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针对聚合物溶液在多孔介质中流动时,在流速高于临界粘弹流速的情况下聚合物溶液的弹性拉伸显著问题,本文在国内外有关聚合物溶液粘弹性理论文献的基础上,对聚合物溶液的流变性、聚合物溶液的弹性粘度、聚合物溶液在多孔介质中的弹性粘度和聚合物溶液弹性粘度理论在聚合物驱油中的应用等方面内容进行了系统的理论和实验研究。取得了如下的研究成果: 通过HPAM水溶液流变性实验,用流变仪测定了聚合物溶液的流变性,研究了聚合物溶液流变性的影响因素。稳态剪切实验表明,聚合物溶液的剪切粘度随分子量的增高,浓度的增高而增高,随剪切速率的增高而降低:动态粘弹性实验表明,聚合物溶液的粘弹性随分子量的增加、浓度的增加而增大。 据Rouse-Bueche-Zimm(RBZ)理论,在Bird根据有限拉伸的、非线性的弹性(FENE)哑铃分子模型得到的仅适用于聚合物稀溶液的松弛时间公式的基础上,将FENE哑铃分子模型的聚合物稀溶液松弛时间公式进行了推广,建立了不仅适用于聚合物稀溶液,也适用于聚合物浓溶液的新的松弛时间公式。稳态剪切流变性实验表明,用本文建立的松弛时间公式计算的聚合物溶液松弛时间随剪切速率的变化规律,与RBZ理论得到的聚合物溶液松弛时间随剪切速率的变化规律相同。 根据聚合物流变学分子理论,将高分子模拟为FENE哑铃分子模型,在低拉伸速率和高拉伸速率条件下,推导了聚合物稀溶液的弹性粘度公式。对考虑水动力学相互作用的聚合物稀溶液,应用平衡平均Oseen张量建立了在整个拉伸速率范围内聚合物稀溶液的弹性粘度公式。对考虑水动力学相互作用的聚合物稀溶液弹性粘度公式进行了推广,建立了考虑水动力学相互作用的聚合物浓溶液的弹性粘度公式。将考虑水动力学相互作用的聚合物溶液弹性粘度与未考虑水动力学相互作用的聚合物溶液弹性粘度进行了对比,结果表明,水动力学相互作用增加了分子的拉伸程度,弹性粘度增大,弹性效应增强;考虑水动力学相互作用的聚合物溶液临界Deborah数小于未考虑水动力学相互作用的临界Deborah数。 通过HPAM水溶液在人造岩心中的渗流实验测定的压降随流速的变化关系表明:当流速高于临界粘弹流速,聚合物溶液在岩心中的压降与流速关系曲线显示出粘弹特性。在Durst等人根据FENE哑铃分子理论建立的聚合物稀溶液在多孔介质中的Deborah数和用综合阻力系数建立的聚合物稀溶液在多孔介质中的有效弹性粘度公式的基础上,对这两个公式进行了推广,建立了不仅适用于聚合物稀溶液,也适用于聚合物浓溶液在多孔介质中的Deborah数公式和有效弹性粘度公式。HPAM水溶液在人造岩心中的渗流实验表明,用本文建立的Deborah数公式和有效弹性粘度公式计算的有效弹性粘度随Deborah数的变化规律,与考虑水动力学相互作用的聚合物溶液弹性粘度随Deborah数的变化规律相同,临界Deborah数与考虑水动力学相互作用聚合物溶液的临界Deborah数大小吻合。 根据非线性Maxwell流体在平面收缩—扩张流道中流动的受力情况,建立了可视为粘弹性流体的聚合物溶液在收缩—扩张流道中的压降公式。并在Cogswell工作的基础上,将多孔介质看作由一组串联的缩扩流道并联组成的毛细管束模型,即缩扩孔隙模型,用微元分析方法,建立了可视为粘弹性流体的聚合物溶液在缩扩孔隙模型中流动的弹性粘度公式。根据HPAM水溶液在人造岩心中的渗流实验,对聚合物溶液在多孔介质中的弹性粘度与有效弹性粘度进行的对比结果表明:本文建立的有效弹性粘度公式与弹性粘度公式都可有效地表征聚合物溶液在多孔介质中弹性流动的发生和发生的程度。由于有效弹性粘度是无因次量,且含剪切粘度,基于聚合物溶液在缩扩孔隙模型中的弹性粘度物理意义更趋明显。 探讨了本文的聚合物溶液弹性粘度理论在聚合物驱油工程中的应用。HPAM水溶液在人造岩心中 摘要的驱油实验表明:在注入参数许可条件下,浓度较高、分子量较大的聚合物溶液的弹性粘度越大,因此聚合物溶液的驱油效率越高;当流速达到临界粘弹流速,流速越大,聚合物溶液的弹性粘度越大,因此聚合物溶液的驱油效率越高。说明根据本文建立的聚合物溶液弹性粘度理论来优选聚合物注入参数是可行的。用非稳定方法通过HPAM水溶液驱油实验测定了不同弹性粘度时聚合物/油的相对渗透率曲线的结果表明:随着聚合物溶液弹性粘度增加,聚合物溶液相的相对渗透率变小、等渗点处的含水饱和度增大、残余油饱和度降低,说明弹性粘度的增大,增高了聚合物驱油效率。 上述的研究成果丰富和发展了聚合物流变学分子理论、聚合物溶液渗流力学理论和聚合物驱油理论,对进一步提高和指导聚合物驱油技术具有重要学术理论意义和工程实际意义。