聚合物溶液流变性

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1、聚合物溶液的流变模式聚合物流变性是指其在流动过程中发生变形的性质，主要体现在有外力场作用时，溶液粘度与流速或压差之间的变化关系。高分子的形态变化导致了聚合物溶液宏观性质的变化。聚合物溶液是非牛顿流体，其流动行为可用Ostwald-Dewael幂律方程[56]来描述：根据流体力学对液体流型的分类，驱油用的部分水解聚丙烯酰胺溶液属于假塑性流型，即表观粘度呈现剪切稀化现象。在低剪切速率下，溶液的流变曲线斜率n=1，符合牛顿流动定律，称为第一牛顿流动区，该区的粘度通常称为零切粘度η0，即γ&→0的粘度。随着剪切速率的

2、增大，流动曲线的斜率n<1，称假塑性区，该区的粘度为表观粘度ηa；剪切速率的增大，表观粘度ηa值变小，其表观粘度与剪切速率呈幂指数关系。在假塑性区，剪切速率与表观粘度的关系可用Ostwald-Dewael幂律模型来描述。HPAM水溶液的完整的流变曲线如图2-1所示。流变曲线包括牛顿段、假塑段、极限牛顿段、粘弹段和降解段。粘度随剪切速率的变化与高分子在溶液中的形态结构有关。在很小的剪切速率下，大分子构象分布不改变，流动对结构没有影响，聚合物溶液的粘度不随剪切速率的变化而变化，此即牛顿段；当剪切速率较大时，在切应

3、力的作用下高分子构象发生了变化，长链分子偏离平衡态构象，而沿流动方向取向，使聚合物解缠和分子链彼此分离，从而降低了相互运动阻力，这时表观粘度随剪切速率的增加而降低。当剪切速率增加到一定程度以后，大分子取向达到极限状态，取向程度不再随剪切速率而变化，聚合物溶液遵守牛顿流动定律，表观粘度又成为常数，此即所谓的极限牛顿段。当剪切速率再增加时，主链的相邻键偏离了正常的键角，从而产生了弹性恢复力，而表现出粘弹性，使表观粘度增加。当剪切速率增加到足以使高分子链断裂时，发生能了聚合物降解，使聚合物粘度降低。另外，随着剪切速

4、率的增加，ηa下降，开始时ηa下降很快，随后变得缓慢，逐渐趋于平缓，进一步说明了HPAM属于假塑性流体。Mooney方程可解释这一现象，体系的表观粘度ηa与粒子的内相体积Vi、堆积系数φ和形态常数ke有如下关系：在剪切力作用下，粒子发生形变，ke变小，φ变大，导致ηa变小。在力的作用下粒子保持稳定的形状时，ηa基本不变。另外，由于HPAM分子链上的-COO-基团会与溶液分子产生溶剂化作用以及氢键作用，在HPAM无规则线团与介质水的两相界面上形成水化层。剪切速率增大时，这些水化层受到破坏，从而HPAM无规则线团

5、的相对运动变得比较容易，表现出aη下降；剪切速率增大到一定程度后，水化层完全被破坏，ηa不再继续降低。由以上论述可知，聚合物溶液在地层中的剪切速率γ是十分重要的，知道了γ的值，可估算出聚合物溶液在油层中的工作粘度，下面介绍几中常见的计算剪切速率的方法：2.2影响聚合物溶液流变特性的因素聚合物溶液通常具有高粘性，这是它的主要特征之一。产生高粘性的原因有三：1）聚合物的分子所占体积较大，阻碍了介质的自由移动；2）大分子的溶剂化作用，束缚了大量的“自由”液体。大分子链在溶液中呈规则松散线团状存在，线团内充满溶剂，大

6、分子又具有很厚的溶剂化膜，致使水动力学体积庞大，流动阻力大；3）大分子间的相互作用。当聚合物溶液达到一定质量浓度后，由于分子链很长及分子间的作用力，使分子间发生缔合或相互缠结形成一定的拟网状结构，因而溶液的流动阻力增大。影响以上三个因素的参数，如质量浓度、含盐质量浓度、聚合物类型、相对分子质量等，均会导致溶液的粘度变化，现分别讨论如下。（1）聚合物质量浓度对聚合物溶液流变特性的影响随着聚合物溶液质量浓度增加，表观粘度ηa增大，HPAM溶液的非牛顿性越强。HPAM溶液的质量浓度越大，τ越大，油-HPAM溶液界面

7、作用力越大，越有利于驱动水驱后残余油；（2）相对分子质量对聚合物溶液流变特性的影响由于在HPAM长链大分子上有大量强极性的—CONH2和—COO-Na+侧基，具有很强的氢键作用，在大分子间形成物理交联点，使之具有空间网状结构。随着聚合物相对分子质量的增大，大分子链越长，分子链越容易缠结，网状结构就不容易被破坏，所以ηa随相对分子质量的增大而增加。另外，随着相对分子质量增大，ke增加，而n降小，这是因为ηa随相对分子质量的增大而增加，随着ηa增大，ke增加，而n降小，符合非牛顿流体的规律。因此，在注入能力允许的

8、范围内，聚合物相对分子质量越大对驱油效率越有利。因为分子质量越小，HPAM溶液的ηa小，则使原油的粘度与HPAM溶液的粘度比值变大，即流度比（M）变大，容易发生粘性指进现象，使驱油效率下降。反之，相对分子质量越大，τ越大，油-HPAM溶液界面作用力越大，越有利于驱动水驱后残余油；（3）矿化度对聚合物溶液流变特性的影响表观粘度ηa随着矿化度的增大而降低，原因是在HPAM水溶液中，-COO-Na+基团上