聚合物驅油是一種有效提高采收率的方法。自2003年至今，大慶油田每年采用化學驅油技術增產的 原油產量超過1 〇〇〇萬t.王德民等[1]通過巖心驅油實驗指出聚合物溶液提高巖心微觀驅油效率的主要因 素為流體彈性；王剛等[23研究指出，對油膜類殘余油，聚合物溶液彈性可以提高其微觀驅油效率；夏惠芬 等[3]給出聚合物溶液彈性對盲端類殘余油的作用機理。這些研究結果表明，驅油效率受聚合物溶液黏彈性 影響。對聚合物溶液黏彈性的研究已有大量文獻報道[4_8]，但大都討論溶液的儲能模量和耗能模量，對描 述黏彈流體彈性相對大小的威森伯格數和第一法向應力差的研究較少。王德民[9]研究黏彈性流體的彈性 特征，闡述彈性特征對油藏工程、地面工程和采油工藝的影響，但是沒有對黏彈流體的彈性做定量描述;李 彩虹等[1°]對聚合物溶液進行大量流變性測試，應用Meter模式和Cross模式對實驗數據進行擬合處理， 但是沒有對聚合物溶液黏彈性參數進行處理;姜海峰[11]、吳時等[12]分別研究梳形聚合物溶液和帶支鏈的 部分水解聚丙烯酰胺溶液的流變性，提出利用第一法向應力差與剪切速率曲線的斜率定量表征溶液彈性 的方法，但是受測試儀器量程的限制，所涉及的第一法向應力差是在較高的剪切速率下，而實際滲流過程 中，平均剪切速率低于10 ^1.尹洪軍等[13]研究表明，威森伯格數越大，驅油效果越好。但是現有的研究成 果對于威森伯格數與聚合物溶液質量濃度和礦化度的對應關系尚不明確。筆者在聚合物溶液流變性實驗 基礎上，結合動靜態方法測得實驗數據，計算低剪切速率(剪切速率小于10廠1)下的第一法向應力差，并 給出低剪切速率下部分水解聚丙烯酰胺溶液威森伯格數的范圍。

　　

　　1表征參數表征黏彈流體黏性特性的參數有黏度、剪切應力；表征其彈性特性的參數有儲能模量、第一法向應力 差、松弛時間、威森伯格數等，各種參數的測量及計算方法見表1.由表1可以看出：對黏性特性，獨立參數 為剪切應力；對彈性特性，獨立參數為儲能模量和第一法向應力差。其中，第一法向應力差是表征流體彈性 性質的重要參數。微觀力分析中，黏彈性流體的法向應力效應是其流線改變幅度大于牛頓流體的主要原 因，討論聚合物驅的驅油效率時應以第一法向應力差衡量溶液的彈性。儲能模量可以定性表示流體彈性的 大小，但不能作為定量描述彈性的指標。威森伯格數是反映流體彈性效應常用的無因次量，常用于黏彈性流體的力學計算中，可以通過第一法向應力差計算得到。故采用第一法向應力差和威森伯格數描述聚合物 溶液的黏彈性。

　　

　　表1表征流體黏彈性參數的測量及計算方法項目黏性特性彈性特性黏度 剪切應力儲能模量彈性黏度第一法向應力差 松弛時間威森伯格數德博拉數符號V rG'//VN, AWeDe關系r=ri? YG’= rf ? 〇}7 =— ' (!)A="GDe=t方法穩態剪切動態剪切穩態剪切計算注：i■為剪切速率為角速度;G為剛性模量；t為時間。

　　

　　1.1第一法向應力差具有第一法向應力差是黏彈性流體的主要特征。非牛頓流體流動時所表現出的諸如爬桿現象、射流脹 大現象以及懸空虹吸現象等是法向應力的直接體現。第一法向應力差N:定義為流動方向與速度梯度方 向上應力的差值[14]，即N! = ru — T22 <pj(.y^yz f(l)

　　

　　式中：列為第一法向應力差因數。

　　

　　在流變儀中測定流體黏彈性的方法主要有穩態剪切和動態剪切實驗。動態剪切實驗（小振幅振蕩）是 對材料施加正弦剪切應變，而應力作為動態響應加以測定，主要是測定體系的儲能模量（G')和耗能模量 ((/);穩態剪切實驗是在比較寬的剪切速率范圍內研究聚合物溶液黏性和彈性變化，一般包括低速下不破 壞溶液結構階段和高速下溶液結構的破壞過程。主要測定體系黏度和第一法向應力差。在穩態條件下，測 定剪切速率;在動態條件下，測定角頻率。研究表明，在低剪切速率或低頻率下，近似認為二者相等。第一法 向應力差雖然是在穩態剪切流動實驗下測定的，但是在實驗過程中，低剪切速率條件下的第一法向應力差 受儀器量程限制而使得到的數據不準確，是不可取的。因此，給出一種由動態數據估計穩態數據的方法，即N, = 2G,[1 + (G7G，/)2]0'7 L=^.(2)

　　

　　1.2威森伯格數威森伯格（Weissenberg)數定義為第一法向應力差與切應力的比值[15]，即We(3)

　　

　　其中法向應力差為彈性量，切應力黏性量，因此威森伯格數We反映溶液彈性的相對大小。當；^ 很大時，流動特征主要由第一法向應力差決定，即彈性起主要作用；當％很小時，流動特征主要由黏性力 決定。這樣通過％可知黏彈性流體在流動過程中彈性和黏性所起的作用。

　　

　　2實驗及結果分析實驗用聚合物為大慶煉化公司生產的部分水解聚丙烯酰胺（HPAM),相對分子質量為1 700X104, 水解度為26%，質量分數為90. 17%.用蒸餾水和礦化度分別為3 700,508 mg/L的模擬鹽水配制聚合物 溶液?其質量濃度分別為〇。 5，1. 0，1. 5,2. 0,2. 5 g/L?用HAAKE RS150流變儀進行穩態剪切和動態剪切 實驗，實驗溫度為45 "C.

　　

　　2.1質量濃度不同質量濃度聚合物溶液的第一法向應力差、第一法向應力差因數與剪切速率的關系曲線分別見圖 1和圖2.利用式（1)和式（2)并結合穩態實驗數據，計算第一法向應力差因數。

　　

　　由圖1可知，在剪切速率小于10 S—的范圍內，隨剪切速率增加，第一法向應力差增加；隨聚合物質量 濃度增加，第一法向應力差增加。說明在相同的剪切速率條件下，聚合物溶液質量濃度越高，第一法向應力 差越大，聚合物溶液的彈性越強。這是因為聚合物的質量濃度越高，單位體積內的分子數越多，分子之間相 互吸引和相互纏結的能力增強，從而導致黏彈性增強。

　　

　　? 38 ?

　　

　　10210,10,lrlr (￡/茗-10210*i ■O"■2-5g/L% !〇-'--e- 2.0 g/L^ -B- 2.0 g/L* 1.5 g/Ll〇-2/ jT Lb g/L? 1.0 g/L>r 4 一- I.O g/L0. 5 g/Lur30. 5 g/L10°lgCy/s-1) (a)蒸餾水配制1021〇-2 10'1 10° 10' lgCy/s-1)

　　

　　(b)礦化度為508 mg/L模擬鹽水配制102圖1不同質量濃度聚合物溶液的第一法向應力差與剪切速率的關系曲線圖2不同質量濃度聚合物溶液的第一法向應力差因數與剪切速率的關系曲線由圖2可知，在剪切速率小于10廠1的范圍內，隨剪切速率增加，第一法向應力差因數降低；隨聚合物 質量濃度增加，第一法向應力差因數增加。法向應力差因數是表征黏彈性流體流動中法向應力效應的重要 參數。隨著剪切速率的增加，聚合物分子解纏速率迅速增加，而纏結速率變化較小，從而使得纏結密度變 小，空穴增加，進而使分子間相互作用力減少，促進鏈段取向，增加分子鏈蠕動，降低剪切平板產生分離的 傾向，因而使聚合物溶液的第一法向應力差因數降低。

　　

　　06 4 2—2. 5 g/L4M ? ? 2. 5 g/L一2. 0 g/L /2. 0 g/L"1. 5 g/L—A— 1. 5 g/L-一~ i. 〇 g/L yf裔—H— 1 ? 0 g/L十 〇? 5 g/L〇* 5 g/L織2m010~2 1〇-' 10° 101 1〇-2 1〇-' 10° 101 igiy/s*1)lg(i/s-〇

　　

　　(a)蒸餾水配制（b)礦化度為508 mg/L校擬鹽水配制不同質量濃度聚合物溶液的威森伯格數與剪切速率的關系曲線見圖3.由圖3可知，在剪切速率小于 10廠1的范圍內，隨剪切速率增加，威森伯格數增加，在半對數坐標圖上，二者近似呈直線關系。蒸餾水配 制的聚合物溶液的最大威森伯格數略小于5,而礦化度為508 mg/L的模擬鹽水配制的聚合物溶液的最大 威森伯格數小于3.

　　

　　圖3不同質董濃度聚合物溶液的威森伯格數與剪切速率的關系曲線2.2地層水礦化度1〇-;,第一法向應力差、威森伯格數與剪切速率的關系曲線分別見圖4和圖5.由圖4和圖5可知，在相同 的剪切速率下，地層水礦化度越高，第一法向應力差越小，威森伯格數也越小，即聚合物溶液黏彈性越小。 102  6 礦化度越高即鈉離子質量濃度越高，黏彈性越低。原因是聚丙烯酰胺為陰離子型聚合物，在去離子水 中，由于聚合物鏈上負電荷間的排斥力使得聚合物鏈伸展開來，即聚合物鏈的水力學半徑大，因而黏彈性 越高；隨著鈉離子質量濃度增高，由于電荷的屏蔽作用，聚合物內的排斥力減小，使鏈盤卷起來，這使聚合 物鏈的水力學半徑減小，纏繞度降低，從而使聚合物溶液黏彈性降低。

　　

　　2.3威森伯格數不同質量濃度、不同礦化度的聚合物溶液在不同剪切速率下的威森伯格數見表2.由表2可以看出： 在相同的剪切速率下，聚合物溶液質量濃度越高，礦化度越低，威森伯格數越大。在油層驅替條件下，礦化 度為508 mg/L模擬鹽水配制的質量濃度為1. 0 g/L的聚合物溶液的威森伯格數為1. 010;質量濃度為1.5 g/L的聚合物溶液的威森伯格數為1. 695.

　　

　　表2不同質量濃度、不同礦化度的聚合物溶液在不同剪切速率下的威森伯格數質量濃度/ (g* L-1)3. 767 s-4. 865 s_16. 283 s'18. 115 s"蒸餾水508mg ? L-1 模擬鹽水3 700 mg ■ L一1 模擬鹽水蒸餾水508mg ? L一1 模擬鹽水3 700 mg ? L-1 模擬鹽水蒸餾水508mg ? L-1 模擬鹽水3 700 mg * L-1 模擬鹽水蒸餾水508mg ? L—1 模擬鹽水3 700 mg ? L—1 模擬鹽水0. 51.5870.671-1.6280. 745-1.7550. 785-1.7620.881~1.01.9510.947一2.0840.931-2. 1251.010-2. 1970.996—1.53. 2481.5900.5273.2811.5720.6843.5661.6950.9323.6741.874-2.03.5142. 0990. 6003. 8082. 1450.8033.9452. 1580.9914. 1432.1951. 3392.54.2952.3841.1844.5472.4271.3564. 5092.5211.5884. 9572. 6381. 7683結論(1)在相同剪切速率與礦化度條件下，聚合物溶液質量濃度越大，第一法向應力差越大，威森伯格數越 大，即聚合物溶液黏彈性越強。在油層驅替條件下，礦化度為508 mg/L模擬鹽水配制的質量濃度為1.0 g/L的聚合物溶液的威森伯格數為1. 010;質量濃度為1. 5 g/L的聚合物溶液的威森伯格數為1. 695.

　　

　　(2)在相同剪切速率條件下，礦化度越高，第一法向應力差越小，威森伯格數越小，聚合物溶液黏彈性 越不明顯。在相同質量濃度下，礦化度為508 mg/L的模擬鹽水配制的聚合物溶液的威森伯格數小于蒸諧 水配制的聚合物溶液的威森伯格數，大于礦化度為3 700 mg/L的模擬鹽水配制的聚合物溶液的威森伯 格數。