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第15章 令人惊奇的高分子功能材料(3)

利用介电损耗的概念可以解释选择高密度聚乙烯(HDPE)来制造微波炉专用塑料用品的原因。这种应用需要具有低损耗因子值,因而容器不会受到微波电磁场的显著影响。HDPE具有非常低的损耗因子值,小于0.0001。因此,在这种应用中HDPE是一种理想的材料。

在强电场中,当电场强度超过某一临界值时,电介质就丧失其绝缘性能,这种现象称为介电击穿。电介质的一个很重要的性质就是介电强度,它是一种介电材料在不发生介电击穿或者放电的情况下所能承受的最大电场,其定义是:Emax=(U/d)max。式中,Emax即称为介电强度或击穿强度。显然,它是击穿电压Umax与击穿介质厚度dmax之比,即平均电位梯度,下标“max”代表发生击穿的起始值。

影响介电击穿的因素很多,其实际测定也较困难。介电击穿破坏现象往往经历结构破坏的发生、发展和终结几个阶段,而整个破坏过程是一极为快速的过程,即使在相同条件下的破坏试验中,也几乎不能完全重复或控制介电击穿过程出现和发生的历程,试样介电击穿破坏的形态非常复杂而各异,材料中存在的微量杂质或微小的缺陷对介电击穿试验的影响很大,击穿场强测定的偏差或统计分散性相当大。

一般说来,电介质的介电击穿大致可分为电击穿、热击穿、局部放电击穿等几种击穿机制。电介质被击穿所引发的电失效等价于机械失效。一旦发生了电介质击穿,装置不能再正常工作。当电场强度足够高时会形成电流脉冲从而发生击穿,由此产生点坑、孔洞和通道而将导体连通。类似于脆性固体材料的机械强度,介电强度依赖于材料的厚度。介电强度与机械强度都由测试区域中出现临界裂纹的几率来决定。因此,减小厚度能够提高强度。

为了在一个强电场中获得最大量的存储电荷,需要材料同时具有高介电常数和高介电强度

5.4.1电工方面的应用高分子介电材料在电工方面主要用于电机、电器,按形状可分为6类。①绝缘漆、树脂液和胶黏剂,如绝缘浸渍漆、硅钢片漆、漆包线漆、灌封树脂液和多种胶黏剂等。常用的有环氧树脂、聚酯、聚氨酯、有机硅树脂、聚酰亚胺醇酸树脂等。②浸渍纤维制品类,如以树脂浸渍各类棉、丝、合成纤维和玻璃纤维或织物所得的绝缘布、绝缘带等制品。③层压制品类,如各种有机或无机底材浸渍树脂后的层压材料制品。④塑料制品类,如电视机壳,仪器、仪表外壳,电器开关接插件外壳等。⑤薄膜、合成纸类,如各种高分子薄膜电容器介质材料,常用的有聚苯乙烯、聚丙烯、聚酯、聚碳酸酯、聚四氟乙烯、聚酰亚胺等薄膜;各种合成纤维绝缘纸,如芳香族聚酰胺纤维纸、聚酯纤维纸。⑥橡胶制品类,如各种电线电缆绝缘层与护套、热收缩管、硅橡胶绝缘端子等。

5.4.2电子方面的应用

高分子介电材料在电子方面主要用于半导体元器件及其电子设备的绝缘保护。①印刷电路板,底材为树脂层压板者,常采用环氧、酚醛等树脂板;底材为高分子薄膜或单层耐热玻璃漆布者,常采用聚酯、聚酰亚胺、含氟聚合物薄膜。②封装材料,目前,大约90%以上的半导体元器件采用塑料封装,主要是用环氧树脂和有机硅树脂,其次是酚醛树脂、聚酯、聚丁二烯等。③半导体器件用绝缘膜,常采用以聚酰亚胺为主的芳杂环聚合物。

高分子介电材料今后发展的新课题是进一步提高材料的耐热性,发展更高耐热性的新材料;研制超导用的超低温绝缘材料;研制耐水性能优良的绝缘材料和耐辐射、耐氟利昂的绝缘材料;研制耐高温、加工性能好的高频介质材料,以及发展具有其他特殊性能(如导热、高纯、感光等)的绝缘材料。

5.5采油高手——聚合物驱

在原油开采过程中,初次采油一般依靠地底压力让原油自喷而出,此后由于地下压力的减小,不得不往地下注水将油驱出,这称为二次采油。当前,中国多数油田处于二次采油的晚期,每百吨采出液体中含水量达95吨。而且,经过上述二次采油,我国综合原油采收率只有30%多一些,60%多的石油仍然留在地下无法采出,因此,需要进行三次采油来提高原油采收率,这是减缓中国多数油田衰老速度、维持中国原油稳产、减少中国对进口国外原油依赖程度的战略要求。

三次采油指从地面注入各种驱油介质,主要包括聚合物驱油、微生物驱油、三元复合驱油。进行生产的阶段聚合物驱三次采油比水驱提高采收率100%以上,是东部老油田高含水后期保持稳产的重要措施之一,大庆油田聚合物驱年产油量已达1000万吨以上。

5.5.1聚合物驱简介

聚合物驱是指通过在注入水中加入水溶性高分子量的聚合物,增加水相黏度和降低水相渗透率,改善流度比,提高原油采收率的方法。聚合物注入油层后,将会产生两项重要作用:一是增加水相黏度,二是因聚合物的滞留引起油层渗透率下降。因此,聚合物注入油层后,一方面是控制水淹层段中水相流度,改善水油流度比,提高水淹层段的实际驱油效率;另一方面是降低高渗透率的水淹层段中流体总流度,缩小高、低渗透率层段间水线推进速度差,调整吸水剖面,提高实际波及系数。

我国陆相沉积非均质性严重,这不利于水驱而有利于聚合物驱。东部油田地层原油黏度较高,一般是5~50兆帕·秒,这正是聚合物驱油的最佳黏度范围。我国河流相储层多为正韵律沉积,通过调整吸水剖面,聚合物驱可以采出水驱所采不出来的储层内的剩余油。但聚合物驱的应用仅局限于低温、低矿化度油藏。

5.5.2聚合物驱的发展历程

20世纪50年代,国外就开展了胶束驱、碱驱和聚合物驱的室内研究和矿场试验工作。其中,聚合物驱是唯一一种经过一定规模的工业性试验而获得较好效果的提高采收率的方法。20世纪60年代初,美国开始聚合物驱研究,1964年开始矿场试验。20世纪70年代以后,苏联、加拿大、法国及英国、印度、德国、罗马尼亚和委内瑞拉等国家都相继开展聚合物驱矿场试验,将聚合物驱研究推向高潮。1986年后,原油价格暴跌造成人们对聚合物驱技术兴趣低落,一些石油公司甚至取消了对聚合物驱技术的尝试。

1995年后,人们意识到,此前聚合物驱提高采收率低的主要原因是过分地追求聚合物的利用效率,聚合物的使用量过低,于是,世界各国关于聚合物驱的研究增加。例如,1996年美国开展的化学驱项目全部是聚合物驱。截至2000年,全世界已有200多个油田或区块进行了聚合物驱油试验。进入21世纪,石油资源已成为一个国家重要的战略资源,更是国际政治、经济、军事和外交斗争的特殊武器。聚合物驱油再次成为经济可行的提高采收率的有效方法。

我国早在1962年就开始聚合物驱的室内研究,先后在新疆、大庆进行了先导性试验,取得了明显的效果。经过多年连续攻关,聚合物驱油技术作为三次采油的一项成熟技术在我国各大油田得到了推广应用,其规模及年增油量已居世界前列,许多研究成果为世界领先水平。目前,我国聚合物驱平均采收率达到10%。有关资料表明,我国适合采用聚合物驱提高采收率的地质储量有4316亿吨,按平均提高采收率8.6%计,能增加可采储量达318亿吨,需要聚合物2124亿吨。

5.5.3聚合物驱的发展前景

目前聚合物驱技术已经相当成熟,但是也存在着很多问题。聚合物注入油层后,在高温条件下会发生热降解和进一步水解,破坏聚合物的稳定性,大大降低聚合物的驱油效果,同时,地层水和注入水矿化度低有利聚合物增黏。因为水的矿化度高,可导致聚合物的黏度降低,增加聚合物的注入量,从而增加成本,不利于聚合物驱油的应用。因此需在抗温、抗盐研究方面加大力度,筛选出适合的添加剂,使驱油剂不仅有较强的增黏性,同时也有较好的稳定性。

现阶段,各大油田的研究方向大都放在新型廉价质优的聚合物,如疏水缔合物、改性聚丙烯酰胺等的研究上,相信在不久的将来,聚合物驱技术的应用范围将会越来越广。

材料与我们的生活息息相关,其中高分子材料就是对我们生活至关重要的一类。随眼一看、随手一摸都是高分子材料,高分子材料对我们未来的影响是不可预测的。随着科学的发展,高分子材料也可以展现出其他材料的特性,成为功能最全面的一类材料。我们需要什么样的材料为我们服务,高分子材料就可能满足我们的要求。“没有做不到的,只有想不到的”,这是高分子材料未来的口号!这不是夸张,是一种期待。采油高手中国能源巨头——中国石油天然气集团公司曾经宣布,砾岩层石油生产-聚合物驱关键技在试验项目中的应用获得了突破性进展。中国最大的石油和天然气生产商表示,从中国新疆维吾尔族自治区西北部的复杂地质结构获得石油的试验项目取得令人满意的成果。数据显示,试验区块的石油采收率已提升了10.3%,并且将会进一步提升12.1%。加入水溶性聚合物使得水更具粘性,这样便可更加有效地将石油从储油岩中分离出来,从而提高操作中的采油量。

目前,该石油巨头正已经扩张试验区域,加大准噶尔盆地的开发力度。准噶尔盆地是中国的主要油藏和气藏,预计原油储量达86亿吨,天然气储量达2.1万亿立方米。该试验项目已于2005年启动,旨在解决钻井和生产中出现的技术问题,截至目前,研究人员已经从试验中获得四项技术创新的专利。聚合物驱油作为一种经济高效的技术占有重要地位,备受重视。

聚合物驱(PolymerFlooding)是指通过在注入水中加入水溶性高分子量的聚合物,增加水相粘度和降低水相渗透率,改善流度比,提高原油采收率的方法。一般来说,当油藏的非均质性较大和/或水驱流度比较高时,聚合物驱可以取得明显的经济效果。聚合物注入油层后,将会产生两项重要作用:一是增加水相粘度,二是因聚合物的滞留引起油层渗透率下降。因此,聚合物注入油层后,将产生两项基本作用机理:一方面是控制水淹层段中水相流度,改善水油流度比,提高水淹层段的实际驱油效率;另一方面是降低高渗透率的水淹层段中流体总流度,缩小高、低渗透率层段间水线推进速度差,调整吸水剖面,提高实际波及系数。

在油藏、地层水等外界条件一定的情况下,聚合物驱的成败取决于所用聚合物驱油剂的优劣。聚合物驱油剂在油田开发中的作用可归结为“推、拉、拽”3点。“推”是水驱的延续,通过聚合物驱油剂溶液产生的阻力起作用,而阻力主要是由溶液的黏度、调剖作用以及一定程度的黏滞阻力和黏弹压力降造成的。

“拉”是提高驱油效率的动力,通过高分子链的构象变化起作用,展示了聚合物驱油剂的黏弹性。聚合物驱是一种比较有效的提高原油采收率的三次采油方法。当聚合物驱油剂溶液流经含油孔隙时,不仅有垂直于油水(聚合物驱油剂溶液)界面的推动力,也有垂直于流动方向(与油水界面平行)的法向应力,高分子链产生可回复形变,从而使驱油剂在孔隙中伸缩运动,克服小喉道产生的毛管阻力,进入所谓的不可入孔隙,形成稳定的“油丝”油流通道等,减少流动通道盲端的残余油,带出滞留在孔喉处和被水圈闭在微观孔隙中的油滴和油簇,达到高效驱油的目的。

“拽”是聚合物驱油剂与原油亲和性的表达,通过高分子本身的结构特点起作用,而结构特点主要归结为亲油性的碳一碳长链和可能含有的少量疏水侧链。聚合物驱油剂的碳一碳键亲油主链和可能含有的疏水性侧基降低了聚合物驱油剂溶液与原油接触面的界面张力,使两者的亲和性强于油水的亲和性。同时,聚合物驱油剂溶液作为非牛顿流体,在毛细管管壁附近具有较高的速度梯度,导致其与油的界面速度大于油水的界面速度。强亲和与高速度的共同作用,使聚合物驱油剂溶液作用在残余油上的黏滞力大于水在其上的黏滞力,达到提高驱油效率的目的。

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