聚合物溶液流變性

1、聚合物溶液的流變模式聚合物流變性是指其在流動過程中發(fā)生變形的性質(zhì)，主要體現(xiàn)在有外力場作用時，溶液粘度與流速或壓差之間的變化關(guān)系。高分子的形態(tài)變化導(dǎo)致了聚合物溶液宏觀性質(zhì)的變化。聚合物溶液是非牛頓流體，其流動行為可用OstwaldDewael冪律方程[56]來描述：根據(jù)流體力學(xué)對液體流型的分類，驅(qū)油用的部分水解聚丙烯酰胺溶液屬于假塑性流型，即表觀粘度呈現(xiàn)剪切稀化現(xiàn)象。在低剪切速率下，溶液的流變曲線斜率n=1，符合牛頓流動定律，稱為第一牛頓

2、流動區(qū)，該區(qū)的粘度通常稱為零切粘度η0，即γ&→0的粘度。隨著剪切速率的增大，流動曲線的斜率n1，稱假塑性區(qū)，該區(qū)的粘度為表觀粘度ηa；剪切速率的增大，表觀粘度ηa值變小，其表觀粘度與剪切速率呈冪指數(shù)關(guān)系。在假塑性區(qū)，剪切速率與表觀粘度的關(guān)系可用OstwaldDewael冪律模型來描述。HPAM水溶液的完整的流變曲線如圖21所示。流變曲線包括牛頓段、假塑段、極限牛頓段、粘彈段和降解段。粘度隨剪切速率的變化與高分子在溶液中的形態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān)。

3、在很小的剪切速率下，大分子構(gòu)象分布不改變，流動對結(jié)構(gòu)沒有影響，聚合物溶液的粘度不隨剪切速率的變化而變化，此即牛頓段；當(dāng)剪切速率較大時，在切應(yīng)力的作用下高分子構(gòu)象發(fā)生了變化，長鏈分子偏離平衡態(tài)構(gòu)象，而沿流動方向取向，使聚合物解纏和分子鏈彼此分離，從而降低了相互運(yùn)動阻力，這時表觀粘度隨剪切速率的增加而降低。當(dāng)剪切速率增加到一定程度以后，大分子取向達(dá)到極限狀態(tài)，取向程度不再隨剪切速率而變化，聚合物溶液遵守牛頓流動定律，表觀粘度又成為常數(shù)，此即

4、所謂的極限牛頓段。當(dāng)剪切速率再增加時，主鏈的相鄰鍵偏離了正常的鍵角，從而產(chǎn)生了彈性恢復(fù)力，而表現(xiàn)出粘彈性，使表觀粘度增加。當(dāng)剪切速率增加到足以使高分子鏈斷裂時，發(fā)生能了聚合物降解，使聚合物粘度降低。另外，隨著剪切速率的增加，ηa下降，開始時ηa下降很快，隨后變得緩慢，逐漸趨于平緩，進(jìn)一步說明了HPAM屬于假塑性流體。Mooney方程可解釋這一現(xiàn)象，體系的表觀粘度ηa與粒子的內(nèi)相體積Vi、堆積系數(shù)φ和形態(tài)常數(shù)ke有如下關(guān)系：油；（2）相對

5、分子質(zhì)量對聚合物溶液流變特性的影響由于在HPAM長鏈大分子上有大量強(qiáng)極性的—CONH2和—COONa側(cè)基，具有很強(qiáng)的氫鍵作用，在大分子間形成物理交聯(lián)點(diǎn)，使之具有空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。隨著聚合物相對分子質(zhì)量的增大，大分子鏈越長，分子鏈越容易纏結(jié)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)就不容易被破壞，所以ηa隨相對分子質(zhì)量的增大而增加。另外，隨著相對分子質(zhì)量增大，ke增加，而n降小，這是因為ηa隨相對分子質(zhì)量的增大而增加，隨著ηa增大，ke增加，而n降小，符合非牛頓流體的規(guī)律。

6、因此，在注入能力允許的范圍內(nèi)，聚合物相對分子質(zhì)量越大對驅(qū)油效率越有利。因為分子質(zhì)量越小，HPAM溶液的ηa小，則使原油的粘度與HPAM溶液的粘度比值變大，即流度比（M）變大，容易發(fā)生粘性指進(jìn)現(xiàn)象，使驅(qū)油效率下降。反之，相對分子質(zhì)量越大，τ越大，油HPAM溶液界面作用力越大，越有利于驅(qū)動水驅(qū)后殘余油；（3）礦化度對聚合物溶液流變特性的影響表觀粘度ηa隨著礦化度的增大而降低，原因是在HPAM水溶液中，COONa基團(tuán)上的Na發(fā)生電離，使基團(tuán)呈

7、負(fù)電性，COO基團(tuán)間的相斥作用使高分子鏈的構(gòu)象比較舒展，線團(tuán)尺寸較大，因此使流動阻力增大，粘度增大。當(dāng)溶液中加入鹽后一部分陽離子相對集中在COO的周圍，遮蔽了有效電荷，使陰離子的排斥作用引起的鏈的擴(kuò)展作用減弱，分子鏈的蜷曲作用增強(qiáng)，使線團(tuán)尺寸縮小，流動阻力減小，所以ηa隨著礦化度的增大而降低。n隨礦化度的增大而增大，是由于鹽會削弱大分子之間作用力，減少了大分子之間的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；HPAM溶液在驅(qū)油過程中，由于地層水中經(jīng)常含有一價陽離子（Na

8、）和二價陽離子（Ca2）等，它們對HPAM溶液的流變行為影響較大，使得HPAM溶液的ηa急劇下降，因此會使驅(qū)油效率大幅度下降。礦化度的增大，HPAM溶液的τ越小，油HPAM溶液界面作用力越小，越不利于驅(qū)動水驅(qū)殘余油。3.1聚合物粘彈性概述粘彈性定義：典型的粘性體服從牛頓流體定律，應(yīng)力與應(yīng)變速率dεdt呈線性關(guān)系，即σ=μdεdt，用積分表示，則ε(t)=tσμ，粘性物體受到切應(yīng)力后，所產(chǎn)生的應(yīng)變不僅與應(yīng)力大小有關(guān)，而且隨時間變化。典型的

9、彈性體服從虎克定律，即σt=Gε，應(yīng)力與應(yīng)變之間存在線性關(guān)系，即物體受應(yīng)力時立即產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變的大小不隨時間改變，只與應(yīng)力大小成正比。粘彈性流體與粘性流體主要區(qū)別：①粘彈性流體可以“拉動”其后面的流體；粘性流體只能“推”，不能拉。②去掉外力后，彈性體可以全部恢復(fù)其形狀；粘彈性流體可以部分恢復(fù)；粘性流體不能恢復(fù)。③在外力作用下，流體會產(chǎn)生與外力方向相同的變形（或位移）；彈性體和粘彈性流體除產(chǎn)生上述與外力同方向的變形（或位移）外，還會產(chǎn)生一

10、個與外力方向相垂直的力，即法向力，使粘彈性流體各方向上的應(yīng)力不相等，產(chǎn)生法向應(yīng)力差。拉伸時，與拉伸方向（主應(yīng)力）相垂直的應(yīng)力小于主應(yīng)力。流體運(yùn)動時的流體方向就相當(dāng)于拉伸方向。根據(jù)水力學(xué)的原理，粘性流體各方向上的應(yīng)力相等，因此不會產(chǎn)生法向應(yīng)力差。與普通的牛頓流體的層間粘性切應(yīng)力相比，粘彈性流體則會表現(xiàn)出不同的力學(xué)行為。在流動過程中，粘彈性流體會由于微觀結(jié)構(gòu)的原因表現(xiàn)為各向異性，產(chǎn)生非等值的法向應(yīng)力分量（法向應(yīng)力差非零）。法向應(yīng)力差會引起W