利用聚合物驱提高储层采收率的微观过程和机理 一直是倍受关注的研究焦点[-6]。相对而言，聚合物驱 提高储层采收率的宏观过程和机理尚缺少深入研究， 一般认为聚合物流体黏度高，可显著改善油水流度比、 提高宏观波及效率[1’5’7]。如果储层的流通性可以等 效地用尺寸恒定的管道来描述，那么可以采用剪切黏 度来表征聚合物驱对储层油水流度比的改善和宏观波 及效率的提高。但储层孔径是变化的，且储层孔喉以及吸附在孔道中油滴的影响，聚合物驱替液在储层中 的流动不能简单地用剪切流场，而需采用收敛的流场 或拉伸的流场进行描述[8]。此外，由聚合物驱油微观 过程的研究可见，残余油被采出与聚合物溶液对残余 油的/拖、拽和携带”作用密切相关，因此拉伸黏度对微 观驱油过程影响显著。笔者用CaBER1型流体拉伸 流变仪和RS600流变仪，测定了部分水解聚丙烯酰胺 均聚物和具有梳形结构聚丙烯酰胺共聚物的拉伸黏度 

 

(1)

 

和流变性，讨论了聚合物的浓度和聚合物链的结构对 溶液拉伸黏度的影响。

1 CaBERl型拉伸流变仪及工作原理

CaBERl型拉伸流变仪通过研究流体纤维变细和 断裂的过程，可以获得旋转流变仪所无法得到的聚合 物以及其他许多流体的拉伸流变行为。测量时将 少量样品（< 1 mL)置于两个圆平板之间。上板根据设 定的拉伸速率迅速与下板分开，流体被上下园板拉成一 条丝。随着拉伸应变逐渐増加，丝的直径逐渐变小(图 1)。其中:Lo为起始液柱高度;Do为起始液柱直径;Dmid 为拉伸过程中拉丝中点直径，直到流体被拉断。利用仪 器的激光测量装置可以动态检测拉伸过程中拉丝中点 直径的变化。溶液的表观拉伸黏度Ga„,、时间t、拉丝中 点直径Dmil和表面张力〇之间满足方程为

20/D mid (t)_ 〇

2 dD midlD mid

D mid dtd t

由式(1)可以看出，表观拉伸黏度Gapp与拉丝中点 直径Dm,d随时间的变化速率成反比关系。样品的拉伸 速率的计算式为

0dDmid

D mid dt

：j I^

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

图1 CaBERl型流变仪中流体的拉伸过程示意图 Fig. 1 Schematic diagram of fluid extensional process in CaBERl rheometer

达西黏度是剪切黏度和拉伸黏度之和，从而可间 接计算拉伸黏度[8]。通过岩心实验和剪切黏度测定再

C,2烷基酯，A可根据需要选择对Ca2+、Mg2+不敏感的 离子型官能团或者耐碱性水解的组分;CHRi= CH — R2A单体摩尔分数约为0. 1%〜1%,•实验用标准黏度 油在20 °C下表观黏度值为1100 mPa# s。

表1聚合物样品参数 Table 1 Parameters of polymer samples

样品代号含量/ %分子量/104水解度/ %

HPAM-DQ 389 81 50026 8

KYPAM-F190 41 600-

KYPAM-T 490 01 700—

配制聚合物溶液所用水为经过0 45 Lm微孔滤膜 过滤的大庆模拟污水，聚丙烯酰胺及其共聚物水溶液拉伸流变行为研究，总矿化度为4 000 mg/ L，钙离 子和镁离子的总含量为60 mg/L。在20 °C下使用C- BER1型拉伸流变仪测定聚合物溶液的拉伸黏度。在 45°C下使用RS600流变仪测定聚合物溶液的黏弹性。

3聚丙烯酰胺及其共聚物溶液拉伸流 变行为

3 1相同聚合物浓度条件

在相同聚合物浓度条件下测试HPAM-DQ3、 KYPAM-F1、KYPAM-T 4溶液以及标准黏度油的拉

丝直径与拉丝时间的关系。实验结果表明，对于标准 黏度油，在拉伸流动过程中，拉丝直径与拉伸时间满足 线性相关;对于聚合物流体，拉丝直径与拉伸时间呈对 数关系。具有梳形结构的聚丙烯酰胺共聚物溶液的拉 伸时间比部分水解聚丙烯酰胺溶液的拉伸时间长，这 是由于聚丙烯酰胺共聚物溶液抗拉伸应变的能力要优 于聚丙烯酰胺溶液。

间接计算获得的拉伸黏度值比使用仪器测定的数值偏 低，这可能与二者涉及的物理意义和影响因素不同

有关。

2聚丙烯酰胺及其共聚物溶液的配制

配制溶液用的聚丙烯酰胺为HPAM-DQ3,两种 聚丙烯酰胺共聚物为KYPAM-F1和KYPAM-T4,有 关参数如表1所示。KYPAM系列聚合物是由丙烯酰 胺、丙烯酸钠和含有极性端基长链的大分子单体一 CHR,= CH — R2A共聚形成，其中R,可选H或C,~

0.15% KYPAM-Fl

0.15% KYPAM-T4

0.15% HPAM-DQ3

1 lOOmPa-s 油

图2不同类型溶液的拉伸黏度与应变的关系

Fig. 2 The relationship of extensional viscosity with

&烷基’心可选&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 液的表观拉伸黏度与应变之间的关系（图2)。由图2 可见，标准黏度油的拉伸黏度不随应变的増加而改变。 但是，聚合物分子链将在拉伸方向上产生取向，导致聚

合物链之间相互作用逐渐增加，因此其拉伸黏度随着 应变的增加而迅速增加。而具有梳形结构的聚丙烯酰 胺共聚物的分子链上含有侧基，导致其内旋转时空间位 阻増加，使高分子链的刚性増强，因此在溶液中呈更加 伸展的状态，更容易在拉伸过程中产生取向，导致其拉 伸黏度要远大于聚丙烯酰胺均聚物溶液的拉伸黏度。

由图2还可见，当应变増加到6. 7左右时，聚合 物溶液的拉伸黏度值会迅速増加，拉丝也因此产生 断裂。这可能是由于聚合物溶液在拉伸过程中出现 拉伸变硬，也可能是被拉伸流体在断裂之前需要形 成新的表面，拉伸黏度的増加恰对应形成新的表面 所需的表面能。

根据拉伸速率计算式，可以将图2的应变转换成 拉伸速率，结果见图3。标准黏度油的拉伸黏度与拉 伸速率无关，是典型的牛顿流体，其拉伸黏度约为剪切 黏度的3倍。聚合物流体的拉伸黏度随着拉伸速率的 増加而减小，表现出假塑性流体的力学行为。需注意 的是在拉伸流动的初期，拉伸速率的变化幅度最大，因 此曲线的变化方向是由高拉伸速率至低拉伸速率。在 拉伸过程的后期，聚合物溶液的拉伸黏度迅速上升，而 具有梳形结构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相近剪切黏度条件

本次实验中聚丙烯酰胺及其共聚物的分子量相近 (表1)，但是由于聚合物链结构的不同，因此在相同浓 度条件下聚丙烯酰胺及其共聚物的剪切黏度不同。笔 者分别配制了具有相近剪切黏度的3种聚合物溶液并 测定相应的黏弹性（表2)。由表2可见，虽然聚丙烯 酰胺及其共聚物溶液的剪切黏度相近，但是其弹性模 量相差近1. 78倍。这说明聚丙烯酰胺共聚物分子结 构得到了优化，増加了溶液的弹性。聚丙烯酰胺及其共聚物水溶液拉伸流变行为研究，夏惠芬和王德民 等6]认为聚合物驱时溶液的弹性对提高驱油效率起到 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弹性模量 Table 2 Shear viscosity and storage module of polyacrylamide and its copolymer solution

样 品剪切黏度/(mPa# s)弹性模量/Pa

0 2% HPAM-DQ3490 189

0 13% KYPAM-F1550 336

0 13% KYPAM-T4520 336

图4是聚丙烯酰胺及其共聚物溶液的拉伸黏度与 应变关系的变化曲线。对比图4和表2可见，虽然聚 丙烯酰胺及其共聚物溶液的剪切黏度相近，但其拉伸 黏度与应变或者拉伸速率的关系差别非常显著，主要 是由于拉伸黏度对聚合物的结构更加敏感。而且，聚 合物溶液，特别是聚丙烯酰胺共聚物溶液的拉伸黏度 比剪切黏度高3个数量级以上。

 

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

由此可以看出，仅利用剪切黏度来解释聚合物驱 油机理是不合适的。聚合物流体是非牛顿流体，剪切 黏度的值不能反映该流体在拉伸时的行为。另外，聚 丙烯酰胺共聚物溶液的拉伸黏度要远大于聚丙烯酰胺 均聚物的拉伸黏度，这说明聚丙烯酰胺共聚物溶液既 有利于改善油水流度比和提高宏观波及效率，又有利 于对残余油的/拖、拽、携带和牵引”作用，进而提高聚 合物驱的驱油效率。

33不同浓度条件

图5和图6是不同浓度KYPAM-T4溶液的拉伸 黏度与应变或拉伸速率的关系。由图5和图6可见， 测定的应变范围为3 8〜5. 4,每组测定的拉伸黏度随 着应变増大而増加，在溶液被拉断之前其拉伸黏度数 值増加约0. 6个数量级。当KYPAM-T4溶液的浓度 由0 075%升至0 3%时，拉伸黏度的数据范围从7〜 45 Pa# s升高至22〜95 Pa# s。这说明溶液浓度上升有 助于聚合物分子的抗拉伸能力的増强。

胺溶液的驱油效果更好。聚合物浓度关系的测试结果表明，两种聚丙烯酰胺

在应变值为4 5及剪切速率为7. 3 s- 1条件下，聚 丙烯酰胺及其共聚物溶液的拉伸黏度和剪切黏度与

 

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

4结论

(1)聚丙烯酰胺及其共聚物溶液是假塑性流体，

其拉伸黏度要比相同应变速率条件下聚合物溶液的剪 切黏度高两个数量级左右，聚丙烯酰胺及其共聚物水溶液拉伸流变行为研究，不仅如此，聚丙烯酰胺共聚 物溶液的拉伸黏度与剪切黏度的差异要高于聚丙烯酰 胺均聚物溶液的差异。相比较而言，牛顿流体的拉伸 [9] 黏度是剪切黏度的3倍。

(2)在相同使用浓度条件下，具有梳状结构聚丙 |10| 烯酰胺共聚物溶液的拉伸黏度要远大于聚丙烯酰胺均

聚物的拉伸黏度。1111

(3)在相同应变速率条件下，具有梳状结构聚丙 烯酰胺共聚物溶液的拉伸黏度和弹性要远大于聚丙烯

共聚物溶液的拉伸黏度和剪切黏度均较接近，并且随 着浓度的増加而増加。相比较而言，聚丙烯酰胺溶液 的拉伸黏度和剪切黏度均小于相同浓度条件下聚丙烯 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，实验结果还表明，在测量的 浓度范围内，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，说明聚合物链结构的优化 进一步増加了聚合物溶液非牛顿流体的特性。

 

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

与拉伸速率的关系

结构聚丙烯酰胺共聚物在溶液中更加伸展，链的刚性 更强，在拉伸流场中更容易产生取向，聚丙烯酰胺及其共聚物水溶液拉伸流变行为研究，使聚丙烯酰胺共 聚物溶液的拉伸黏度和弹性更好。

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