聚合物溶液流变性的研究属于流变学的范畴，主要研究流体流动和变形的问题，通 过建立应力分量和应变分量之间的关系，描述材料对某一给定形变的响应。在均匀不可 压缩流体的稳态剪切流中，应力由形变历史决定，只需加上一个附加各向同性压力U51 利用这一性质，人们进一步证明，应力张量可以用二个独立函数表示，即切应力、第-

法向应力差和第二法向法向应力差，其中法向应力函数描述了流体的弹性。大量研究表 明，具有法向应力差的流体一定不是牛顿流体，表现出不寻常的流动行为[15_2°]。

针对三次采油及不同地区地层性质的需要，具有不同结构及性能的聚合物被开发并 应用于化学驱领域，聚丙烯酰胺类聚合物的应用是最为广泛的，所以关于聚丙烯酰胺溶 液的流变性研究发展迅速。现有的手段和设备已经可以直接测量和描述聚合物溶液的流 变特性和粘弹特性。

随着聚合物溶液粘弹性对驱油效率影响规律研究的深入，聚合物溶液的粘弹特性逐 渐受到了广泛的重视。利用实验手段测定聚合物溶液的视粘度、储能模量、损耗模量、 松弛时间以及第一法向应力差等参数，用以比较不同聚合物溶液的粘性及弹性的大小。 通常用的较为普遍的表示聚合物溶液弹性大小的量为储能模量及松她时间，但是，研究 发现，对于聚丙烯酰胺溶液和黄原胶溶液来说，其储能模量和松弛时间均存在且差别不 大，而在实际驱油过程中这两种溶液所起到的作用及流动特性差别很大，所以关于准确 表征聚合物溶液弹性性能的参数，尤其是决定驱油效率的弹性性能的参数，一直没有统 一的认识。

在多孔介质中，聚合物溶液的流变性要复杂得多，除了受溶液自身性质的影响外， 还要受到多孔介质性质的影响。孔隙介质为不规则的三维孔隙网络结构，其流动横截面 积不断发生变化，从而产生在流动方向上的流速变化。另外，聚合物溶液与多孔介质的 相互作用，如吸附、滞留、降解以及不可进入孔隙体积等都使聚合物溶液在多孔介质中 的流变性更加复杂。

许多学者通过HPAM体系和黄原胶体系的对比实验研究粘弹性流体在多孔介质中 的流动规律，张宏方等人[21〜]对黄原胶溶液和HPAM溶液在多孔介质中的流变规律进 行了对比，发现HPAM溶液在多孔介质中流动时，当流速达到一定程度后，曲线 出现上翘现象，而黄原胶溶液则没有这种现象。对聚合物溶液流动阻力增加的现象，主 要有两种观点进行了解释：（1)聚合物分子的螺旋-拉伸观点[23]:聚合物分子的螺旋- 拉伸转变仅发生在某一临界应变率之上，这种转变导致了聚合物溶液在孔隙介质中流动 时拉伸粘度的增加，也可以由基于有限拉伸非线性弹性哑钤（FENE)的模型从理论上 推出这种行为[24]; (2)聚合物分子瞬时网络观点：流动阻力增加是由于聚合物分子瞬时 网络的形成产生的，就应变率变化而言，聚合物分子瞬时网络的形成是一种临界现象。

S.Rodnguez等人[25]从实验和理论上获得的证据支持了瞬时网络的观点。

对于粘弹性流体在多孔介质中既有粘性又有弹性的流变特征，Astante等人[26]用一 个无量纲因子一德博拉数（jVDs)来表征流体的粘弹效应，并给出了均勻粒子充填iVDs 与床层结构及流体参数之间的关系式。此后的一些研究者如Haas、Bmi等人[&28]也相继 给出了确定的半经验公式，对于这些公式的准确性及适用范围还有待于进一步的研 究。目前为止，绝大多数文献中都是根据德博拉数来研究聚合物溶液的粘弹效应的，这 个方法的缺点在于在计算过程中经常要假定颗粒直径均勻、呈球形堆积，所以这种方； 不适用于实际的孔隙空间。Lehrstuhl等人[29]认为聚合物溶液在多孔介质中的粘度增加：

由于聚合物分子的拉伸造成的，用阻力系数描述其在多孔介质中的阻力增加。

关于聚合物溶液流变性的本构方程及流动控制方程的研究近年来也得到了很大的 发展，本构方程或材料的流变状态方程，是在某些假设下，材料或物质的力学行为的数 学描述。适合的本构方程对于正确描述粘弹性聚合物溶液在微观孔隙空间中的流动具有 决定性意义。已有的一些聚合物溶液的流变性实验研究表明，第二法向应力差明显小于 第一法向应力差（Tanner，1970; Metzner，1969; Han C.D.，1974)。因此，上随体 Maxwell 模型和Oldroyd B模型的两应力差之比与实际情况比较符合，而上随体Maxwell模型的 第一法向应力差比OldroydB的大，更适合描述粘弹性聚合物溶液的流变性。也正是这 一原因，已有的聚合物溶液微观流动的数值模拟研究，大多采用的是上随体Maxwell模 型。尹红军等[3°]对六种常见的描述粘弹性流体的本构方程进行了研究，分析了各自的特 点和适用范围，在此基础上提出了修正的上随体Maxwell模型及其本构方程。修正上随 体Maxwell本构方程仍然具有第一法向应力差占优，第二法向应力差与第一法向应力差 的比值为0的特点。修正上随体Maxwell本构方程兼顾了流体弹性、粘性和非牛顿幂律 性，因此，该本构方程更适合于描述粘弹性聚合物溶液的流变性。

在描述聚合物溶液通过多孔介质的渗流过程中，涉及到描述多孔介质的模型。最简 单的模型是等径毛管束模型，这种模型能直观地表达多孔介质中流动的物理化学现象， 过去得到了较为广泛的应用[31]，但该模型本身过于简单，无法反映聚合物溶液在孔隙介 质中流动的弹性效应。P. E. Ren[32]提出用网络模型描述多孔介质的微观流动，网络模 型由相互联通的毛管系统组成。K. S. Sorbie[3M4] (1988)把非牛顿流体的流动应用于 网络模型，之后网络模型被进一步应用于描述非均质地层中的流动[35_36]和多相流动 [36_38]。由于网络模型中流动的复杂性，计算结果对参数的敏感性，使得这种较接近于 实际多孔介质的模型未能得到广泛的应用[38_56]。

1.2.2疏水缔合型聚合物

对两亲类聚合物的研究应追溯到二十世纪五十年代初期，1951〜1954年间Strauss 及其助手合成了一系列聚皂，用以模仿蛋白质的溶液。二十世纪五十年代末期， Kauzmann首先提出了“疏水相互作用”的概念，并用其描述生物聚合物如蛋白质的构 象转变、基质对酶的束缚、生物体中膜的形成等一系列与生命体科学相关的现象。

二十世纪六十年代后期，Strauss小组合成了一系列具有疏水性的超线团聚合物。同 一时期，疏水改性脲烷（HEUR)问世并很快用于改善水基胶乳涂料的流变性。一直到 二十世纪七十年代末期，研究人员都在试图对HEUR做进一步改进或寻找新材料代替 HEUR〇

1982年，Landoll发表了关于轻乙某纤维素（HEC)疏水改件的报道，很快合成出 一系列不同分子量、不同疏水链长和不同疏水基含量的HMHEC聚合物。很多学者： Landoll的工作视为研究疏水缔合水溶性聚合物真正的开端。Emmons等人申请了用丙；

酰胺与长链烷基N-取代丙烯酰胺共聚合用作水基涂料的专利。1984年前后，Evam和 Rose等人开始探讨将疏水缔合聚合物用于油气开采的可行性。此后，该组的研究人员对 此进行了持续而深入的研究，开发出了多种疏水单体，并发明了解决疏水缔合聚合物聚 合过程中亲水单体和疏水单体不相容的问题的新型聚合方法，即自由基胶束聚合法，简 称胶束聚合（Miccelar Copolymerization)。

为了克服胶束聚合后表面活性剂不易除去的弊端，Schulz小组1987年发表了成功 利用水溶液中进行自由基共聚合的研究结果。该小组的其他研究人员还对疏水缔合聚合 物链结构的表征及溶液性质进行了大量的研究，并用AM/CnAM类疏水缔合聚合物进行 了室内驱油实验。

除在合成、表征与溶液性能等方面有深入研究外，欧洲的科学家还在缔合聚合物的 缔合物理模型与数学模型上开始了探索。法国CNRS的I F. Joanny博士与俄国物理学 家Semenov合作，根据de Gennes著名的标度律建立了远整型缔合聚合物的物理和数学 模型。

在亚洲，中国油田化学界首先揭开了从事此项研究的序幕。根据文献报道，董丽坚 等人首先于1995年开始了对疏水缔合水溶性聚合物的研究，发现这类聚合物具有良好 的抗温、抗盐和抗剪切能力，但在盐水中使用时，需要加入稳定剂。此后，黄荣华研究 小组借鉴国外文献报道，合成了疏水缔合水溶性聚合物，但所得到的水溶性聚合物的粘 度很低，临界缔合浓度很高，因此难以满足应用要求。

1997年，罗平亚教授从油气开采工程的实际需要出发，根据高分子科学和胶体化学 的基本原理，提出了油气开采用水溶性聚合物应能在溶液中形成结构的设想，并提出了 多种可形成结构的模型，其中最重要的一种便是疏水缔合水溶性聚合物。罗平亚教授所 领导的科研小组包括理论、合成、应用及产品开发等多个小组，并争取到了中国石油天 然气集团公司的支持，现已经在合成、溶液性能研究、中试及模拟油田实际条件进行的 室内实验和矿场先导性试验等方面取得了一定成果。

在国内，除了上述研究外，章云祥博士，在国家自然基金的资助下从事疏水缔合聚 合物的研究，江明院士[57]小组利用光散射和荧光对缔合聚合物在水溶液中的聚集行为进 行了初步研究。此外，中原油田的王中华等人[58]以两亲表面活性单体2-丙烯酰胺基-2- 十二烷基乙磺酸（AMC14S)与AM和2-丙烯酰胺基二甲基丙磺酸（AMPS)进行自由 基共聚合成了疏水缔合聚合物，并发表了一些初步研究结果。

1.2.3梳形聚合物

目前国内外研制的新型高效驱油聚合物主要有两性聚合物、耐温耐盐单体共聚物、 疏水缔合聚合物、复合（或多元纟日合）型聚合物、共混聚合物和梳形聚合物六大类[58_62]。 对于某些地质情况更为复杂的油田，如胜利油田胜坨一区，地层水矿化度和温度比大j 油田高很多，淡水资源严重缺乏，聚合物驱中一直采用日本超高分子量MO-4000,用；

水配液，整体成本很高。为了降低三次采油成本，研究污水配制聚合物技术及适合污水 配制的新型聚合物意义重大，梳形聚合物以其良好的抗盐性能满足了这一需要。

梳形聚合物与缔合型聚合物分子结构类似，同属于超支化聚合物，但两者在性质上 存在显著的不同。缔合型聚合物由于在分子链上存在疏水缔合基团，其独特的粘弹特性 是通过疏水基团间的缔合作用实现的，随着浓度由低到高，缔合作用首先在分子内部发 生，达到临界缔合浓度后，分子间形成缔合，形成的超分子聚集体网络结构使溶液的粘 度大幅度上升[63];而梳形聚合物不具有这一性质，其分子间的作用仍然依靠范德华力及 氢键形成网络结构，其粘弹特性更加类似于普通的长链高分子聚合物。与聚丙烯酰胺相 比，梳形聚合物在盐水溶液中的幂律指数《值更小，假塑性更强，聚合物分子在溶液中 更加舒展，聚合物分子受盐的影响更小，不易卷曲，具有更强的抗盐能力[64]。

在国家“973”项目“大幅度提高石油采收率的基础研究”的支持下，梳形聚合物 的研究得到了很快的发展，其中代号KYPAM，由中国石油勘探开发研究院采油所研制， 北京市恒聚油田化学剂有限公司生产的梳形聚合物以其良好的性能，已在胜利油田得到 了应用，提高驱油效果显著[65]。另外，在其它地区，如大庆油田采油六厂喇嘛甸油田北 西块、采油四厂杏二区中部和华北油田蒙古林东区北部等地区开展的试验区的研究结果 显示，在相同条件下，梳形聚合物的增粘能力比聚丙烯酰胺高58%~81%，比日本 MO-4000高22%〜70%，降低聚合物用量30%以上，驱油效果比聚丙烯酰胺提高约一倍， 产油量提高了 4.6倍，采收率增加2%，KYPAM的性能优异[65_68]。

1.2.4聚合物驱油技术

聚合物驱作为一种有效的E0R方法，逐渐受到了广泛的重视，聚合物驱油技术也得 到了迅速的发展。聚合物驱油技术在全世界范围内都得到了不同程度的尝试，大部分地 区效果不明显，研究发现，部分地区聚合物驱失败的主要原因是聚合物用量过低。这一 阶段，聚合物驱油技术一般是指低分子量、低浓度的聚合物驱，在满足注入能力要求的 条件下，利用聚合物溶液的高粘度提高波及体积的特点提高采收率。姜言里[68_7°]在实验 数据的基础上对聚合物分子量、用量（mg/L.PV)、注入质量浓度等因素与聚合物驱采收 率提高值的关系做了总结说明，并对聚合物驱注入能力的影响因素和最佳注入条件的优 选做了分析；韩培慧等人[71]利用聚合物驱经济模型计算了不同用量（mg/L_PV)下的聚 合物驱经济指标，指出了油层非均质变异系数对聚合物用量的影响；隋军等人[72]研究了 大庆油田聚合物驱油的动态特征和驱油效果的影响因素，对注入速度、分子量、粘度等 因素做了说明；程杰成等人[73]研究了聚合物分子量对聚合物溶液粘度、阻力系数和残余 阻力系数、原油采收率及机械降解的影响，提出了聚合物分子量的优选方法。

近年来，随着聚合物驱机理研究的深入，弹件对驱油效率的作用引起了人们的关沣。 高分子量、高浓度的聚合物体系无疑具有更高的粘弹性，但聚合物质量浓度和分子量丨 增加势必会提高油田的注入压力，而注入压力的提高是有限度的，至少不应超过地层丨

破裂压力。R.S.Seright和Savins研究了[74]聚合物驱流度变化和聚合物分子被多孔介质吸 附和捕集所造成的流阻增大和孔隙堵塞;Dunleavy的研究[75]表明増大聚合物质量浓度会 导致注入压力升高和聚合物溶液流度的明显下降；Ferrell通过[76]在聚合物溶液中加入一 种表面活性剂（烷基聚氧乙烯醇硫酸盐）改善聚合物溶液的渗滤性能，降低了注入压力， 提高了聚合物驱的注入能力；Miller[77]采用复合低浓非离子表面活性剂使聚合物溶液的 注入能力和流度性质得到改善；Yang研究了[78]用表面活性剂减少聚合物在近井附近地 层的吸附和堵塞，提高聚合物溶液的注入能力取得了好的效果；韩冬等[79]提出通过改变 聚合物溶液的电性质，可逆控制聚合物分子的扩张程度，可实现聚合物溶液的有效注入， 地层中电环境改变，聚合物粘度恢复，达到降低注入压力、减少机械降解的目的。以上 的矿场试验及室内实验均是针对低质量浓度、低聚合物用量的聚合物驱进行的。

杨付林等[8°]通过室内实验，研究了聚合物溶液的流变性及粘弹性，以及聚合物溶液 在多孔介质中的流变性及粘弹效应；对影响聚合物溶液注入能力的因素（如聚合物的分 子量、质量浓度和注入速度等）进行了研究，给出降低聚合物溶液注入压力的措施，并 进行现场单井注入能力试验，研究高质量浓度注入对不同渗透率油层的适应性、合理的 质量浓度界限以及不同注入质量浓度井注入压力的变化情况。通过高质量浓度聚合物驱 注入方案的研究，分析了高质量浓度聚合物的注入时机、段塞大小、分子量等对驱油效 果的影响，并进行了经济评价。在先导性试验井组及2个先导性试验区块进行了高质量 浓度聚合物驱油试验，分析了高质量浓度聚合物驱的现场实际试验效果和经济效益，证 实了高质量浓度聚合物驱的可行性。研究成果丰富了聚合物驱油技术的内容，同时为聚 合物驱油机理的研究提供了新的依据。