非离子聚合物在粘土表面的吸附石工101郭家兴.doc

油田化学讨论报告1非离子聚合物在粘土表面的吸附作用研究进展石工 10-1 郭家兴 20100211131 聚合物吸附概述1.1 聚合物溶液吸附特征一，聚合物往往与吸附剂界面的亲和力非常大，吸附等温线的形状一般在低浓度就急剧上升并达到饱和二，吸附量随着溶剂溶解力的下降而增加三，在不良溶剂中，吸附量随着分子量增加而增加，在良溶剂中，吸附量与分子量关系不大四，即使吸附量与分子量无关，吸附层厚度也随着分子量增加而增加五，温度的影响小六，稀释溶液很难使已吸附的高分子脱附七，高分子吸附速度比低分子慢出处？1.2 PAM 简介聚丙烯酰胺是一种高分子量的聚化合物，按离子类型可分为阴离子、阳离子、非离子型非离子聚丙烯酰胺 （non-ionic polyacrylamide,PAM），结构式物化性质：无色或微黄色胶体大分子链上不含离子基团，但酰胺基与许多物质如粘土、纤维素、蛋白质、金属氧化物等能产生氢键，因吸附架桥而絮凝2 吸附机理和作用方式2.1 作用力与不可逆性作用力与不可逆性高分子于粘土因相互作用而吸附高分子与粘土因相互作用而吸附，主要有氢键吸附、静电吸附、嵌入吸附等作用形式吸附在粘土表面的聚合物，每一个参与吸附的链结都可能有多种作用力使之与粘土结合每一个参与吸附的链节都可能有多种作用力使之与粘土结合。

这些作用力中有短程的化学力（共价油田化学讨论报告2键、憎水键和氢键等）和远程作用力（静电力和范德华力）作用在每个分子上的能量很大，使其不能脱附使其不易脱附大量实验表明，聚合物在粘土表面的吸附是高度不可逆的对于非离子型聚合物，其分子与粘土主要因氢键而相互作用2.2 非离子型 PAM 在粘土表面的吸附氢键是 PAM 在土壤吸附的主要机理，氢键通常发生在 PAM 长链上的氨基基团和粘土矿物表面的“自由羟基“只间之间 PAM 在蒙脱石上的吸附是典型例子PAM 在粘土表面的吸附强烈地依赖于溶液 pH 值，当 pH 小于6.7 时，－COO 基本上属于－COOH 型，吸附量随 pH 的减少而迅速增加；当 pH 小于 7.7 时，PAM 中的－CONH2 与粘土硅氧四面体的氧原子形成氢键吸附但是当 pH 大于 6.7 时，－COOH 离解为－COO，pH 大于 7.7 时，－CONH2 水解为－COO，吸附量就迅速下降Stiffert 也证明 PAM 在高岭土的吸附量与其水解度成反比，说明－OH、－COOH 和－CONH2 通过氢键与粘土相互作用，是很有效的吸附基团这点可用红外光谱所证实。

蒙脱土加入 PAM 后，谱图中在羟基振动范围区出现吸收，表明产生氢键作用，而在晶格振动区，谱图基本上没有发生位移，说明 PAM 对粘土表面硅氧四面体中的Si－O－H 键和铝氧八面体中的 Al－O－H 键几乎没有产生化学作用2.3 吸附形态分子量较大、链较长的高分子的碳链键有较大的旋转角度，仅有少量链结吸附在岩石表面仅有少量链节吸附在岩石表面而低分子量非离子聚合物，在岩石表面容易形成平卧式吸附如图油田化学讨论报告3依聚合物种类不同，聚合物分子在粘土表面可能为单层吸附，也可能为多层吸附3 对粘土表面性能的改变和影响 聚合物分子可吸附在粘土表面及插入层间，依聚合物分子性质、基团的不同，以及吸附分子的形态、数量不同，影响粘土的双电层及其水化作用，对粘土的物理化学性质有较大的影响，使其表面改性当粘土在水中分散时，粘土颗粒层面带负电，边面带正电根据粘土矿物带电的原因和影响粘土颗粒表面电荷的因素，改变粘土颗粒表面 Zeta 电位的方法有很多由图可以看出，PVA 加量较少时，膨润土表面吸附已形成，使其 Zeta 电位急剧上升，当继续提高加量，超过其临界胶束浓度后，PVA 在膨润土表面形成双层吸附，Zeta 电位逐渐平稳增加并趋于零；HEC则表现为其加量低时，膨润土 Zeta 电位变化不大，随着其加量的增加，Zeta 电位先急剧上升然后趋于平缓，逐渐接近等电态，但不能使电性由负电转变为正电。

总体上看，非离子聚合物的加量比较大时才能使粘土颗粒接近等电态4 目前研究的进展近年来聚合物／粘土纳米复合材料因表现出许多优异的性能已引起了人们极大的兴趣粘土具有纳米片层的结构，当它们以单个的片层均匀分散于聚合物基体中，或使聚合物分子链插入粘土层间，所得的纳米复合材料的性能可获得显著提高，甚至出现许多新的性能油田化学讨论报告45 具体应用实例5.1 非离子聚合物稳定水敏岩层聚合物冲洗液（稳定液）分为离子型和非离子型两类与泥浆相比，聚合物分子在岩石表面的吸附是自发过程，不管是否有压差存在，聚合物分子在液－固界面上总发生吸附，而且只要有足够的聚合物浓度，聚合物就能在岩石表面上形成吸附膜在长期的试验研究过程中，发现以非离子型聚合物为主的 PAA 型无固相聚合物冲洗液得到了很好的应用它以胶结为主（包括吸附胶结和渗析胶结），应用于有水浸润和冲蚀下立即散落的水敏岩层有良好的效果5.2 煤层气井用非离子聚丙烯酰胺锆冻胶压裂液在采用水力压裂过程中，压裂液承担造缝、携砂的作用，但其滤液侵入到煤层会对煤层造成伤害，而且由于煤层比表面积较大，伤害程度较为严重国内外研究表明，如果压裂液滤失量过大，很容易被煤储层吸附，使煤基质严重膨胀，造成煤储层渗透率降低，从而导致水力压裂失败。

因此，适用于煤层压裂的压裂液既要有较高的黏度来满足携砂、造缝的要求，还要保证滤失量较低，降低压裂液侵入对煤层造成伤害煤层气井用非离子聚丙烯酰胺锆冻胶压裂液具有耐剪切、携砂造缝能力强、滤失量低、易破胶、对煤层伤害小的特点，且配制简单，添加剂用量小，能够满足现场施工要求，适用于煤层压裂论文写得有点散，没有突出非离子聚合物和粘土相互作用的主要问题和方式 8 分。