人工地震采油技术，就是在不影响油水井正常生产的前提下，利用地面人工振动场所建立起来的波动场, 以频率很低的机械波的形式传到油层，进而对油层大面积振动处理，从而达到多口井增产、增注的一种物理 采油方法。通过人工震源在地面上作垂直振动，能使地下深处的油层产生一定幅值的受迫振动，从而有利于 降低原油黏度。Gadievl977年对一定容积的聚丙烯酰胺溶液，在不同激励时间的流动速度进行了测量。测 试了振幅为1 mm，频率分别为30、50、60 Hz的波场,在持续6h的声波作用下，流速增加了 0.5-1.0倍。 表明低频波可以改变聚合物的流变性。这项试验是振动驱油的开创性实验。由于油层振动,会使孔隙中的 原油黏度降低，进而改善流动性能，原油黏度的降低又使油水黏度比降低,有利于水驱油，降低产出液的含水 率,改善注水开发效果。

 

振动还降低了流体对介质的黏附力，破坏了吸附在孔隙的表面膜，增大了孔隙的有效尺寸。或弱或强的 机械振动都会导致表面膜破坏，使同样的孔隙尺寸允许流体通过的截面积增大、通过的流体更多。岩心毛细 管在固有频率下进行振动时，油水相渗透率比未加振动时的油水相的渗透率都有大幅度的提高，也降低了岩 心表面与原油之间的表面张力，破坏了原油和聚合物溶液的流变结构[1]。

 

聚合物溶液在流动过程中，流体的流动是通过链段运动带动整个高分子运动的，链段在运动时受到相邻 链段之间的内摩擦，有阻力约束,在宏观上可以用黏度来描述这种作用:链段之间的摩擦阻力大，则流体的黏 度高;链段之间的摩擦阻力小，流体的黏度就低。高分子链段之所以能运动或扩散是因为高分子之间存在着 自由体积，链段在外力作用下可以从一个位置跃迁到附近的一个大小近似的自由体积内，原来的位置就可以 形成新的自由体积，可以接纳另外的链段跃迁，这样通过链段的依次运动达到整个大分子迁移的效果[2]。

 

目前国内外对于人工地震采油技术的研究比较成熟，而对振动采油过程中原油和聚合物溶液的流变行 为研究甚少，一种原因是聚合物溶液在振动条件下的流动是一种振动剪切流变行为，经典的聚合物流变学理 论不适于描述这一过程的流变学机理[3]。聚合物溶液振动剪切流变特性与稳态剪切流变特性有一定的差别，在稳态剪切条件下,溶液只受到纯剪切力的作用，流体内部的压力是恒定的，故链段的跃迁速度在统计学 上也是恒定的。在稳态剪切条件下，聚合物分子链段之间受到的外力大致相同，因此链段的运动是沿着外力 的方向依次蠕动，宏观上表现为聚合物流体沿流动方向上的速度分布是一种近似抛物线的分布，是一种稳态 流动行为[4]。而在振动剪切力条件作用下，流体中会形成局部压力,其大小是随着时间而变化的，呈一种近 似正弦曲线的特征，在正半个周期内，随着局部压力的增大链段的运动速度随之增大;而在负半个周期内，随 着局部压力的减小链段的运动速度也降低，因此在流动方向上形成一种速度差。速度差的存在，使得高分子 的链段自由体积空间会随着时间而发生周期性的变化，链段获得一个瞬间的冲量，加速了聚合物分子链段的 扩散运动[5_8]。另一种原因是在完全符合油层振动采油条件下，关于聚合物流体流变行为的测试仪器目前 尚未开发。

 

从大量的实验中也发现，传统的流变学理论不能应用于振动条件下的流动过程，主要原因是在振动条件 下改变了聚合物大分子运动状态，从而使得聚合物在动态流动过程中的本构关系也发生了变化。因此，测量 和表征聚合物溶液振动剪切流动特性与行为，建立适用于聚合物在振动条件下的本构方程就成为了必然。 为了从机理上研究振动力场对于聚合物动态流变性能的影响，笔者自行研制了一台动态毛细管流变仪，它是 在毛细管流变仪的基础上平行叠加一个正弦振动场，这样使得聚合物溶液在流经毛细管中也呈正弦振动状 态，测量其流量和压力，通过理论计算就得到基本接近于地层岩心驱油条件的聚合物溶液流变学参数，从而 解决了振动采油过程中原油和聚合物溶液的流变行为的测量，可以定量分析影响聚合物溶液的流变行为的 主要因素。该装置在振幅和频率为零的情况下也可测量聚合物的稳态流变性能19]。另外由于聚丙烯酰胺 水溶液在毛细管中剪切速率极低，因此机械降解对聚丙烯酰胺水溶液的黏度影响极小[1°]。 1实验部分 1.1毛细管和聚丙烯酰胺选用河北永年光导纤维厂生产的玻璃毛细管，内径d=53〇nm，长度/=411 mm。聚合物选用大庆助剂 厂生产的部分水解聚丙烯酰胺（PAM)，重均分子量取? = 1 200万，固含量88. 7%。分别配制不同浓度的PAM 溶液:62.5、125.0、250.0、500.0、600.0 mg.L-1[in。

 

1.2动态毛细管流变仪(4)

 

(5)

 

(3)

 

自行研制的动态毛细管流变仪的结构示如图1所示。其工 作原理是:将配制一定浓度的PAM溶液从恒压瓶内加人，与之 连通的液位计由位差产生的压降作用驱动PAM水溶液通过水 平放置的毛细管，毛细管在振动台的作用下，水平地呈正弦规律 振动，测量以单位时间内从毛细管出口处的PAM溶液的重量为 质量流量，再转换成平均体积流量（$)，以液面计的液面与毛细 管中心线之差f位差，再转换成平均压降（AP)。由此定义平均 动态剪切速率^为：TYR2,(1)

 

平均动态剪切应力匕为：(2)

 

RAP：~2L~式中:/?一毛细管半径;i一毛细管长度。 平均动态表观黏度7^为：— TwVa=Z~yw式中:/一频率。

 

根据振动台的结构可把这种振动看成为单质点的强迫振动,在振动一周期内所生的势能％为[12]:We = PgATtsiiup(6)

 

式中:P。一作用在质点上的力;少一初相角。

 

在振动一■周内所产生的动能％为：Wd =ca)A2Tr(7)

 

式中:C一阻尼系数。

 

改变4或就可使毛细管在不同的振动条件下发生振动，形成一个芷弦的周期性的振动力场,这个力 场会f得流经毛细管中的PAM水溶液的表观黏度的变化，从而引起毛细管中流量的变化。所以根据流量丨 可得^，根据压降AP可得，最后可计算出平均动态表观黏度永。

 

1.3振幅对平均动态表观黏度的影响实验条件为:温度= 20尤，压降A? = 608 Pa,恒定 振动频率/=4 Hz，改变振幅测得不同浓度的PAM水 溶液的^■随4的变化规律，见图2。从图可见，当水溶液 浓度较低时C为62.5 ~250. 0 mg . I/1，％随4的增大 而增大。原因是当浓度较低的高分子水溶液中大分子链 的数量较少，因此大分子链的缠结点的数量较少。

 

根据高分子缠结理论,水溶液中的高分子链是采用 无规线团构象，且分子线团之间是无规缠结的。高分子 链之间的这种“缠结”和解缠结是共存的一对矛盾，在一 定条件下处于动态的热平衡状态。在振动场的作用下M 产生的作用是一种势能3越大，作用于高分子线团的上 的势能越大，每一个振动周期都使高分子线团完成一次 挤压与扩张，这个作用有利于阻碍缠结的形成和增强解 缠结的能力。当由于低浓度高分子水溶液缠结点密度不 高，被解缠的缠结点少，然而振动带来对流动不利的扰动作用相对明显，因此^随的增加而增加。

 

当高浓度时C为500 ~ 600 mg ?^随4的增大而降低。原因是浓度很高时，高分子数量很多，固有体积增大，空间体积变小，髙分子之间的间距变小,很容易发生高分子链的缠结，缠结点的数目就多，流动 单元大，流动阻力大，因此黏度大，这时施加给水溶液一个振动场d的作用使缠结点密度很高的水溶液发生 大量解缠结。使流动阻力变小，而振动对流动不利的扰动作用相对减弱，因此I随4的增大而降低。

 

1.4频率对平均动态表观黏度的影响试验条件为：温度T = 20丈，平均压降AP=608 Pa,恒定振幅4 =0. 1 mm,改变频率/,测得不同浓度的 PAM水溶液^随/的变化规律，见图3。从图可见，不 同浓度水溶液的都随/的增大而降低。原因是在振 动场的作用下/产生的作用是一种动能，每一个振动 周期,/越大，高分子链所获得的动能越大，有利于高分 子链和链段的扩散和运动，可以促进分子链间的解缠 结，减少分子运动时的内摩擦，并增强分子链的取向，从而降低高分子链的流动阻力，所以队就随/的增大 而下降。

 

2结论(1)在实验的振幅范围内，低浓度的PAM水溶液 随着振幅的增加其平均动态表观黏度也增加，而高浓 度的PAM水溶液的平均动态表观黏度随着振幅的增加反而降低。

 

(2)在实验的振荡频率范围内，所有浓度的PAM'水溶液的平均表观黏度都随频率的增加而下降。

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