聚合物溶液流變性的研究屬于流變學的范疇，主要研究流體流動和變形的問題，通 過建立應力分量和應變分量之間的關系，描述材料對某一給定形變的響應。在均勻不可 壓縮流體的穩態剪切流中，應力由形變歷史決定，只需加上一個附加各向同性壓力U51 利用這一性質，人們進一步證明，應力張量可以用二個獨立函數表示，即切應力、第-

法向應力差和第二法向法向應力差，其中法向應力函數描述了流體的彈性。大量研究表 明，具有法向應力差的流體一定不是牛頓流體，表現出不尋常的流動行為[15_2°]。

針對三次采油及不同地區地層性質的需要，具有不同結構及性能的聚合物被開發并 應用于化學驅領域，聚丙烯酰胺類聚合物的應用是最為廣泛的，所以關于聚丙烯酰胺溶 液的流變性研究發展迅速?，F有的手段和設備已經可以直接測量和描述聚合物溶液的流 變特性和粘彈特性。

隨著聚合物溶液粘彈性對驅油效率影響規律研究的深入，聚合物溶液的粘彈特性逐 漸受到了廣泛的重視。利用實驗手段測定聚合物溶液的視粘度、儲能模量、損耗模量、 松弛時間以及第一法向應力差等參數，用以比較不同聚合物溶液的粘性及彈性的大小。 通常用的較為普遍的表示聚合物溶液彈性大小的量為儲能模量及松她時間，但是，研究 發現，對于聚丙烯酰胺溶液和黃原膠溶液來說，其儲能模量和松弛時間均存在且差別不 大，而在實際驅油過程中這兩種溶液所起到的作用及流動特性差別很大，所以關于準確 表征聚合物溶液彈性性能的參數，尤其是決定驅油效率的彈性性能的參數，一直沒有統 一的認識。

在多孔介質中，聚合物溶液的流變性要復雜得多，除了受溶液自身性質的影響外， 還要受到多孔介質性質的影響。孔隙介質為不規則的三維孔隙網絡結構，其流動橫截面 積不斷發生變化，從而產生在流動方向上的流速變化。另外，聚合物溶液與多孔介質的 相互作用，如吸附、滯留、降解以及不可進入孔隙體積等都使聚合物溶液在多孔介質中 的流變性更加復雜。

許多學者通過HPAM體系和黃原膠體系的對比實驗研究粘彈性流體在多孔介質中 的流動規律，張宏方等人[21?]對黃原膠溶液和HPAM溶液在多孔介質中的流變規律進 行了對比，發現HPAM溶液在多孔介質中流動時，當流速達到一定程度后，曲線 出現上翹現象，而黃原膠溶液則沒有這種現象。對聚合物溶液流動阻力增加的現象，主 要有兩種觀點進行了解釋：（1)聚合物分子的螺旋-拉伸觀點[23]:聚合物分子的螺旋- 拉伸轉變僅發生在某一臨界應變率之上，這種轉變導致了聚合物溶液在孔隙介質中流動 時拉伸粘度的增加，也可以由基于有限拉伸非線性彈性啞鈐（FENE)的模型從理論上 推出這種行為[24]; (2)聚合物分子瞬時網絡觀點：流動阻力增加是由于聚合物分子瞬時 網絡的形成產生的，就應變率變化而言，聚合物分子瞬時網絡的形成是一種臨界現象。

S.Rodnguez等人[25]從實驗和理論上獲得的證據支持了瞬時網絡的觀點。

對于粘彈性流體在多孔介質中既有粘性又有彈性的流變特征，Astante等人[26]用一 個無量綱因子一德博拉數（jVDs)來表征流體的粘彈效應，并給出了均勻粒子充填iVDs 與床層結構及流體參數之間的關系式。此后的一些研究者如Haas、Bmi等人[&28]也相繼 給出了確定的半經驗公式，對于這些公式的準確性及適用范圍還有待于進一步的研 究。目前為止，絕大多數文獻中都是根據德博拉數來研究聚合物溶液的粘彈效應的，這 個方法的缺點在于在計算過程中經常要假定顆粒直徑均勻、呈球形堆積，所以這種方； 不適用于實際的孔隙空間。Lehrstuhl等人[29]認為聚合物溶液在多孔介質中的粘度增加：

由于聚合物分子的拉伸造成的，用阻力系數描述其在多孔介質中的阻力增加。

關于聚合物溶液流變性的本構方程及流動控制方程的研究近年來也得到了很大的 發展，本構方程或材料的流變狀態方程，是在某些假設下，材料或物質的力學行為的數 學描述。適合的本構方程對于正確描述粘彈性聚合物溶液在微觀孔隙空間中的流動具有 決定性意義。已有的一些聚合物溶液的流變性實驗研究表明，第二法向應力差明顯小于 第一法向應力差（Tanner，1970; Metzner，1969; Han C.D.，1974)。因此，上隨體 Maxwell 模型和Oldroyd B模型的兩應力差之比與實際情況比較符合，而上隨體Maxwell模型的 第一法向應力差比OldroydB的大，更適合描述粘彈性聚合物溶液的流變性。也正是這 一原因，已有的聚合物溶液微觀流動的數值模擬研究，大多采用的是上隨體Maxwell模 型。尹紅軍等[3°]對六種常見的描述粘彈性流體的本構方程進行了研究，分析了各自的特 點和適用范圍，在此基礎上提出了修正的上隨體Maxwell模型及其本構方程。修正上隨 體Maxwell本構方程仍然具有第一法向應力差占優，第二法向應力差與第一法向應力差 的比值為0的特點。修正上隨體Maxwell本構方程兼顧了流體彈性、粘性和非牛頓冪律 性，因此，該本構方程更適合于描述粘彈性聚合物溶液的流變性。

在描述聚合物溶液通過多孔介質的滲流過程中，涉及到描述多孔介質的模型。最簡 單的模型是等徑毛管束模型，這種模型能直觀地表達多孔介質中流動的物理化學現象， 過去得到了較為廣泛的應用[31]，但該模型本身過于簡單，無法反映聚合物溶液在孔隙介 質中流動的彈性效應。P. E. Ren[32]提出用網絡模型描述多孔介質的微觀流動，網絡模 型由相互聯通的毛管系統組成。K. S. Sorbie[3M4] (1988)把非牛頓流體的流動應用于 網絡模型，之后網絡模型被進一步應用于描述非均質地層中的流動[35_36]和多相流動 [36_38]。由于網絡模型中流動的復雜性，計算結果對參數的敏感性，使得這種較接近于 實際多孔介質的模型未能得到廣泛的應用[38_56]。

1.2.2疏水締合型聚合物

對兩親類聚合物的研究應追溯到二十世紀五十年代初期，1951?1954年間Strauss 及其助手合成了一系列聚皂，用以模仿蛋白質的溶液。二十世紀五十年代末期， 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質的構 象轉變、基質對酶的束縛、生物體中膜的形成等一系列與生命體科學相關的現象。

二十世紀六十年代后期，Strauss小組合成了一系列具有疏水性的超線團聚合物。同 一時期，疏水改性脲烷（HEUR)問世并很快用于改善水基膠乳涂料的流變性。一直到 二十世紀七十年代末期，研究人員都在試圖對HEUR做進一步改進或尋找新材料代替 HEUR〇

1982年，Landoll發表了關于輕乙某纖維素（HEC)疏水改件的報道，很快合成出 一系列不同分子量、不同疏水鏈長和不同疏水基含量的HMHEC聚合物。很多學者： Landoll的工作視為研究疏水締合水溶性聚合物真正的開端。Emmons等人申請了用丙；

酰胺與長鏈烷基N-取代丙烯酰胺共聚合用作水基涂料的專利。1984年前后，Evam和 Rose等人開始探討將疏水締合聚合物用于油氣開采的可行性。此后，該組的研究人員對 此進行了持續而深入的研究，開發出了多種疏水單體，并發明了解決疏水締合聚合物聚 合過程中親水單體和疏水單體不相容的問題的新型聚合方法，即自由基膠束聚合法，簡 稱膠束聚合（Miccelar Copolymerization)。

為了克服膠束聚合后表面活性劑不易除去的弊端，Schulz小組1987年發表了成功 利用水溶液中進行自由基共聚合的研究結果。該小組的其他研究人員還對疏水締合聚合 物鏈結構的表征及溶液性質進行了大量的研究，并用AM/CnAM類疏水締合聚合物進行 了室內驅油實驗。

除在合成、表征與溶液性能等方面有深入研究外，歐洲的科學家還在締合聚合物的 締合物理模型與數學模型上開始了探索。法國CNRS的I F. Joanny博士與俄國物理學 家Semenov合作，根據de Gennes著名的標度律建立了遠整型締合聚合物的物理和數學 模型。

在亞洲，中國油田化學界首先揭開了從事此項研究的序幕。根據文獻報道，董麗堅 等人首先于1995年開始了對疏水締合水溶性聚合物的研究，發現這類聚合物具有良好 的抗溫、抗鹽和抗剪切能力，但在鹽水中使用時，需要加入穩定劑。此后，黃榮華研究 小組借鑒國外文獻報道，合成了疏水締合水溶性聚合物，但所得到的水溶性聚合物的粘 度很低，臨界締合濃度很高，因此難以滿足應用要求。

1997年，羅平亞教授從油氣開采工程的實際需要出發，根據高分子科學和膠體化學 的基本原理，提出了油氣開采用水溶性聚合物應能在溶液中形成結構的設想，并提出了 多種可形成結構的模型，其中最重要的一種便是疏水締合水溶性聚合物。羅平亞教授所 領導的科研小組包括理論、合成、應用及產品開發等多個小組，并爭取到了中國石油天 然氣集團公司的支持，現已經在合成、溶液性能研究、中試及模擬油田實際條件進行的 室內實驗和礦場先導性試驗等方面取得了一定成果。

在國內，除了上述研究外，章云祥博士，在國家自然基金的資助下從事疏水締合聚 合物的研究，江明院士[57]小組利用光散射和熒光對締合聚合物在水溶液中的聚集行為進 行了初步研究。此外，中原油田的王中華等人[58]以兩親表面活性單體2-丙烯酰胺基-2- 十二烷基乙磺酸（AMC14S)與AM和2-丙烯酰胺基二甲基丙磺酸（AMPS)進行自由 基共聚合成了疏水締合聚合物，并發表了一些初步研究結果。

1.2.3梳形聚合物

目前國內外研制的新型高效驅油聚合物主要有兩性聚合物、耐溫耐鹽單體共聚物、 疏水締合聚合物、復合（或多元纟日合）型聚合物、共混聚合物和梳形聚合物六大類[58_62]。 對于某些地質情況更為復雜的油田，如勝利油田勝坨一區，地層水礦化度和溫度比大j 油田高很多，淡水資源嚴重缺乏，聚合物驅中一直采用日本超高分子量MO-4000,用；

水配液，整體成本很高。為了降低三次采油成本，研究污水配制聚合物技術及適合污水 配制的新型聚合物意義重大，梳形聚合物以其良好的抗鹽性能滿足了這一需要。

梳形聚合物與締合型聚合物分子結構類似，同屬于超支化聚合物，但兩者在性質上 存在顯著的不同。締合型聚合物由于在分子鏈上存在疏水締合基團，其獨特的粘彈特性 是通過疏水基團間的締合作用實現的，隨著濃度由低到高，締合作用首先在分子內部發 生，達到臨界締合濃度后，分子間形成締合，形成的超分子聚集體網絡結構使溶液的粘 度大幅度上升[63];而梳形聚合物不具有這一性質，其分子間的作用仍然依靠范德華力及 氫鍵形成網絡結構，其粘彈特性更加類似于普通的長鏈高分子聚合物。與聚丙烯酰胺相 比，梳形聚合物在鹽水溶液中的冪律指數《值更小，假塑性更強，聚合物分子在溶液中 更加舒展，聚合物分子受鹽的影響更小，不易卷曲，具有更強的抗鹽能力[64]。

在國家“973”項目“大幅度提高石油采收率的基礎研究”的支持下，梳形聚合物 的研究得到了很快的發展，其中代號KYPAM，由中國石油勘探開發研究院采油所研制， 北京市恒聚油田化學劑有限公司生產的梳形聚合物以其良好的性能，已在勝利油田得到 了應用，提高驅油效果顯著[65]。另外，在其它地區，如大慶油田采油六廠喇嘛甸油田北 西塊、采油四廠杏二區中部和華北油田蒙古林東區北部等地區開展的試驗區的研究結果 顯示，在相同條件下，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，驅油效果比聚丙烯酰胺提高約一倍， 產油量提高了 4.6倍，采收率增加2%，KYPAM的性能優異[65_68]。

1.2.4聚合物驅油技術

聚合物驅作為一種有效的E0R方法，逐漸受到了廣泛的重視，聚合物驅油技術也得 到了迅速的發展。聚合物驅油技術在全世界范圍內都得到了不同程度的嘗試，大部分地 區效果不明顯，研究發現，部分地區聚合物驅失敗的主要原因是聚合物用量過低。這一 階段，聚合物驅油技術一般是指低分子量、低濃度的聚合物驅，在滿足注入能力要求的 條件下，利用聚合物溶液的高粘度提高波及體積的特點提高采收率。姜言里[68_7°]在實驗 數據的基礎上對聚合物分子量、用量（mg/L.PV)、注入質量濃度等因素與聚合物驅采收 率提高值的關系做了總結說明，并對聚合物驅注入能力的影響因素和最佳注入條件的優 選做了分析；韓培慧等人[71]利用聚合物驅經濟模型計算了不同用量（mg/L_PV)下的聚 合物驅經濟指標，指出了油層非均質變異系數對聚合物用量的影響；隋軍等人[72]研究了 大慶油田聚合物驅油的動態特征和驅油效果的影響因素，對注入速度、分子量、粘度等 因素做了說明；程杰成等人[73]研究了聚合物分子量對聚合物溶液粘度、阻力系數和殘余 阻力系數、原油采收率及機械降解的影響，提出了聚合物分子量的優選方法。

近年來，隨著聚合物驅機理研究的深入，彈件對驅油效率的作用引起了人們的關灃。 高分子量、高濃度的聚合物體系無疑具有更高的粘彈性，但聚合物質量濃度和分子量丨 增加勢必會提高油田的注入壓力，而注入壓力的提高是有限度的，至少不應超過地層丨

破裂壓力。R.S.Seright和Savins研究了[74]聚合物驅流度變化和聚合物分子被多孔介質吸 附和捕集所造成的流阻增大和孔隙堵塞;Dunleavy的研究[75]表明増大聚合物質量濃度會 導致注入壓力升高和聚合物溶液流度的明顯下降；Ferrell通過[76]在聚合物溶液中加入一 種表面活性劑（烷基聚氧乙烯醇硫酸鹽）改善聚合物溶液的滲濾性能，降低了注入壓力， 提高了聚合物驅的注入能力；Miller[77]采用復合低濃非離子表面活性劑使聚合物溶液的 注入能力和流度性質得到改善；Yang研究了[78]用表面活性劑減少聚合物在近井附近地 層的吸附和堵塞，提高聚合物溶液的注入能力取得了好的效果；韓冬等[79]提出通過改變 聚合物溶液的電性質，可逆控制聚合物分子的擴張程度，可實現聚合物溶液的有效注入， 地層中電環境改變，聚合物粘度恢復，達到降低注入壓力、減少機械降解的目的。以上 的礦場試驗及室內實驗均是針對低質量濃度、低聚合物用量的聚合物驅進行的。

楊付林等[8°]通過室內實驗，研究了聚合物溶液的流變性及粘彈性，以及聚合物溶液 在多孔介質中的流變性及粘彈效應；對影響聚合物溶液注入能力的因素（如聚合物的分 子量、質量濃度和注入速度等）進行了研究，給出降低聚合物溶液注入壓力的措施，并 進行現場單井注入能力試驗，研究高質量濃度注入對不同滲透率油層的適應性、合理的 質量濃度界限以及不同注入質量濃度井注入壓力的變化情況。通過高質量濃度聚合物驅 注入方案的研究，分析了高質量濃度聚合物的注入時機、段塞大小、分子量等對驅油效 果的影響，并進行了經濟評價。在先導性試驗井組及2個先導性試驗區塊進行了高質量 濃度聚合物驅油試驗，分析了高質量濃度聚合物驅的現場實際試驗效果和經濟效益，證 實了高質量濃度聚合物驅的可行性。研究成果豐富了聚合物驅油技術的內容，同時為聚 合物驅油機理的研究提供了新的依據。