人工地震采油技術，就是在不影響油水井正常生產的前提下，利用地面人工振動場所建立起來的波動場, 以頻率很低的機械波的形式傳到油層，進而對油層大面積振動處理，從而達到多口井增產、增注的一種物理 采油方法。通過人工震源在地面上作垂直振動，能使地下深處的油層產生一定幅值的受迫振動，從而有利于 降低原油黏度。Gadievl977年對一定容積的聚丙烯酰胺溶液，在不同激勵時間的流動速度進行了測量。測 試了振幅為1 mm，頻率分別為30、50、60 Hz的波場,在持續6h的聲波作用下，流速增加了 0.5-1.0倍。 表明低頻波可以改變聚合物的流變性。這項試驗是振動驅油的開創性實驗。由于油層振動,會使孔隙中的 原油黏度降低，進而改善流動性能，原油黏度的降低又使油水黏度比降低,有利于水驅油，降低產出液的含水 率,改善注水開發效果。

 

振動還降低了流體對介質的黏附力，破壞了吸附在孔隙的表面膜，增大了孔隙的有效尺寸。或弱或強的 機械振動都會導致表面膜破壞，使同樣的孔隙尺寸允許流體通過的截面積增大、通過的流體更多。巖心毛細 管在固有頻率下進行振動時，油水相滲透率比未加振動時的油水相的滲透率都有大幅度的提高，也降低了巖 心表面與原油之間的表面張力，破壞了原油和聚合物溶液的流變結構[1]。

 

聚合物溶液在流動過程中，流體的流動是通過鏈段運動帶動整個高分子運動的，鏈段在運動時受到相鄰 鏈段之間的內摩擦，有阻力約束,在宏觀上可以用黏度來描述這種作用:鏈段之間的摩擦阻力大，則流體的黏 度高;鏈段之間的摩擦阻力小，流體的黏度就低。高分子鏈段之所以能運動或擴散是因為高分子之間存在著 自由體積，鏈段在外力作用下可以從一個位置躍遷到附近的一個大小近似的自由體積內，原來的位置就可以 形成新的自由體積，可以接納另外的鏈段躍遷，這樣通過鏈段的依次運動達到整個大分子遷移的效果[2]。

 

目前國內外對于人工地震采油技術的研究比較成熟，而對振動采油過程中原油和聚合物溶液的流變行 為研究甚少，一種原因是聚合物溶液在振動條件下的流動是一種振動剪切流變行為，經典的聚合物流變學理 論不適于描述這一過程的流變學機理[3]。聚合物溶液振動剪切流變特性與穩態剪切流變特性有一定的差別，在穩態剪切條件下,溶液只受到純剪切力的作用，流體內部的壓力是恒定的，故鏈段的躍遷速度在統計學 上也是恒定的。在穩態剪切條件下，聚合物分子鏈段之間受到的外力大致相同，因此鏈段的運動是沿著外力 的方向依次蠕動，宏觀上表現為聚合物流體沿流動方向上的速度分布是一種近似拋物線的分布，是一種穩態 流動行為[4]。而在振動剪切力條件作用下，流體中會形成局部壓力,其大小是隨著時間而變化的，呈一種近 似正弦曲線的特征，在正半個周期內，隨著局部壓力的增大鏈段的運動速度隨之增大;而在負半個周期內，隨 著局部壓力的減小鏈段的運動速度也降低，因此在流動方向上形成一種速度差。速度差的存在，使得高分子 的鏈段自由體積空間會隨著時間而發生周期性的變化，鏈段獲得一個瞬間的沖量，加速了聚合物分子鏈段的 擴散運動[5_8]。另一種原因是在完全符合油層振動采油條件下，關于聚合物流體流變行為的測試儀器目前 尚未開發。

 

從大量的實驗中也發現，傳統的流變學理論不能應用于振動條件下的流動過程，主要原因是在振動條件 下改變了聚合物大分子運動狀態，從而使得聚合物在動態流動過程中的本構關系也發生了變化。因此，測量 和表征聚合物溶液振動剪切流動特性與行為，建立適用于聚合物在振動條件下的本構方程就成為了必然。 為了從機理上研究振動力場對于聚合物動態流變性能的影響，筆者自行研制了一臺動態毛細管流變儀，它是 在毛細管流變儀的基礎上平行疊加一個正弦振動場，這樣使得聚合物溶液在流經毛細管中也呈正弦振動狀 態，測量其流量和壓力，通過理論計算就得到基本接近于地層巖心驅油條件的聚合物溶液流變學參數，從而 解決了振動采油過程中原油和聚合物溶液的流變行為的測量，可以定量分析影響聚合物溶液的流變行為的 主要因素。該裝置在振幅和頻率為零的情況下也可測量聚合物的穩態流變性能19]。另外由于聚丙烯酰胺 水溶液在毛細管中剪切速率極低，因此機械降解對聚丙烯酰胺水溶液的黏度影響極小[1°]。 1實驗部分 1.1毛細管和聚丙烯酰胺選用河北永年光導纖維廠生產的玻璃毛細管，內徑d=53〇nm，長度/=411 mm。聚合物選用大慶助劑 廠生產的部分水解聚丙烯酰胺（PAM)，重均分子量取? = 1 200萬，固含量88. 7%。分別配制不同濃度的PAM 溶液:62.5、125.0、250.0、500.0、600.0 mg.L-1[in。

 

1.2動態毛細管流變儀(4)

 

(5)

 

(3)

 

自行研制的動態毛細管流變儀的結構示如圖1所示。其工 作原理是:將配制一定濃度的PAM溶液從恒壓瓶內加人，與之 連通的液位計由位差產生的壓降作用驅動PAM水溶液通過水 平放置的毛細管，毛細管在振動臺的作用下，水平地呈正弦規律 振動，測量以單位時間內從毛細管出口處的PAM溶液的重量為 質量流量，再轉換成平均體積流量（$)，以液面計的液面與毛細 管中心線之差f位差，再轉換成平均壓降（AP)。由此定義平均 動態剪切速率^為：TYR2,(1)

 

平均動態剪切應力匕為：(2)

 

RAP：~2L~式中:/?一毛細管半徑;i一毛細管長度。 平均動態表觀黏度7^為：— TwVa=Z~yw式中:/一頻率。

 

根據振動臺的結構可把這種振動看成為單質點的強迫振動,在振動一周期內所生的勢能％為[12]:We = PgATtsiiup(6)

 

式中:P。一作用在質點上的力;少一初相角。

 

在振動一■周內所產生的動能％為：Wd =ca)A2Tr(7)

 

式中:C一阻尼系數。

 

改變4或就可使毛細管在不同的振動條件下發生振動，形成一個芷弦的周期性的振動力場,這個力 場會f得流經毛細管中的PAM水溶液的表觀黏度的變化，從而引起毛細管中流量的變化。所以根據流量丨 可得^，根據壓降AP可得，最后可計算出平均動態表觀黏度永。

 

1.3振幅對平均動態表觀黏度的影響實驗條件為:溫度= 20尤，壓降A? = 608 Pa,恒定 振動頻率/=4 Hz，改變振幅測得不同濃度的PAM水 溶液的^■隨4的變化規律，見圖2。從圖可見，當水溶液 濃度較低時C為62.5 ~250. 0 mg . I/1，％隨4的增大 而增大。原因是當濃度較低的高分子水溶液中大分子鏈 的數量較少，因此大分子鏈的纏結點的數量較少。

 

根據高分子纏結理論,水溶液中的高分子鏈是采用 無規線團構象，且分子線團之間是無規纏結的。高分子 鏈之間的這種“纏結”和解纏結是共存的一對矛盾，在一 定條件下處于動態的熱平衡狀態。在振動場的作用下M 產生的作用是一種勢能3越大，作用于高分子線團的上 的勢能越大，每一個振動周期都使高分子線團完成一次 擠壓與擴張，這個作用有利于阻礙纏結的形成和增強解 纏結的能力。當由于低濃度高分子水溶液纏結點密度不 高，被解纏的纏結點少，然而振動帶來對流動不利的擾動作用相對明顯，因此^隨的增加而增加。

 

當高濃度時C為500 ~ 600 mg ?^隨4的增大而降低。原因是濃度很高時，高分子數量很多，固有體積增大，空間體積變小，髙分子之間的間距變小,很容易發生高分子鏈的纏結，纏結點的數目就多，流動 單元大，流動阻力大，因此黏度大，這時施加給水溶液一個振動場d的作用使纏結點密度很高的水溶液發生 大量解纏結。使流動阻力變小，而振動對流動不利的擾動作用相對減弱，因此I隨4的增大而降低。

 

1.4頻率對平均動態表觀黏度的影響試驗條件為：溫度T = 20丈，平均壓降AP=608 Pa,恒定振幅4 =0. 1 mm,改變頻率/,測得不同濃度的 PAM水溶液^隨/的變化規律，見圖3。從圖可見，不 同濃度水溶液的都隨/的增大而降低。原因是在振 動場的作用下/產生的作用是一種動能，每一個振動 周期,/越大，高分子鏈所獲得的動能越大，有利于高分 子鏈和鏈段的擴散和運動，可以促進分子鏈間的解纏 結，減少分子運動時的內摩擦，并增強分子鏈的取向，從而降低高分子鏈的流動阻力，所以隊就隨/的增大 而下降。

 

2結論(1)在實驗的振幅范圍內，低濃度的PAM水溶液 隨著振幅的增加其平均動態表觀黏度也增加，而高濃 度的PAM水溶液的平均動態表觀黏度隨著振幅的增加反而降低。

 

(2)在實驗的振蕩頻率范圍內，所有濃度的PAM'水溶液的平均表觀黏度都隨頻率的增加而下降。

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