驱油用聚合物溶液黏弹性评价方法研究

３ 动 态 剪 切 流 动 条 件 下 聚 合 物 溶 液黏 弹 性
３ ． １ 储 能模 量 Ｇ 和 损耗 模量 Ｇ
一
般 动 态测量 ，都 是在 交 变 的小 振 幅下 进 行 的 ，可 以 同时 获得 有 关 材 料 黏性 行 为 及 弹 性行 为 的信
息 ，即 同时研 究黏 、弹性 ，研究 的是 材料 的线 性 黏弹性 。这 种试验 是 非破坏 性 的评价 样 品流变性 能 的方 法 。储 能模 量 Ｇ 和损 耗模 量 Ｇ 分 别表 示 聚合物 溶液 弹性 和黏性 的大小 。 图 ３为水解 聚丙 烯 酰胺溶 液 ＨＰ ＡＭ１ （ Ｏ ． ０ ９ ５ Ｎａ Ｃ １ 配制 浓度 为 ０ ． １ ５ ＨＰ ＡＭ）和 ＨＰ ＡＭ２ （ 去 离 子水 配制 浓度 为 ０ ． ０ ６ ＨＰ ＡＭ） 的动态 剪切试 验 曲线 。从 图 ３可 以看 出 ，所有 体系 的储 能模 量 Ｇ 和损
聚合 物黏 弹性评 价方法 还没 一个 概括 和总结 ，也 没有统 一 的评价标 准 。对聚 合物溶 液 黏弹性 评价方 法进
行 深 入研究 ，有利 于根据不 同地质条件选 择相适应 的高效 聚合物驱油体 系 ，进一步提高 聚合物驱 效果 。对
于最大 限度 地提高聚合物溶液 的驱油效率及完善 聚合物驱油 的基 础理论 ，具有重要 的意义 。
范 围 内第一 法 向应力 差可 能具 有幂 率行 为 ：
Ｎ １一 Ａｒ （ １ ）
式 中， Ａ 和 ｍ 是常 数 ，１ ＜ ｍ＜ ２ 。 幂率 区域 不 能扩展 至极 低 的剪切 速率 （ 除非 ｍ 一 ２ ） ＿ ｌ 】 。 图 ２为水解 聚丙 烯 酰胺 溶液 （ ＨＰ ＡＭ） 的第 一法 向应力 差 随 剪切 速 率 的 变化 曲线 。从 图 ２可 以看 出 ，在 剪 切 速 率小 于
ｌ 试验 方 法
测量 聚合 物溶 液 黏 弹 性 ２种 最 常 用 的试 验 技 术 是 稳 态 剪 切 流 动 和 动 态 剪 切 流 动 。剪 切 试 验 采 用 ＡＲ Ｅ Ｓ应 变控 制高 级扩 展流变仪 ，选 用 ｃ ５ ｏ ／ ｏ ． ０ ４（ ｒ ａ ｄ ）测 量系 统 ，稳 态剪 切试 验 测试 聚合 物 溶 液 的表
况 。绝大 多数 聚合物 溶液属 于假 塑性 流体 。用于 描述 聚合物 溶液 这种具 有剪 切变稀 行 为 的流 变模 型主要
有 Ｃ ｒ ｏ ｓ ｓ 模 型 、Ｅ ｌ ｌ ｉ ｓ 模型和 Ｃ ａ ｒ ｒ ｅ ａ ｕ模型 ，其 中 Ｃ ａ ｒ ｒ ｅ ａ ｕ模 型应用 得最 广泛［ １ 。图 １为水解 聚丙 烯酰胺 溶液 （ ＨＰ ＡＭ） 的表观 黏度 随剪切 速率 的变 化 曲线 。从 图 １可 以看 出 ，ＨＰ ＡＭ 溶 液 为典 型 的假 塑 性 流 体 ，Ｃ ａ ｒ ｒ ｅ ａ ｕ模 型可 以较好 地描述 ＨＰ ＡＭ 溶液 的黏 度随 剪切速 率 的变化 （ 相关 系数 为 ０ ． ９ ９ ４ ０ ） 。
观 黏度 和第一 法 向应 力差 随剪 切 速率 的变化 ，剪 切 速 率 范 围 为 ０ ． ０ ０ １ ～１ ０ ０ ０ ｓ 啊 。 。动态 剪 切 流 动 （ 又 称
小振 幅振 荡实 验 ）测定溶 液 的损 耗模 量 和储存模 量 随频率 变化 ，频 率范 围 ０ ． ０ １ ～ｌ Ｏ Ｏ ｒ ａ ｄ ／ ｓ 。 测 量聚合 物溶 液黏 弹性 的另一 种技 术 为 拉 伸 流动 试 验 ，笔 者 采 用 Ｃ ａ Ｂ Ｅ Ｒ 毛细 管 拉 伸 断裂 流 变 仪 ，
［ 收稿 日期 ］ ２ ０ １ ３—０ ６ —２ ５ ［ 作 者 简介 ］ 吴 淑 云 （ １ ９ ６ ８ 一 ） ，女 ，工 程 师 ，现 主要 从 事提 高 原 油 采 收 率 方 面 的研 究工 作 。
第 １ Ｏ卷 第 ３ ２期
吴 淑 云 ：驱 油 用 聚 合 物 溶 液 黏弹 性 评 价 方 法研 究
的研究 发现 ，聚合 物不 仅可 以提高 波及 体积 ，而且 可 以提高驱 油效 率 。聚合 物溶液 提高 驱油效 率 的原 因 是 由于聚合 物溶 液是黏 弹性 流体 ，除具 有一定 的 黏度外 ，还具 有 弹性性 质＿ １ ］ 。
评 价 聚合 物溶 液黏 弹性 的方法 很多 ，已经有 很 多学 者对 它进 行 了研 究［ ５ ］ 。但 是 到 目前 为止 ，关 于
长 江 大 学学 报 （ 自科 版 ） ２ ０ １ ３ 年１ １ 月号石油中旬刊 第 １ ｏ 卷第３ ２ 期 Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｙ ａ ｎ ｇ ｔ ｚ ｅ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ（ Ｎ ａ ｔ Ｓ ｃ ｉ Ｅ ｄ ｉ ｔ ） Ｎｏ ｖ ． ２ ０ １ ３ ，Ｖｏ １ ． １ ０ Ｎｏ ． ３ ２
１ ０ ０ ｓ 范 围 内 ，ＨＰ ＡＭ 的第一 法 向应力 差剪 切速 率变 化 幅度不 大 ，此后 随剪 切速 率 的增 大 而迅 速增 大 。 在 不 同剪 切速 率范 围 内用幂率 （ Ｐ ｏ ｗｅ ｒ ｌ ａ ｗ）方 程拟 合发 现 ，在低 剪切速 率 范 围内拟合 相关 系数 （ Ｒ ） 为 ０ ． ０ ２ ９ ４ ， ／ ７ ＂ ／ 为 ０ ． ３ ２ １ ９ ５ ，高 剪切 速率 范 围的 Ｒ 为 ０ ． ９ ８ ６ ２ ， ｒ ｎ为 １ ． １ ３ ７ ４ ；这一 结果说 明 ，剪切 速率 范围对 于方程 推 导 出的参数 ｍ 的影 响很大 ，第 一 法 向应 力 差 与剪 切 速 率 曲线 的斜率 主 要 反 映第 一 法 向应 力差
随剪切 速率 增加 的幅度 ，不 能定量 表征 聚合 物溶 液 的弹性 的大 小 。
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剪切 速 率 ／ ｓ ・ １
剪切速率 ／ ｓ － １
图 １ ＨＰ Ａ Ｍ 表 观 黏 度 随 剪切 速 率 变 化 曲 线
图 ２ ＨＰ Ａ Ｍ 第 一 法 向 应 力 差 随 剪 切 速 率 变化 曲线
法 向应 力差 与非 线性 效应 有 关 ，在 低 剪 切 速率 下 ，体 系 弹性 小 ，在 现 有 仪 器设 备 条 件 下 ，难 以准 确 测
量 。多数 聚合 物溶液 体 系只有 在 高剪切 速率 下才 可 能被准 确地 检测 到第 一法 向应力 差 。因此 ，如果采 用
第 一法 向应 力 差来评 价 聚合物 溶 液弹性 ，建议采 用在 较高 剪切 速率 下 的第 一 法 向应 力差 来评价 。
到 ，具有 较 高储 能模 量 的 ＨＰ ＡＭ２聚合 物溶 液体 系 ，其 第 一 法 向应 力 差 却 较 低 。有 研究 表 明 ，与具 有 较 高储 能模 量 的聚合 物溶 液体 系相 比 ，具有 较高 第一 法 向应力差 的体系 驱油 效率较 高 ，即第一 法 向应力
差 对驱 油效 率影 响更 大＿ 】 。从 图 ４还 可 以看 出 ，在 低剪 切 速 率 下 ，这 ２种 体 系 的第 一 法 向应 力差 相 差 不 大 ，大约 在剪 切速 率超 过 １ ０ ０ ｓ 后 才 能 看 到 明 显 区别 。这 是 因 为 ，流 变 仪 所 模 拟 的只 有 剪 切 流 场 ，
具 有 正 比例 关 系 。在 该 研 究基 础上 ，根 据 现 有 实 验 技 术 条 件 ，提 出采 用 在 较 高 剪 切 速 率 下 的 第 一 法 向应 力 差 来 评 价 聚 合 物 溶 液体 系 的 弹 性 。
［ 关 键 词 ］ 黏 弹 性 ；表 观 黏 度 ；储 能模 量 ； 第 一 法 向 应 力 差 ；拉 伸 黏 度
２ ． ２ 第 一 法 向 应 力 差
高 分子 液体 在剪 切流 场 中 ，除 表现 有黏性 外 ，还表 现 出奇异 的 弹性行 为 ，存 在 法 向应 力差 效应 。法 向应力 差与 非线 性效 应有 关 。第一 法 向应力 差值 的大小是 高分 子 流体 弹性效 应 的度量 ，在 一 定剪 切速 率
图 ４ ＨＰ Ａ Ｍ１和 Ｈ Ｐ Ａ Ｍ２第一 法 向应 力 差 随
剪切 速 率变 化 曲线
４ 拉 伸 流动 条 件 下 聚 合 物 溶液 黏 弹 性 测 量
４ ． １ 拉 伸 黏 度
水解 聚丙烯 酰胺 溶液 在 孔 隙介 质 中流 动 的 一个 重 要特 性是 ，中低 流 动速度 下剪 切 变 稀 ，但 在超 过某 一
［ 中 图分 类 号 ］ Ｔ Ｅ ３ ５ ７ ． ４
［ 文献标志码］Ａ
［ 文章 编 号］ １ ６ ７ ３ —１ ４ ０ ９（ ２ ０ １ ３ ）３ ２ —０ １ ４ ０— ０ ３
早期 的聚合物 驱油理 论认 为 ，聚合物 只是通 过增 加注 入水 的黏度 ，改 善油水 流度 比 ，扩大 注入水 在
油 层 中的波及 体积从 而 提高原 油采 收率 ，基于 毛管数 与驱 油效 率 的关系 ，认 为聚合 物驱并 不能 提高驱 油
效 率 ，降低残 余油饱 和 度 。因此 ，多年 来 ，大 庆 油 田主要 采 用 Ｌ ＶＤ Ｖ Ⅱ＋ 型 布 氏黏 度 计 的 ＵＬ转 子 在 ６ ｒ ／ ａｉ ｒ ｎ ，即剪 切速 率为 ７ ． ３ ４ ｓ 时所测 量 的表观 黏度来 评 价聚 合 物溶 液 注入 体 系 。但 是 ，经过 专 家学 者
采 用线 性模式 ，测 量流 体丝直 径 随时 间变 化 ，样 品直径 ６ ． ０ ｍｍ，原始 高宽 比 １ ． ０ ，最终 高宽 比 ４ ． ３ ９ 。
２ 稳 态 剪 切 流 动 条 件 下 聚合 物 溶 液 黏 弹性
２ ． １ 表 观 黏 度
表观 黏度表 述 了特定剪 切速 率下 的流 动行为 ，但是 不能 描述在 更低 及更 高剪切 速率 下黏度 的变化情
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ｌ ４ ２・
石 油 中 旬 刊 ＊ 油 气 田 开 发 工 程
２ ０ １ ３ 年 １ １月
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剪切 速 率 ／ ｓ 一 １
图 ３ ＨＰ ＡＭ１和 ＨＰ ＡＭ２动 态 剪 切 试 验 曲线
驱 油 用聚 合 物 溶 液黏 弹 性 评 价 方 法研 究
吴 淑云 （ 中石油大庆油田有限责任公司勘探开 发研究院， 黑龙江 大庆 １ ６ ３ ７ １ ２ 百度文库
［ 摘 要 ］ 对 不 同条 件 下水 解 聚 丙 烯酰 胺 溶 液 的黏 弹 性评 价 方 法 进 行 了研 究。 稳 态 剪切 试 验 结果 表 明 ，Ｃ ａ ｒ ｒ ｅ ａ ｕ 模 型 可 以较 好地 描述 水 解 聚丙 烯 酰 胺 溶 液 黏 度 随 剪 切 速 率 的 变 化 ；在 较 高 剪切 速 率 范 围 内 ，第 一 法 向应 力 差 随 剪 切 速 率 变 化 曲线 可 以用 Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ ｌ ａ ｗ 方 程 拟 合 。 不 同聚 合 物 溶 液体 系在 稳 态 与 动 态 剪切 条 件 下 的试 验 结 果 表 明 ， 某 些具 有较 高 储 能模 量 的聚 合 物 溶 液 体 系 ， 其 第 一 法 向 应 力 差 却 较 低 ， 说 明储 能 模 量 不 能 作 为 评 价 聚 合 物 溶 液 弹 性 的首 选 参 数 。 稳 态 剪 切 与 拉 伸 试 验 结 果 对 比 表 明 ，拉 伸 黏 度 与 第 一 法 向 应 力 差
耗模 量 Ｇ 均 随频 率增 加 而增加 。与 ＨＰ ＡＭ１ 相 比 ，ＨＰ ＡＭ２的储 能 模 量较 高 ，说 明 ＨＰ ＡＭ２的线性 黏
弹 性更 强 。
３ ． ２ 储 能模 量和 第一 法 向应 力差对 比 图 ４为 ＨＰ ＡＭ１和 ＨＰ ＡＭ２的第 一法 向应 力差 随剪 切 速率 变 化 曲线 。从 图 ３与 图 ４的对 比可 以看