原文出自 Polymers 期刊：

Sun, L.; Zhang, Z.; Leng, K.; Li, B.; Feng, C.; Huo, X. Can Supramolecular Polymers Become Another Material Choice for Polymer Flooding to Enhance Oil Recovery? Polymers 2022, 14, 4405. https://doi.org/10.3390/polym14204405

文章导读

高分子聚合物在提高采收率领域得到了广泛的研究和应用。目前，研究重点已转向设计具有抗温抗盐、良好注入等独特性能的聚合物网络。超分子聚合物具有高粘弹性以及优异的耐温、耐盐和注射性能，那么它能否成为聚合物驱提高采收率的另一种材料选择？基于此，中国科学院大学孙灵辉研究员团队在 Polymers 期刊上发表了综述，系统介绍了超分子聚合物，包括其设计策略、相互作用和流变学性质，并解决三个主要问题：(1) 为什么选择超分子聚合物？(2) 在油田化学领域如何合成和表征超分子聚合物？(3) 超分子聚合物在提高采收率方面的应用进展如何？

超分子相互作用体系的引入为聚合物驱提供了新思路，为提高采收率开辟了新的研究方向。针对“可逆动态”超分子聚合物，作者将超分子聚合物与传统的共价高分子聚合物网络进行了比较，并探讨了超分子聚合物在提高采收率中面临的挑战和未来的研究方向。

研究方法与过程

在非共价相互作用的驱动下，低分子之间存在分子量高的物理交联聚合物链，生成的分子聚集体具有理想的三维拓扑结构，表现出聚合物的力学和流变性能 (图 1)。图 2 直观地展示了超分子聚合物在提高采收率中的主要优势和传统聚合物面临的主要困难。

图 1. 超分子聚合物的类别。

图 2. 超分子聚合物的展示和传统聚合物的局限性。超分子聚合物有望以一系列独特的优势解决传统驱油聚合物面临的挑战。

聚合物线团在孔喉处受到剪切和拉伸时，由于刚性离子基团的引入，聚合物链的构象可以通过孔喉保持 (图 3)。在流经下一个孔喉之前，超分子聚集体可以重新形成并恢复粘度，实现聚合物通过孔喉的解离再聚集过程，从而避免在多孔介质中注入和流动过程中的粘度损失。超分子聚合物的引入为各种复杂油气藏的开发提供了强有力的技术支持。

图 3. 多孔介质中 SAP 和 HPAM 的 (A) 形态和 (B) 流动行为的比较。

超分子聚合物网络结合了物理网络和化学网络的特点，可以通过灵活使用聚合物结构单元和引入超分子基序来定制，从而形成各种类型的聚合物结构。图 4 总结了构建此类超分子聚合物网络的不同物理交联设计方案。由于非共价键的可逆性，超分子聚合物动态网络的剪切触变性与静态共价网络存在明显不同 (图 5)。

图 4. 超分子聚合物网络的不同设计策略。

图 5. 共价聚合物网络和超分子聚合物网络。

为研究超分子聚集体对聚合物三维形貌的影响，作者获得了不同浓度聚合物溶液的原子力形貌 (图 6)。很明显，分子链束的直径会随浓度的增加而增加。

图 6. 不同浓度 PPSA 的原子力显微镜形貌和相图。

图 7 显示了 PNIPAM-(2CD-2MPEG) 溶液在不同温度点的 TEM 和 DLS 结果。从 TEM 结果来看，随着温度的升高，自组装形态逐渐从点状胶束变为核心电晕结构胶束；DLS 结果表明存在类似的可逆自组装过程。

图 7. PNIPAM-(2CD-2MPEG) 溶液在不同温度点的 TEM 和 DLS 结果。

单分子力谱实验表明，亚烷基的疏水作用在单分子水平上增强了 UPy 氢键的结合强度 (图 8)。同时，分子动力学模拟结果表明，随着疏水长链碳原子数的增加，结合自由能也随之增加，进一步证明了在水环境中通过疏水相互作用增强氢键的有效性。

图 8. (A—C) 氢键和疏水相互作用之间的协同效应；(D—H) 通过 Cryo-TEM 揭示了表面活性剂的增溶机制并确定了增溶位点。

在 CO₂ 存在的条件下，单链弱阳离子表面活性剂会转变为双子阳离子表面活性剂，其自组装结构将由囊泡转变为蠕虫状胶束，胶束相互缠绕形成“聚合物状”的三维网络结构。因此，溶液的零剪切粘度增加了四个数量级以上，如图 9 所示。

图 9. 超分子聚合物在提高驱油效率中的应用展示。

作者以亚甲基双丙烯酰胺为交联剂的聚丙烯酰胺凝胶，随后将 CO₂ 响应性单体、丙烯酰胺和第一个网络原位聚合交联，形成了互穿网络聚合物凝胶响应机制 (图 10)。接枝共聚物封闭了高渗透层，改善了岩心的非均质性，减轻了 CO₂ 的气窜。

图 10. 超分子聚合物在辅助气驱中的应用展示。

研究总结

在本综述中，作者讨论了提高采收率领域中研究超分子聚合物的原因和意义，总结了构建和表征超分子油田化学材料的基本思路和方法，介绍了其在提高采收率方面的应用。与 HPAM 和黄原胶等常规共价聚合物相比，引入非共价相互作用的超分子聚合物更容易适应恶劣的油藏环境，并能够解决聚合物注入性和增粘性之间的矛盾。同时，这些聚合物显示出多种功能，有望在钻井施工、水力压裂、提高采收率、油田废水处理、调剖等油田化学领域替代 HPAM 的许多潜在应用。此外，超分子聚合物还具有常规聚合物所共有的性能，能够弥补驱油材料在注入性、耐温性、耐盐性和抗剪切性方面的缺陷。然而，作为一个新的研究方向，在量产和现场应用之前还面临诸多挑战。

Polymers 期刊介绍

主编：Alexander Böker, University of Potsdam, Germany

期刊主题涉及聚合物化学、聚合物分析与表征、高分子物理与理论、聚合物加工、聚合物应用、生物大分子、生物基和生物可降解聚合物、循环和绿色聚合物科学、聚合物胶体、聚合物膜和聚合物复合材料等研究领域。

2021 Impact Factor：4.967

2021 CiteScore：5.7

Time to First Decision：12.4 Days

Time to Publication：31 Days