，發生可逆形變.AMPS-AM粘彈自調控劑的優良彈性會在驅替中形成“彈性屏障”，抑制水的指進現象.

圖7AMPS-AM粘彈自調控劑在不同礦化水中模量隨頻率變化

2.2.3 粘彈自調控劑抗剪切性測試

AMPS-AM粘彈自調控劑的粘彈自恢復測試如圖8所示.由圖8可以發現，固定溫度 30^°C ，在170s^-1 剪切作用下剪切 600s ，AMPS-AM粘彈自調控劑的粘度基本無變化，當剪切速率分別提高至 340s^-1，511s^-1，1022s^-1 時，粘度降低，這是因為高剪切作用時聚合物物理締合破壞，粘度下降，有利于現場有效注人，但是當剪切外力撤除后，物理締合作用可恢復結構粘度重新建立，具有粘彈自恢復性，AMPS-AM粘彈自調控劑彈性的增加，有利于形成調驅作用，實現聚合物粘彈性自調控的設計.其中，AMPS中的磺酸基團引入了較為剛性的側鏈結構，增加了分子鏈的剛性，提升了聚合物在高溫、高鹽環境下的穩定性.AM單體的 C=O 和N-H基團通過分子間氫鍵和鏈段的彈性變形，賦予了分子鏈良好的柔性和可恢復變形能力.通過調整AMPS與AM的單體比例，該粘彈自調控劑可以實現剛性和柔性的最佳平衡，使聚合物鏈在高礦化度條件下具備良好的粘彈響應性.

圖8AMPS-AM粘彈自調控劑粘彈自恢復測試

此外，AMPS-AM粘彈自調控劑表現出明顯的剪切變稀現象，即在施加剪切應力時，粘度隨剪切速率增加而顯著降低.這種現象主要歸因于聚合物鏈之間的相互作用在剪切力作用下被打破，導致鏈段自由滑動，減少內摩擦.隨著剪切速率增加，鏈段取向與運動加強，降低了流體的粘度.此外，在高濃度溶液中，聚合物鏈的相互作用較強，但施加剪切后這些相互作用被破壞，表現出更明顯的剪切變稀特性.溫度的升高也能增強分子運動，從而促進這一現象.在油田應用中，這種特性有助于在泵送或注入過程中改善流動性，同時在靜止狀態下維持較高的粘度，從而提升油氣采收率.

2.3AMPS-AM粘彈自調控劑調驅性能測試

2.3.1粘彈自調控劑驅替測試

驅替實驗是研究流體在多孔介質中流動和替代的過程，通常用于評估油田的驅油效率.利用巖心驅替相滲實驗裝置（如圖9所示），采用 1wmg/L 礦化水，模擬地層溫度 30°，60° .對AMPS-AM粘彈自調控劑的驅油效率進行評價測試，在巖心滲透率為 ，AMPS-AM共聚物濃度為 0.5‰ 的條件下，AMPS-AM粘彈自調控劑驅油效率隨PV數的變化分別如圖10（a）、（b）所示.

圖9巖心驅替相滲實驗裝置

圖10 1wmg/L 礦化水中粘彈自調控劑驅油效率隨PV數的變化

由圖10（a）可知，AMPS-AM粘彈自調控劑在一次水驅之后，發揮出了重要作用，將驅油效率提高了約 10% .這主要是由于AMPS-AM粘彈自調控劑能夠顯著增加水的粘度，從而改善水與油的流度比，降低水相流速.這有助于更均勻地推進油水界面，減少水的“指進”現象（即水繞過油層直接流向生產井），提高油層的波及體積，增大油層中可采油的面積.聚合物驅油劑可形成較高粘彈性的水相，在多孔介質中流動時會產生彈性效應，增加驅油的波及體積.這樣不僅能擠出更多的油，還能達到均勻的驅替效果，從而提高整個油層的采收率.

此外，本研究測試了分子量類似的聚丙烯酰胺驅油劑的驅替測試（如圖10（c）所示）.結果發現AMPS-AM共聚物的采收率要高于傳統的PAM驅油劑.進一步證明了AMPS-AM共聚物在高礦化度條件下的優勢.這一結果歸因于AMPS單體引人后顯著提升了聚合物的耐鹽性和熱穩定性，同時AM單體通過分子間氫鍵增強了聚合物的粘彈性，從而有效改善了流變性能和驅油效果[28].

2.3.2 粘彈自調控劑玻璃刻蝕微觀驅油實驗

玻璃刻蝕微觀驅油實驗是一種利用微觀模型研究流體在多孔介質中的流動行為的實驗方法.它通過刻蝕玻璃材料模擬真實油藏巖石的孔隙結構，使得研究者可以觀察驅油過程中的微觀流動特性.實驗中通過光刻技術制造了玻璃刻蝕模型，分別模擬了飽和油、一次水驅、聚合物驅油、二次水驅過程，其結果如圖11所示.由圖可以直觀地觀察到驅油劑在巖石中與原油的作用形式.

玻璃刻蝕微觀驅油實驗通過模擬孔隙結構，揭示了油水在孔隙中的分布及其驅替機制.實驗顯示，在一次水驅過程中，注入的水優先流入大孔道，形成優勢通道，有效地驅出大孔道中的原油.然而，由于小孔道的流動受到限制，仍有大量殘余油以直端、柱狀、簇狀和膜狀形式存在.實驗還直觀展示了驅油劑與油相界面的變化，AMPS-AM粘彈自調控劑溶液在孔隙中發生剪切稀釋，使其能夠進入更細小的孔道.這種界面特性有助于驅油劑的均勻分布，提高了油層的覆蓋率.此外，玻璃刻蝕模型還揭示了油滴在多孔介質中的滯留、斷裂和重新分布現象.這些現象展示了驅油過程中如何克服殘余油的滯留效應[29].

圖11玻璃刻蝕微觀驅油實驗過程

3結論

本研究制備的AMPS-AM共聚物在不同礦化度環境下表現出優異的流變性能、耐鹽性和耐熱性.系統的實驗測試結果，包括流變性能測試、傅里葉紅外光譜（FT-IR）、核磁共振（ ¹H NMR）和掃描電子顯微鏡（SEM）表征，表明該共聚物具有較高的粘彈性和良好的粘彈自恢復特性.巖心驅替實驗和玻璃刻蝕微觀驅油實驗進一步驗證了AMPS-AM共聚物能夠有效改善水油流比，降低水相流速，顯著提高采收率.本研究的核心發現是AMPS-AM共聚物在高礦化度條件下仍能保持穩定的性能，明顯提升油田的采收率，為復雜儲層條件下的高效油田開發提供了理論依據和實驗支持，具有重要的實際應用價值.

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