一种剪切流动下聚合物水力学尺寸的测试方法及其测试装置

摘要

一种剪切流动下聚合物水力学尺寸的测试装置及测试方法，该装置包括盛液筒、剪切流发生器、滤液收集容器及用于支撑盛液筒和剪切流发生器的支架，盛液筒配备有与其内径相匹配的活塞，其下端通过管件与剪切流发生器连通，剪切流发生器由上夹头、下夹头、上层滤膜和下层滤膜组成，上层滤膜、下层滤膜放置在下夹头上，通过上夹头固定，下夹头的下部设置有出液管，出液管上安装有控制阀，滤液收集容器放置在出液管的下方。所述方法使用上述装置，步骤如下：①配制聚合物溶液；②过滤；③绘制粘度保留率与其对应的下层滤膜孔径关系曲线，粘度保留率为70%时对应的下层滤膜孔半径即为其在该剪切速率下的平均水力学半径。

说明书

技术领域

本发明属于聚合物尺寸测试领域，具体涉及一种剪切流动下聚合物水力学尺寸的测试方法及其测试装置。 

背景技术

聚合物驱油剂水化分子在流经多孔介质时，受油藏孔喉尺寸的自然选择，大部分驱油剂水化分子通过孔喉时会受到阻碍，注入困难，容易出现聚合物驱油剂堵塞地层的现象，从而导其致注入压力增大。因此在设计聚合物驱油方案时，聚合物驱油剂必须与油藏介质的孔喉尺寸相配伍，而准确测得聚合物驱油剂在不同环境下的水力学尺寸是研究聚合物驱油剂和油藏介质孔喉尺寸配伍性的关键和前提。 

聚合物水力学尺寸是聚合物溶解后，在溶液中聚合物分子和溶剂间发生相互作用及溶剂化而呈现出不同的形态和线团大小，聚合物线团的平均尺寸即为聚合物在溶液中的水力学尺寸，常用平均水力学半径表示。温度、溶剂和聚合物分子间作用力等因素均会影响聚合物水力学尺寸，当其受到剪切作用时，分子线团的形状会发生变化，其水力学半径也会发生改变。测试聚合物驱油剂在不同剪切流速、不同矿化度及温度下的水力学尺寸，研究不同聚合物驱油剂在多孔介质中剪切流动下的水动力学尺寸的变化，及聚合物驱油剂水力学尺寸与多孔介质孔喉半径匹配关系，对于聚合物不同驱油剂能否顺利注入中低渗油藏，以及能否在低渗油藏顺利开展化学驱提高采率具有重要作用。 

目前，聚合物驱油剂水力学尺寸的测定方法主要有动态光散射法及单层滤膜法。动态光散射法测试的是静止溶液中做布朗运动的单分子线团或分子聚集体的尺寸，该方法的缺点是不能测试分子线团受到剪切作用后尺寸的变化情况。关于单层滤膜法，韩杰等用聚合物溶液过滤试验装置和孔径为0.22～3.0μm的微孔滤膜在0.15MPa的恒压下让一定浓度的不同分子量的聚合物溶液通过上述不同孔径的微孔滤膜，收集一定量的原始样品和滤出液样品，分别测定原始样品和滤出液的浓度，根据滤出液中聚合物浓度随微孔滤膜孔径的变化曲线拐点，确定聚合物的水力学尺寸（韩杰,唐金星,刘峥君.聚合物分子尺寸大小及其与岩石孔喉尺寸配伍关系的试验研究[J].长江大学学报(自科版).2006,12,3(4):59-61）。但该方法存在以下缺点：①聚合物溶液通过单层滤膜的微孔时存在横向串流，造成相邻微孔间流场相互干扰，测试过程中经过微孔的流动状态难以控制，测试稳定性和准确性差；②由于过滤时采用恒定压力控制过滤速率，随着滤膜孔径的改变，聚合物溶液的流速及剪切速率均会发生改变，而聚合物的水力学尺寸在剪切屈服流动时会发生变化，但该方法不能测试在一定剪切流速下聚合物水力学尺寸的测试，因此采用该方法测试出的聚合物驱油剂尺寸与驱油剂在油藏介质中真实流动形态存在较大偏差，以此为基础的配伍性研究也和真实情况不符；③直接以聚合物溶液的质量 浓度变化来反应聚合物在滤膜上截留及通过情况，由于测试用聚合物溶液浓度较低，测试误差较大。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种剪切流动下聚合物水力学尺寸的测试方法及其测试装置，所述测试装置不仅能使被测聚合物溶液产生剪切流动，而且能避免滤膜相邻微孔间流场的相互干扰，所述方法可准确测得聚合物在不同剪切速率下的水力学尺寸，且操作简单。 

本发明所述剪切流动下聚合物水力学尺寸的测试装置，包括盛液筒、剪切流发生器、滤液收集容器及用于支撑盛液筒和剪切流发生器的支架，所述盛液筒配备有与其内径相匹配的活塞，盛液筒下端通过管件与剪切流发生器连通，所述剪切流发生器由上夹头、下夹头、上层滤膜和下层滤膜组成，上层滤膜、下层滤膜放置在下夹头上，通过上夹头固定，下夹头的下部设置有出液管，所述出液管上安装有控制阀，所述滤液收集容器放置在出液管的下方。 

上述测试装置中，所述上层滤膜与下层滤膜的孔径之比为5~15:1，上层滤膜与下层滤膜的厚度之比为5~15:1。下层滤膜的孔径大小根据被测聚合物确定，其确定原则是：下层滤膜孔径应满足被测聚合物溶液滤过时粘度保留率为10%~90%。 

上述测试装置中，所述上层滤膜与下层滤膜的孔密度应满足下层滤膜中的一个孔对应上层滤膜中的一个孔。 

本发明所述剪切流动下聚合物水力学尺寸的测试方法，使用上述测试装置和速率控制装置，步骤如下： 

①用与被测聚合物相匹配的良溶剂配制聚合物溶液，所述聚合物溶液的浓度低于其接触浓度； 

②将步骤①配制的聚合物溶液以某一恒定的剪切速率通过至少3组不同孔径的上层滤膜和下层滤膜，得到与上层滤膜和下层滤膜组数相同的多种滤液，分别测量所得各滤液的粘度，并计算其粘度保留率； 

③绘制粘度保留率与其对应的下层滤膜孔径的关系曲线，所述曲线中粘度保留率为70%时所对应的下层滤膜孔半径即为被测聚合物在所述剪切速率下的平均水力学半径。 

聚合物的分子量在绝大多数情况下呈正态分布，分子量大的聚合物分子对粘度的贡献大，发明人从大量的实验中得知当粘度保留率为70%时，大部分的聚合物分子都通过了本发明所述上层滤膜与下层滤膜，因此定义所述曲线中粘度保留率为70%时所对应的下层滤膜孔半径为被测聚合物平均水力学半径。所述聚合物的平均水力学半径即为聚合物的水力学尺寸。 

上述方法中，所述良溶剂应满足以下要求：第一、与聚合物的极性相近，第二、内聚能密度或溶度参数与聚合物相近，第三、聚合物—溶剂相互作用参数小于0.5；所述接触浓度是指聚合物分子链线团及水力学体积即将发生缠结与重叠的临界浓度。 

上述方法在，所述剪切速率不大于 500.0s^-1。 

上述方法中，聚合物溶液通过每一组上层滤膜和下层滤膜的具体操作如下：关闭出液管上的控制阀，将步骤①配制的聚合物溶液加入到盛液筒中，然后将活塞放入盛液筒，并将速率控制装置的压头与活塞接触，继后打开出液管上的控制阀，与此同时开启速率控制装置推动活塞匀速向下运动，在活塞的作用下，所述聚合物溶液以恒定的剪切速率通过上层滤膜和下层滤膜经出液管进入滤液收集容器。 

本发明具有以下有益效果： 

1、本发明所述测试装置中的剪切流发生器采用双层滤膜结构，上层滤膜的大孔具有屏蔽下层滤膜的相邻微孔间流场相互干扰的作用，可避免聚合物溶液通过下层滤膜的微孔时产生横向串流，使得聚合物溶液在下层滤膜中的流场近似于拉伸流场，产生剪切流动，使用该测试装置测试，稳定性和准确性高。 

2、本发明所述方法采用速率控制装置控制聚合物溶液以恒定的剪切速率通过滤膜，克服了动态光散射法不能测试分子线团受到剪切作用后尺寸变化的缺点，同时避免了单层滤膜法不能测试恒定剪切速率下聚合物水力学尺寸的不足，测出的聚合物驱油剂的水力学尺寸可较好地吻合真实的施工情况。 

3、本发明所述方法以聚合物溶液的粘度保留率变化来反应聚合物在滤膜上截留及通过情况，由于测试用聚合物溶液浓度较低，其粘度变化比质量浓度变化对测试更为灵敏，因而可减小测试误差。 

4、本发明所述方法操作简单，采用常规设备即可实现。 

附图说明

图1为本发明所述剪切流动下聚合物水力学尺寸的测试装置的结构示意图； 

图2为本发明所述剪切流发生器的结构示意图； 

图3为本发明所述上层滤膜与下层滤膜的结构与组合方式示意图； 

图4为本发明实施例2所述被测聚合物滤液的粘度保留率与其对应的下层滤膜孔径的关系曲线； 

图5为本发明实施例3所述被测聚合物滤液的粘度保留率与其对应的下层滤膜孔径的关系曲线； 

图6为本发明实施例4所述被测聚合物滤液的粘度保留率与其对应的下层滤膜孔径的关系曲线； 

图中，1—支架，2—盛液筒，3—管件，4—剪切流发生器，4-1—上夹头，4-2—下夹头，4-3—上层滤膜，4-4—下层滤膜，5—控制阀、6—滤液收集容器，7—出液管，8—活塞，9—速率控制装置的压头。 

具体实施方式

下面结合附图通过实施例对本发明所述剪切流动下聚合物水力学尺寸的测试方法及其测试装置作进一步说明。 

实施例1 

本实施例中，剪切流动下聚合物水力学尺寸的测试装置的结构如图1所示，该测试装置包括盛液筒2、剪切流发生器4、滤液收集容器6及用于支撑盛液筒和剪切流发生器的支架1，所述盛液筒2配备有与其内径相匹配的活塞8，盛液筒下端通过管件3与剪切流发生器连通，所述剪切流发生器的结构如图2所示，由上夹头4-1、下夹头4-2、上层滤膜4-3和下层滤膜4-4组成，上层滤膜4-3、下层滤膜放置在下夹头4-2上，通过上夹头4-1固定，下夹头4-2的下部设置有出液管7，所述出液管上安装有控制阀5，所述滤液收集容器放置在出液管的下方。 

上层滤膜与下层滤膜的孔径之比为10:1，上层滤膜与下层滤膜的厚度之比为10:1，上层滤膜与下层滤膜的孔密度应满足下层滤膜中的一个孔对应上层滤膜中的一个孔，上层滤膜与下层滤膜的结构与组合方式如图3所示。 

实施例2 

本实施例采用实施例1所述测试装置测试聚丙烯酰胺的水力学尺寸，其中上层滤膜的厚度A=上层滤膜孔径r₁（μm），下层滤膜的厚度B=下层滤膜孔径r₂（μm），以材料万能试验机（精度为0.001mm/min，型号MT6104，美斯特工业系统有限公司制造）作为速率控制装置控制活塞运动速率，剪切速率采用简单剪切速率公式γ=（16.67*v）/ r₂计算，式中，γ为剪切速率（s^-1），v为活塞运动速率（mm/min），r₂为下层滤膜孔径（μm）。 

本实施例的操作步骤如下： 

①将水解度为9.78%的聚丙烯酰胺加入矿化度为5727mg/L的氯化钠水溶液中，配制成浓度为200ppm的聚丙烯酰胺溶液； 

②将步骤①配制的聚丙烯酰胺溶液以28.8s^-1的剪切速率通过孔径如表1所示的第1组上层滤膜4-3和下层滤膜4-4， 

聚丙烯酰胺溶液通过第1组上层滤膜4-3和下层滤膜4-4的具体操作如下：关闭出液管7上的控制阀5，将步骤①配制的聚丙烯酰胺溶液加入到盛液筒2中，然后将活塞8放入盛液筒，并将材料万能试验机的压头9与活塞接触，继后打开出液管上的控制阀，与此同时开启材料万能试验机推动活塞以0.259 mm/min的速率匀速向下运动，在活塞的作用下，所述聚合物溶液以28.8s^-1的剪切速率通过上层滤膜4-3和下层滤膜4-4经出液管进入滤液收集容器6； 

按上述实验条件重复步骤②的操作2次，每次重复时均按第1组滤膜的孔径要求更换新上层滤膜4-3和下层滤膜4-4，分别测定3次实验所收集的滤液以及步骤①配制的聚丙烯酰胺溶液在室温下通过乌氏粘度计（其毛细管直径为0.5mm）的流出时间，以上述3次实验测得的滤液通过乌氏粘度计的平均流出时间除以步骤①配制的聚丙烯酰胺溶液通过乌氏粘度计的 流出时间即得到聚丙烯酰胺溶液通过第1组滤膜的粘度保留率； 

按表1中的上层滤膜和下层滤膜孔径及其对应的活塞运动速率，并按前述聚丙烯酰胺溶液通过第1组滤膜的操作方法，依次测试并计算得出聚丙烯酰胺溶液通过第2组~第5组滤膜的粘度保留率，聚丙烯酰胺溶液通过第1组~第5组滤膜后的滤液的粘度保留率如表2所示； 

③以粘度保留率为纵坐标、以与其对应滤膜组的下层滤膜孔径为横坐标绘制粘度保留率与其对应的下层滤膜孔径的关系曲线（图4），当所述曲线中粘度保留率为70%时所对应的下层滤膜孔半径即为聚丙烯酰胺在28.8s^-1的剪切速率下的平均水力学半径，为0.22μm。 

表1 双层滤膜孔径及活塞运动速率 

表2 粘度保留率 

按照前述步骤②和步骤③的方法和表1中的滤膜孔径和活塞运动速率，分别测试剪切速率为43.2s^-1、57.6s^-1、72s^-1、86.4s^-1、100.8s^-1时聚丙烯酰胺的平均水力学半径，粘度保留率与其对应的下层滤膜孔径的关系曲线如图4所示，各剪切速率下聚丙烯酰胺平均水力学尺寸如表3所示。 

表3   200ppm聚丙烯酰胺平均水力学尺寸 

（矿化度5727mg/L） 

剪切速率（s^-1）>43.2>57.6>72>86.4>100.8>水力学半径（(μm）>0.21>0.16>0.16>0.15>0.12>

实施例3 

本实施例中，聚丙烯酰胺溶液的配制方法如下：将水解度为9.78%的聚丙烯酰胺加入矿化度为5727mg/L的氯化钠溶液中，配制成浓度为800ppm的聚丙烯酰胺溶液。 

本实施例中，其它实验条件与实施例2相同，测试方法与实施例2相同，分别测试剪切 速率为28.8s^-1、43.2s^-1、57.6s^-1、72s^-1、86.4s^-1、100.8s^-1时聚丙烯酰胺的平均水力学半径，粘度保留率与其对应的下层滤膜孔径的关系曲线如图5所示，各剪切速率下聚丙烯酰胺平均水力学尺寸如表4所示。 

表4   800ppm聚丙烯酰胺平均水力学尺寸 

（矿化度5727mg/L） 

剪切速率（s^-1）>28.8>43.2>57.6>72>86.4>100.8>水力学半径（(μm）>0.28>0.25>0.22>0.21>0.19>0.17>

实施例4 

本实施例中，聚丙烯酰胺溶液的配制方法如下：将水解度为9.78%的聚丙烯酰胺加入矿化度为19334mg/L的氯化钠溶液中，配制成浓度为800ppm的聚丙烯酰胺溶液。 

本实施例中，其他实验条件与实施例2相同，测试方法与实施例2相同，分别测试剪切速率为28.8s^-1、43.2s^-1、57.6s^-1、72s^-1、86.4s^-1、100.8s^-1时聚丙烯酰胺的平均水力学半径，粘度保留率与其对应的下层滤膜孔径的关系曲线如图6所示，各剪切速率下聚丙烯酰胺平均水力学尺寸如表5所示。 

表5   800ppm聚丙烯酰胺平均水力学尺寸 

（矿化度19334mg/L）。 

剪切速率（s^-1）>28.8>43.2>57.6>72>86.4>100.8>水力学半径（(μm）>0.19>0.17>0.15>0.14>0.13>0.12>