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52 材料工程/2012年11期 稠油降黏聚合物功能材料的 合成与降黏性能研究 SynthesisandStudy ViscosityReduction ofFunctiona1Polymer MaterialsforCrudeOi1 吕小博,魏云鹤,于萍,慕春玲,张长桥 (1山东大学化学与化工学院,济南250061; 2山东省产品质量监督检验研究院,济南250103) — — LUXiaobo,WEIYunhe,YUPing, — — MUChunling。ZHANGChangqiao (1SchoolofChemistryandChemicalEngineering,Shandong University,Jinan250061,China;2ShandongSupervisionand InspectionInstituteforProductQuality,Jinan250103,China) 摘要:对含有苯环、吡啶环和酯基类稠油降黏聚合物的合成过程进行了分子动力学模拟计算。在此基础上,采用溶液聚 合法合成了含有苯环、吡啶环酯基类稠油降黏聚合物功能材料,以傅里叶转换红外法(FTIR)、动态光散射法、凝胶色谱 法(GPC)和热分析法(DSC)对所合成的聚合物进行了表征;以胜利油田稠油为对象,采用流变仪对其进行了降黏效果的 研究。实验结果表明含有苯环、吡啶环酯基类稠油降黏聚合物在3ooc,聚合物加量为463X10时,其表观降黏率为 79,表现出了含有苯环、吡啶环酯基类稠油降黏聚合物具有潜在的工业应用价值。同时通过SEM冷场发射扫描电子 显微镜对加降黏剂前后原油的微观形貌进行了观察,由此对降黏机理进行初步讨论与分析。 关键词:降黏剂;傅里叶转换红外;光散射;凝胶色谱;热分析 中图分类号:TE08 文献标识码:A —— 文章编号:10014381(2012)11-005205 Abstract:Anewfunctionalpolymerwhichderivedfrommixedester,styrene,and4-vinylpyridine — monomerswassynthesizedbysolutionpolymerizationandsimulatedbyMaterialsStudio.Whenob tained,thepolymerwascharacterizedbyFouriertransforminfrared(FTIR)spectroscopy,dynamic lightscattering(DLS),gelpermeationchromatography(GPC),anddifferentialscanningcalorimetry (DSC).Later,itwasaddedtoShengLicrudeoils,andevaluatedbyscanningelectronmicroscopy — (SEM)andRSrheogoniometer,thentheviscosityreductionmechanismwasdiscussed.Resultsindi eatethatthepolymershowsagoodperformancefortheoil,anditisobservedthatthevisbreakingrate isupto79attemperature30 ̄Cwhentheamountofthecopolymeris463× 10. Keywords:viscosityreducer;FTIR;laserlightscattering;gelpermeationchromatography;thermal analysis 稠油特别是超稠油,烃类的组成一般在2O~ 60之间或甚至更小,远低于轻质石油,因而更易形成 稳定的三维网络结构。在其胶质、沥青质及石蜡含量 高而轻质组分烃类含量少的三维网络结构中,烃类液 态组分被包围在三维网络结构中形成凝胶,使稠油的 相对密度及黏度增加造成流动性的恶化E卜。 随着石油资源的日趋紧张,原不受重视稠油甚至 超稠油的资源开发已进入实际开采利用阶段。但是作 为世界第五大运输行业的管道运输,由于稠油特别是 超稠油的高黏度和高凝固点,使其在管道输运过程中 遇到了新的工程技术难题。因此,国际上稠油特别是 超稠油的降黏减阻构成了该领域研究开发的热点与难 点E5-u]。 针对稠油与超稠油产地不一,因而性质不一的特 点,国内外油溶性降黏功能材料的研究主要集中于缩 合物型、不饱和单体的均聚物、不饱和单体的共聚物以 及高分子表面活性剂型四种类型[1。 本工作在合成反应的反应分子动力学模拟基础 上,以甲基丙烯酸十八酯、甲基丙烯酸十二酯、甲基丙 烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、乙酸乙烯酯、4一乙烯基吡啶和 稠油降黏聚合物功能材料的合成与降黏性能研究 53 苯乙烯为原料合成了含有苯环、吡啶环酯基类稠油降 黏聚合物功能材料,并对其进行了表征;以胜利油田原 油为研究对象进行了降黏测试,实验结果表明其具有 良好的潜在工业应用价值。 1合成反应的反应分子动力学模拟 以甲基丙烯酸十八酯、甲基丙烯酸十二酯、甲基丙 烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、乙酸乙烯酯和4一乙烯基吡啶 为聚合原料,采用苯乙烯调整聚合度与聚合物空间结 构,通过分子动力学模拟分析,利用MaterialStudio 4.4软件对合成含有苯环、吡啶环酯基类稠油降黏聚 合物功能材料进行了分子动力学模拟计算。 在分子动力学模拟计算中,采用AmorphousCell — Tools模块中的Construction工具建立模型,用Mini mize工具进行体系的优化处理,然后采用Discover Tools模块中的Dynamics工具进行分子动力学计算, 通过设置模拟温度得到热力学计算结果。动力学参 数设置为:模拟温度348K,选用NPT系宗,模拟中 步数为:10000,步长:10.Ops,每50步存储一次输 出信息。 2实验 2.1合成实验 实验试剂:甲基丙烯酸十八酯(分析纯),东京化成 工业株式会社(TCI);甲基丙烯酸十二酯(分析纯), ACROSORGANICS(USA);丙烯酸丁酯(分析纯), 北京益利精细化学品有限公司;丙烯酸甲酯(化学 纯),中国医药集团上海化学试剂公司;乙酸乙烯酯 (分析纯),天津市大茂化学试剂厂;苯乙烯(旋蒸处 理),国药集团化学试剂有限公司;4-乙烯基吡啶(分 析纯),ACROSORGANICS(USA);偶氮二异丁腈 (重结晶),上海试四赫维化工有限公司;甲苯(分析 纯),莱阳市康德化工有限公司;无水乙醇(分析纯), 天津市富宇精细化工有限公司;高纯氮,济南德洋特 种气体有限公司。 合成实验:在250mL四口烧瓶中,加入摩尔比为 l2:3:1的混合酯、苯乙烯和4一乙烯基吡啶。混合酯 中甲基丙烯酸十八酯、甲基丙烯酸十二酯、丙烯酸丁 酯、丙烯酸甲酯、乙酸乙烯酯的体积比为1:1:1:1。 ℃ 溶剂为甲苯,加热至6O时加入一定量引发剂AIBN, ℃ 继续升温至75冷凝回流反应18h,反应进行一半时 间时再加入一定量引发剂AIBN。整个反应过程在氮 气保护下进行。反应结束后将产物转移至烧杯中用无 水乙醇进行洗涤分离出聚合产物。将产物置于烘箱中 干燥处理,最后得到浅黄色黏稠液体状产物。 2.2含有苯环、吡啶环酯基类稠油降黏聚合物的表征 方法 采用VERTEX一70型红外光谱仪,以溴化钾进行 — 处理,对聚合物进行红外波谱分析;采用DAWNHE LEOS多角度激光光散射仪,以四氢呋喃为溶剂,聚合 物测试浓度为10mg/mL对聚合物粒径进行测试;采 用Waters515型凝胶渗透色谱分析仪,以四氢呋喃为 溶剂,聚苯乙烯为标准,聚合物浓度为5mg/mL对聚 合物分子量进行测试;采用DSC822e同步热分析仪, ℃ 氮气保护作用下、温度范围一2O~150,对聚合物进 行热分析测试表征。 2.3稠油降黏性能的实验测试方法 称取一定量含有苯环、吡啶环酯基类稠油降黏聚 合物溶于3mL煤油中,形成稠油降黏剂。以胜利油田 孤岛稠油为测试研究对象,取稠油降黏剂加入到20g 孤岛稠油中,稳定30min后作为测试样品。采用 RheoStressR¥75型流变仪进行黏度测试,并以此作 为对比分析的基础。测试参数为:转速0~400r/min; ℃ 时间180s;温度3O。 同时对加入降黏剂前后的孤岛稠油体系在氮气保 护下进行了冷场发射扫描电子显微镜观察。 3实验结果与讨论 3.1模拟计算 对于此类酯基溶液聚合而言,一般认为溶液聚合 ℃ 反应温度以75左右为最佳¨ 1引。图1给出了含有 苯环、吡啶环、酯基类稠油的降黏聚合物体系能量随帧 数变化;表1给出了分子动力学模拟过程中能量变化。 从图1和表1中可以看出,在该反应温度下体系的能 量随着模拟帧数的增加而增大,然后趋于一稳定范围 图1体系能量随帧数变化情况 Fig.1Figuresofenergychangevialogicalframenumber 56 材料工程/2012年11期 E2] I-3] 位论文,1999. 张凤英.油溶性稠油降黏剂的研制与评价ED]. 学硕士学位论文,2006. 罗塘湖.含蜡原油流变特性及其管道输送[M] 版社,1991. 南充:西南石油大 北京:北京石油出 E4]陈秋芬,王大喜,刘然冰.油溶性稠油降黏剂研究进展[刀.石油钻 — 采工艺,2004,26(2):4549. 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