聚合物溶液流变特性研究主要是探究流体流动和变形时的问题，属于流变学范畴。该研究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[1-4]。在油藏多孔介质中，存在着不规则的扩张-收缩流道，聚合物溶液在流经这些孔道时表现出复杂的流变行为[5-9]。对黏弹性流体而言，流线是否始终平行是判断是否存在拉伸流动的依据。刘合等[10]研究了梳状结构部分水解聚丙烯酰胺(S-HPAM)溶液和常规聚丙烯酰胺的拉伸黏度，发现S-HPAM在溶液中更加伸展，链的刚性更强，在拉伸流场中更容易产生取向，使S-HPAM溶液的拉伸黏度和弹性更好。祝仰文[11]在研究超高分子量三元共聚物流变特性时发现，在相同条件下，超高分子量三元共聚物溶液拉伸黏度要比常规HPAM拉伸黏度高出1倍。
利用HAAKE CaBER1拉伸流变仪系统研究了驱油用超高分子量部分水解聚丙烯酰胺(U-HPAM)溶液的拉伸流变性，同时与常规中等分子量部分水解聚丙烯酰胺(M-HPAM)进行对比，探讨了不同因素(聚合物含量、温度、多种金属离子及机械剪切作用)对U-HPAM溶液拉伸流变性的影响程度和作用机理。
U-HPAM(分子量1 800×104)，用无水乙醇沉淀提纯后再使用; M-HPAM(分子量1 200×104); FeCl2、FeCl3、NaCl、CaCl2、MgCl2为分析纯。
HAAKE CaBER1拉伸流变仪(美国); VARIMAG Multipoint多点磁力搅拌器(德国); Waring7012G剪切机(美国); 六联电动搅拌器(JJ-4C，江苏威尔); 赛多利斯分析天平(德国); 乌氏黏度计、常规玻璃仪器等。
用纯水将U-HPAM样品配制成质量分数为5 000 mg/L的聚合物母液，静置过夜，再用纯水稀释成目标溶液。
HAAKE CaBER1拉伸流变仪通过分析流体细丝的细化和断裂情况给出有关材料拉伸流变参数。
具体操作为：取少量样品(< 1 mL)置于两个圆平板之间，以设定应变速率迅速将上板与下板分开，形成一条不稳定流体细丝。拉伸停止后，细丝中点的流体承受由流体拉伸性能决定的拉伸应变速率影响，细丝直径会随时间的增加而逐渐减小。通过激光测微尺监测并记录流体细丝中点直径随时间的变化规律。以单轴拉伸模型为基础，溶液的表观拉伸黏度ηapp(mPa·s)、拉伸时间t(s)、拉丝中点直径Dmid(mm)和表面张力σ(mN/m)之间满足公式(1)[12-13]：
本研究中，采用线性模式单点拉伸测量的方法，选用直径为6.0 mm的测量平板，样品初始高度为3.0 mm，最终高度为15.0 mm。极限拉伸断裂时间为0.01 s，测试温度设定为30 ℃。
采用Waring7012G剪切机剪切U-HPAM溶液，模拟配注过程中的实际剪切作用。
实验所用长细管岩心总长为16 m，直径为0.7 mm。包括出入口在内，沿程共设5个测压点。聚合物质量浓度为1 500 mg/L。随着聚合物的注入，记录5个测压点的压力值随注入孔隙体积倍数的变化情况。
单管模型驱替采用高渗透率(1 500×10-3 μm2)和低渗透率(500×10-3 μm2)两种岩心模型。实验所用岩心模型为石英砂填充，长度为30 cm，直径为2.5 cm。驱替实验的主要步骤包括：填砂管填砂、饱和水、饱和油、水驱、聚合物驱、后续水驱。双管模型驱油实验所使用的岩心与单管模型使用的岩心相同，渗透率组合为1 500×10-3 μm2和500×10-3 μm2。所有驱替实验聚合物质量浓度均为1 500 mg/L。
在25 ℃下，不同含量U-HPAM溶液拉伸黏度与拉伸应变的关系如图 1所示(质量浓度为2 000 mg/L的M-HPAM溶液作为对照组)。
由图 1可知，不同含量下，U-HPAM溶液的拉伸黏度均随拉伸应变的增大而增大。拉伸应变越大，要求U-HPAM分子链在拉伸方向的伸展程度越大。在相同的拉伸应变下，U-HPAM含量越高，拉伸黏度越大。U-HPAM含量较低时，分子链间缠绕较少，分子容易沿拉伸方向流动，故拉伸黏度较小; 随着U-HPAM含量的增大，分子间链纠缠加剧，分子链沿拉伸方向取向阻力增大，流动性下降，宏观上表现为拉伸黏度随含量的增加而增大。与U-HPAM相比，M-HPAM在相同含量下的拉伸黏度在测试范围内远小于U-HPAM的拉伸黏度。这是由于分子量越高，聚合物分子链间的纠缠作用就越强，同时溶液中聚合物分子间疏水作用越强，形成的网状结构也就越牢固，因而弹性越强且拉伸黏度越大。
图 2为拉伸应变为5时，U-HPAM和M-HPAM溶液的拉伸黏度随其含量的变化曲线。
由图 2可知，U-HPAM溶液拉伸黏度随其含量增加而急剧增大，M-HPAM溶液拉伸黏度随其含量增加则较为平缓。超高分子量的U-HPAM在溶液中高度纠缠，分子链间纠缠点位随其含量增加的速率是M-HPAM体系的数倍。所以，U-HPAM的拉伸黏度随其含量增加而迅速上升。同时，由于U-HPAM分子链间更强的疏水作用，其形成的空间网络结构更为牢固，在拉伸流场中的拉伸黏度较大。具有更高拉伸黏度的U-HPAM体系对于多孔介质油藏中的盲端残余油有更好的驱替效果。
分别在25 ℃、45 ℃、65 ℃下测试了质量浓度为2 000 mg/L的U-HPAM溶液拉伸黏度与拉伸应变的关系，结果见图 3。
由图 3可知，在相同拉伸应变下，U-HPAM溶液的拉伸黏度随着温度升高而不断降低。温度上升，导致U-HPAM分子热运动加快，相互靠近的大分子线团容易疏离，且分子链之间的纠缠点易于松动。同时，温度的升高，增强了溶剂分子的扩散能力，分子内旋转能力增强使大分子线团更加卷曲，在拉伸应力的作用下分子链更容易分离，使得U-HPAM溶液拉伸黏度降低。值得一提的是，U-HPAM在60 ℃下的拉伸黏度仍大于室温下M-HPAM的黏度。这表明，U-HPAM在高温油藏中仍能够保持较高的拉伸黏度，可以有效地减小水油流度比，从而提高宏观波及系数。
在25 ℃下，研究了Na+含量对质量浓度为2 000 mg/L的U-HPAM溶液拉伸黏度的影响，结果见图 4。图 4中将质量浓度为5 000 mg/L的Na+作为对照组。
从图 4可看出，在相同拉伸应变下，随着Na+含量的升高，U-HPAM的拉伸黏度呈现明显降低趋势。这是由于Na+的加入会导致U-HPAM分子链卷曲，拉伸时分子线团间更容易分离，使得拉伸黏度下降。与M-HPAM相比，当Na+质量浓度为5 000 mg/L时，U-HPAM溶液拉伸黏度远大于M-HPAM溶液; 而在Na+质量浓度为20 000 mg/L时，两者的拉伸黏度相当，表明U-HPAM具有较强的耐Na+性能。
在25 ℃下，研究了Ca2+、Mg2+对质量浓度为2 000 mg/L的U-HPAM拉伸黏度的影响，结果见图 5(质量浓度为2 000 mg/L的M-HPAM(含有质量浓度为500 mg/L的Ca2+或Mg2+)为对照组)。
从图 5可知：在相同拉伸应变下，Ca2+和Mg2+对U-HPAM拉伸流变性能的影响规律一致; 随着Ca2+和Mg2+含量增大，U-HPAM溶液的拉伸黏度不断降低。Ca2+、Mg2+所带的正电荷中和了U-HPAM表面带负电基团，分子链间的斥力减弱，不断变成自然卷曲状，分子线团密度增加，溶解性变差。一般来说，自然卷曲形状的分子，流体力学等价球的体积最小，与溶液接触面积也较小，因此分子间的内摩擦力降低，拉伸黏度减小[14]。与Na+影响相似，U-HPAM比M-HPAM具有更强的耐Ca2+、Mg2+能力。
25 ℃下，研究了Fe3+和Fe2+对质量浓度为2 000 mg/L的U-HPAM溶液拉伸黏度的影响，结果见图 6(质量浓度为2 000 mg/L的M-HPAM溶液(含有一定含量的Fe3+或Fe2+)作为对照组)。
由图 6可知，在相同拉伸应变下，随着Fe3+含量增大，U-HPAM的拉伸应变和拉伸黏度不断降低。Fe3+对U-HPAM拉伸黏度的影响机理与Ca2+、Mg2+相似。此外，Fe3+可以与HPAM发生交联反应，形成不溶的体型聚合物胶团，也会使溶液黏度急剧下降[15]。鲍敬伟研究指出，二价金属离子对HPAM溶液黏度的影响程度大概是一价金属离子的8~25倍，Fe3+对HPAM溶液黏度的影响程度是一价金属离子的20~37倍[16]。因此，相对于Ca2+、Mg2+，较低含量的Fe3+就能明显降低U-HPAM溶液的拉伸黏度。
随着Fe2+含量的升高，U-HPAM溶液的拉伸黏度迅速降低。这是由于Fe2+的存在使聚合物分子链发生断裂，导致聚合物分子量降低[17]，使聚合物分子间纠缠机会减小，纠缠程度减弱，分子变得易于流动，在拉伸时容易被取向排列，同时分子间作用力也会减小，宏观上表现为U-HPAM溶液的拉伸黏度显著降低。对比M-HPAM可以发现，无论分子量高低，Fe2+都可以使HPAM分子发生断裂，降低其网络结构强度。
通过研究不同金属离子对U-HPAM溶液拉伸黏度的影响可以发现，U-HPAM具有良好的耐盐性。相较于M-HPAM，在相同甚至更高盐含量下，U-HPAM溶液体系具有更高的拉伸黏度，这种优异的耐盐性有助于提升U-HPAM溶液在高矿化度油藏的驱油效果。
将配制好的聚合物溶液，分别以不同转速(3 500 r/min、7 000 r/min、11 500 r/min、17 000 r/min、22 000 r/min)剪切20 s后，静置60 min备用，制得不同剪切强度下的U-HPAM样品，并分析了剪切强度对U-HPAM拉伸流变的影响，结果见图 7(22 000 r/min剪切20 s、质量浓度为2 000 mg/L的M-HPAM样品作为对照组)。
由图 7可知，在相同拉伸速率下，随着剪切强度的增加，U-HPAM溶液拉伸黏度不断降低。这是因为，当剪切作用的机械能传递到聚合物分子链时，会在聚合物分子链内部产生内应力，当该应力能足以克服C-C键断裂的活化能时，聚合物分子链发生断裂，导致分子量下降，从而导致聚合物分子间的链缠结机会减小，缠结程度减弱，在拉伸时容易被取向排列，流动性增强，宏观上表现为拉伸黏度降低，分子发生降解。对比M-HPAM可以发现，22 000 r/min的剪切速率可以造成任意分子量的HPAM降解。值得注意的是，除了22 000 r/min的剪切速率之外，其余剪切速率均未对U-HPAM溶液的拉伸黏度造成大幅降低，这表明U-HPAM在注入地层过程中，经过多孔介质多次剪切后，仍能保持一定的拉伸黏度，从而有效地提高宏观波及系数。
相同质量浓度(1 500 mg/L)的U-HPAM和M-HPAM聚合物溶液在长细管各测量点的压力随注入体积的变化关系如图 8所示。
从图 8可知，随着U-HPAM注入量的增加，入口处和P1点的压力迅速上升，且压力值较大，在突破岩心后压力迅速下降。而对于M-HPAM体系，随着注入量的增加，各点的压力均顺次增加，突破后再逐步下降。U-HPAM由于其高分子量，形成网络结构纠缠程度高，剪切黏度及拉伸黏度都比较大，所以在岩心中的运移相比于M-HPAM要困难。根据长细管模型中的渗流实验数据，可以推断出U-HPAM具有更强的调剖能力，适合非均质性强的地层。
单管模型驱替实验结果及双管模型实验驱替结果分别见表 1和表 2。驱替实验结果表明，U-HPAM和M-HPAM的驱油机理存在明显差异，这是由分子量不同，带来的聚合物分子的存在状态及相互作用不同所导致的。U-HPAM由于其超高分子量，其分子链间的缠结更密集，加上更强的疏水作用，其形成的空间网络结构更为牢固，在拉伸流场中的拉伸黏度较大，对于盲端残余油有更好的驱替效果。但其注入性也因为黏度较大而受到了一定的影响(见图 8)。单管模型驱替实验也证实了U-HPAM提高采收率的效果略低于M-HPAM。但是，在代表非均质地层的双管模型驱替实验中，U-HPAM的调剖能力得到了充分的发挥，加上其对盲端残余油较强的驱动能力，U-HPAM溶液在双管模型中总的采收率要高于M-HPAM的总采收率。渗流实验及驱替实验表明，U-HPAM更适用于非均质性强的地层。
(1) 增加U-HPAM含量会增大分子链间纠缠程度，拉伸黏度也相应变大。U-HPAM相较于M-HPAM，其分子链间纠缠程度更复杂，同时分子间疏水作用更强。所以，U-HPAM的拉伸黏度要远高于M-HPAM的拉伸黏度。
(2) Ca2+、Mg2+和Fe3+会削弱U-HPAM分子链的聚电解质效应，导致分子链卷曲，分子链间缠结程度减弱，拉伸黏度降低。但U-HPAM由于其超高的分子量，分子链卷曲之后，分子链间仍能有一定程度的纠缠，所以受Ca2+、Mg2+和Fe3+的影响要远小于M-HPAM。
(3) Fe2+和机械剪切会使聚合物分子链发生断裂，分子链纠缠减弱，拉伸黏度降低。所以Fe2+和机械剪切对U-HPAM和M-HPAM的影响类似，当Fe2+的质量浓度达到0.5 mg/L或经过22 000 r/min剪切后，U-HPAM和M-HPAM均成为了分子链较短的小分子，所以，二者的拉伸流变性质基本相同。
(4) 长细管渗流和岩心驱替实验表明，U-HPAM具有较强的调剖能力，在强非均质油藏中更能发挥其提高采收率的作用。
2021, Vol. 50 Issue (4): 86-91,108
2021, Vol. 50 Issue (4): 86-91,108