利用聚合物驅提高儲層采收率的微觀過程和機理 一直是倍受關注的研究焦點[-6]。相對而言，聚合物驅 提高儲層采收率的宏觀過程和機理尚缺少深入研究， 一般認為聚合物流體黏度高，可顯著改善油水流度比、 提高宏觀波及效率[1’5’7]。如果儲層的流通性可以等 效地用尺寸恒定的管道來描述，那麽可以采用剪切黏 度來表征聚合物驅對儲層油水流度比的改善和宏觀波 及效率的提高。但儲層孔徑是變化的，且儲層孔喉以及吸附在孔道中油滴的影響，聚合物驅替液在儲層中 的流動不能簡單地用剪切流場，而需采用收斂的流場 或拉伸的流場進行描述[8]。此外，由聚合物驅油微觀 過程的研究可見，殘餘油被采出與聚合物溶液對殘餘 油的/拖、拽和攜帶”作用密切相關，因此拉伸黏度對微 觀驅油過程影響顯著。筆者用CaBER1型流體拉伸 流變儀和RS600流變儀，測定了部分水解聚丙烯酰胺 均聚物和具有梳形結構聚丙烯酰胺共聚物的拉伸黏度 

 

(1)

 

和流變性，討論了聚合物的濃度和聚合物鏈的結構對 溶液拉伸黏度的影響。

1 CaBERl型拉伸流變儀及工作原理

CaBERl型拉伸流變儀通過研究流體纖維變細和 斷裂的過程，可以獲得旋轉流變儀所無法得到的聚合 物以及其他許多流體的拉伸流變行為。測量時將 少量樣品（< 1 mL)置於兩個圓平板之間。上板根據設 定的拉伸速率迅速與下板分開，流體被上下園板拉成一 條絲。隨著拉伸應變逐漸増加，絲的直徑逐漸變小(圖 1)。其中:Lo為起始液柱高度;Do為起始液柱直徑;Dmid 為拉伸過程中拉絲中點直徑，直到流體被拉斷。利用儀 器的激光測量裝置可以動態檢測拉伸過程中拉絲中點 直徑的變化。溶液的表觀拉伸黏度Ga„,、時間t、拉絲中 點直徑Dmil和表麵張力〇之間滿足方程為

20/D mid (t)_ 〇

2 dD midlD mid

D mid dtd t

由式(1)可以看出，表觀拉伸黏度Gapp與拉絲中點 直徑Dm,d隨時間的變化速率成反比關係。樣品的拉伸 速率的計算式為

0dDmid

D mid dt

：j I^

(a )(b)(c)(d )(e)

圖1 CaBERl型流變儀中流體的拉伸過程示意圖 Fig. 1 Schematic diagram of fluid extensional process in CaBERl rheometer

達西黏度是剪切黏度和拉伸黏度之和，從而可間 接計算拉伸黏度[8]。通過岩心實驗和剪切黏度測定再

C,2烷基酯，A可根據需要選擇對Ca2+、Mg2+不敏感的 離子型官能團或者耐堿性水解的組分;CHRi= CH — R2A單體摩爾分數約為0. 1%〜1%,•實驗用標準黏度 油在20 °C下表觀黏度值為1100 mPa# s。

表1聚合物樣品參數 Table 1 Parameters of polymer samples

樣品代號含量/ %分子量/104水解度/ %

HPAM-DQ 389 81 50026 8

KYPAM-F190 41 600-

KYPAM-T 490 01 700—

配製聚合物溶液所用水為經過0 45 Lm微孔濾膜 過濾的大慶模擬汙水，聚丙烯酰胺及其共聚物水溶液拉伸流變行為研究，總礦化度為4 000 mg/ L，鈣離 子和鎂離子的總含量為60 mg/L。在20 °C下使用C- BER1型拉伸流變儀測定聚合物溶液的拉伸黏度。在 45°C下使用RS600流變儀測定聚合物溶液的黏彈性。

3聚丙烯酰胺及其共聚物溶液拉伸流 變行為

3 1相同聚合物濃度條件

在相同聚合物濃度條件下測試HPAM-DQ3、 KYPAM-F1、KYPAM-T 4溶液以及標準黏度油的拉

絲直徑與拉絲時間的關係。實驗結果表明，對於標準 黏度油，在拉伸流動過程中，拉絲直徑與拉伸時間滿足 線性相關;對於聚合物流體，拉絲直徑與拉伸時間呈對 數關係。具有梳形結構的聚丙烯酰胺共聚物溶液的拉 伸時間比部分水解聚丙烯酰胺溶液的拉伸時間長，這 是由於聚丙烯酰胺共聚物溶液抗拉伸應變的能力要優 於聚丙烯酰胺溶液。

間接計算獲得的拉伸黏度值比使用儀器測定的數值偏 低，這可能與二者涉及的物理意義和影響因素不同

有關。

2聚丙烯酰胺及其共聚物溶液的配製

配製溶液用的聚丙烯酰胺為HPAM-DQ3,兩種 聚丙烯酰胺共聚物為KYPAM-F1和KYPAM-T4,有 關參數如表1所示。KYPAM係列聚合物是由丙烯酰 胺、丙烯酸鈉和含有極性端基長鏈的大分子單體一 CHR,= CH — R2A共聚形成，其中R,可選H或C,~

0.15% KYPAM-Fl

0.15% KYPAM-T4

0.15% HPAM-DQ3

1 lOOmPa-s 油

圖2不同類型溶液的拉伸黏度與應變的關係

Fig. 2 The relationship of extensional viscosity with

&烷基’心可選&烷基、〜&烷基醚或。〜strainfordifferentsolution

利用式(1)和式(2)可得聚丙烯酰胺及其共聚物溶 液的表觀拉伸黏度與應變之間的關係（圖2)。由圖2 可見，標準黏度油的拉伸黏度不隨應變的増加而改變。 但是，聚合物分子鏈將在拉伸方向上產生取向，導致聚

合物鏈之間相互作用逐漸增加，因此其拉伸黏度隨著 應變的增加而迅速增加。而具有梳形結構的聚丙烯酰 胺共聚物的分子鏈上含有側基，導致其內旋轉時空間位 阻増加，使高分子鏈的剛性増強，因此在溶液中呈更加 伸展的狀態，更容易在拉伸過程中產生取向，導致其拉 伸黏度要遠大於聚丙烯酰胺均聚物溶液的拉伸黏度。

由圖2還可見，當應變増加到6. 7左右時，聚合 物溶液的拉伸黏度值會迅速増加，拉絲也因此產生 斷裂。這可能是由於聚合物溶液在拉伸過程中出現 拉伸變硬，也可能是被拉伸流體在斷裂之前需要形 成新的表麵，拉伸黏度的増加恰對應形成新的表麵 所需的表麵能。

根據拉伸速率計算式，可以將圖2的應變轉換成 拉伸速率，結果見圖3。標準黏度油的拉伸黏度與拉 伸速率無關，是典型的牛頓流體，其拉伸黏度約為剪切 黏度的3倍。聚合物流體的拉伸黏度隨著拉伸速率的 増加而減小，表現出假塑性流體的力學行為。需注意 的是在拉伸流動的初期，拉伸速率的變化幅度最大，因 此曲線的變化方向是由高拉伸速率至低拉伸速率。在 拉伸過程的後期，聚合物溶液的拉伸黏度迅速上升，而 具有梳形結構的聚丙烯酰胺共聚物的拉伸黏度上升幅 度更大。

 

Fig. 3 The relationship of extensional viscosity with strain rate for different solution

32相近剪切黏度條件

本次實驗中聚丙烯酰胺及其共聚物的分子量相近 (表1)，但是由於聚合物鏈結構的不同，因此在相同濃 度條件下聚丙烯酰胺及其共聚物的剪切黏度不同。筆 者分別配製了具有相近剪切黏度的3種聚合物溶液並 測定相應的黏彈性（表2)。由表2可見，雖然聚丙烯 酰胺及其共聚物溶液的剪切黏度相近，但是其彈性模 量相差近1. 78倍。這說明聚丙烯酰胺共聚物分子結 構得到了優化，増加了溶液的彈性。聚丙烯酰胺及其共聚物水溶液拉伸流變行為研究，夏惠芬和王德民 等6]認為聚合物驅時溶液的彈性對提高驅油效率起到 十分重要的作用，因此聚丙烯酰胺共聚物比聚丙烯酰

表2聚丙烯酰胺及其共聚物溶液的剪切黏度和彈性模量 Table 2 Shear viscosity and storage module of polyacrylamide and its copolymer solution

樣 品剪切黏度/(mPa# s)彈性模量/Pa

0 2% HPAM-DQ3490 189

0 13% KYPAM-F1550 336

0 13% KYPAM-T4520 336

圖4是聚丙烯酰胺及其共聚物溶液的拉伸黏度與 應變關係的變化曲線。對比圖4和表2可見，雖然聚 丙烯酰胺及其共聚物溶液的剪切黏度相近，但其拉伸 黏度與應變或者拉伸速率的關係差別非常顯著，主要 是由於拉伸黏度對聚合物的結構更加敏感。而且，聚 合物溶液，特別是聚丙烯酰胺共聚物溶液的拉伸黏度 比剪切黏度高3個數量級以上。

 

Fig. 4 The relationship of the extensional viscosity and strain of two kinds of polymer solution

由此可以看出，僅利用剪切黏度來解釋聚合物驅 油機理是不合適的。聚合物流體是非牛頓流體，剪切 黏度的值不能反映該流體在拉伸時的行為。另外，聚 丙烯酰胺共聚物溶液的拉伸黏度要遠大於聚丙烯酰胺 均聚物的拉伸黏度，這說明聚丙烯酰胺共聚物溶液既 有利於改善油水流度比和提高宏觀波及效率，又有利 於對殘餘油的/拖、拽、攜帶和牽引”作用，進而提高聚 合物驅的驅油效率。

33不同濃度條件

圖5和圖6是不同濃度KYPAM-T4溶液的拉伸 黏度與應變或拉伸速率的關係。由圖5和圖6可見， 測定的應變範圍為3 8〜5. 4,每組測定的拉伸黏度隨 著應變増大而増加，在溶液被拉斷之前其拉伸黏度數 值増加約0. 6個數量級。當KYPAM-T4溶液的濃度 由0 075%升至0 3%時，拉伸黏度的數據範圍從7〜 45 Pa# s升高至22〜95 Pa# s。這說明溶液濃度上升有 助於聚合物分子的抗拉伸能力的増強。

胺溶液的驅油效果更好。聚合物濃度關係的測試結果表明，兩種聚丙烯酰胺

在應變值為4 5及剪切速率為7. 3 s- 1條件下，聚 丙烯酰胺及其共聚物溶液的拉伸黏度和剪切黏度與

 

Fig. 6 The relationship cf the extensional viscosity and stran rate for KYPAM-T4 solutions with different concentration

4結論

(1)聚丙烯酰胺及其共聚物溶液是假塑性流體，

其拉伸黏度要比相同應變速率條件下聚合物溶液的剪 切黏度高兩個數量級左右，聚丙烯酰胺及其共聚物水溶液拉伸流變行為研究，不僅如此，聚丙烯酰胺共聚 物溶液的拉伸黏度與剪切黏度的差異要高於聚丙烯酰 胺均聚物溶液的差異。相比較而言，牛頓流體的拉伸 [9] 黏度是剪切黏度的3倍。

(2)在相同使用濃度條件下，具有梳狀結構聚丙 |10| 烯酰胺共聚物溶液的拉伸黏度要遠大於聚丙烯酰胺均

聚物的拉伸黏度。1111

(3)在相同應變速率條件下，具有梳狀結構聚丙 烯酰胺共聚物溶液的拉伸黏度和彈性要遠大於聚丙烯

共聚物溶液的拉伸黏度和剪切黏度均較接近，並且隨 著濃度的増加而増加。相比較而言，聚丙烯酰胺溶液 的拉伸黏度和剪切黏度均小於相同濃度條件下聚丙烯 酰胺共聚物溶液的拉伸黏度和剪切黏度，尤其是拉伸 黏度的差距非常大。此外，實驗結果還表明，在測量的 濃度範圍內，聚丙烯酰胺共聚物溶液的拉伸黏度比剪 切黏度高200〜600倍，而聚丙烯酰胺溶液的拉伸黏度 比剪切黏度高90〜150倍，說明聚合物鏈結構的優化 進一步増加了聚合物溶液非牛頓流體的特性。

 

Fig. 5 The relationship of the extensional viscosity and strain forKYPAM-T4 solutions with different concentration

與拉伸速率的關係

結構聚丙烯酰胺共聚物在溶液中更加伸展，鏈的剛性 更強，在拉伸流場中更容易產生取向，聚丙烯酰胺及其共聚物水溶液拉伸流變行為研究，使聚丙烯酰胺共 聚物溶液的拉伸黏度和彈性更好。

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