專利名稱：一種剪切流動下聚合物水力學(xué)尺寸的測試方法及其測試裝置的制作方法
一種剪切流動下聚合物水力學(xué)尺寸的測試方法及其測試裝技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于聚合物尺寸測試領(lǐng)域，具體涉及一種剪切流動下聚合物水力學(xué)尺寸的測試方法及其測試裝置。
背景技術(shù)：
聚合物驅(qū)油劑水化分子在流經(jīng)多孔介質(zhì)時，受油藏孔喉尺寸的自然選擇，大部分驅(qū)油劑水化分子通過孔喉時會受到阻礙，注入困難，容易出現(xiàn)聚合物驅(qū)油劑堵塞地層的現(xiàn)象，從而導(dǎo)其致注入壓力增大。因此在設(shè)計聚合物驅(qū)油方案時，聚合物驅(qū)油劑必須與油藏介質(zhì)的孔喉尺寸相配伍，而準(zhǔn)確測得聚合物驅(qū)油劑在不同環(huán)境下的水力學(xué)尺寸是研究聚合物驅(qū)油劑和油藏介質(zhì)孔喉尺寸配伍性的關(guān)鍵和前提。
聚合物水力學(xué)尺寸是聚合物溶解后，在溶液中聚合物分子和溶劑間發(fā)生相互作用及溶劑化而呈現(xiàn)出不同的形態(tài)和線團(tuán)大小，聚合物線團(tuán)的平均尺寸即為聚合物在溶液中的水力學(xué)尺寸，常用平均水力學(xué)半徑表示。溫度、溶劑和聚合物分子間作用力等因素均會影響聚合物水力學(xué)尺寸，當(dāng)其受到剪切作用時，分子線團(tuán)的形狀會發(fā)生變化，其水力學(xué)半徑也會發(fā)生改變。測試聚合物驅(qū)油劑在不同剪切流速、不同礦化度及溫度下的水力學(xué)尺寸，研究不同聚合物驅(qū)油劑在多孔介質(zhì)中剪切流動下的水動力學(xué)尺寸的變化，及聚合物驅(qū)油劑水力學(xué)尺寸與多孔介質(zhì)孔喉半徑匹配關(guān)系，對于聚合物不同驅(qū)油劑能否順利注入中低滲油藏，以及能否在低滲油藏順利開展化學(xué)驅(qū)提高采率具有重要作用。
目前，聚合物驅(qū)油劑水力學(xué)尺寸的測定方法主要有動態(tài)光散射法及單層濾膜法。動態(tài)光散射法測試的是靜止溶液中做布朗運動的單分子線團(tuán)或分子聚集體的尺寸， 該方法的缺點是不能測試分子線團(tuán)受到剪切作用后尺寸的變化情況。關(guān)于單層濾膜法， 韓杰等用聚合物溶液過濾試驗裝置和孔徑為O. 22 3. O μ m的微孔濾膜在O. 15MPa的恒壓下讓一定濃度的不同分子量的聚合物溶液通過上述不同孔徑的微孔濾膜，收集一定量的原始樣品和濾出液樣品，分別測定原始樣品和濾出液的濃度，根據(jù)濾出液中聚合物濃度隨微孔濾膜孔徑的變化曲線拐點，確定聚合物的水力學(xué)尺寸(韓杰，唐金星，劉崢君.聚合物分子尺寸大小及其與巖石孔喉尺寸配伍關(guān)系的試驗研究[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版).2006，12,3(4) :59-61)。但該方法存在以下缺點①聚合物溶液通過單層濾膜的微孔時存在橫向串流，造成相鄰微孔間流場相互干擾，測試過程中經(jīng)過微孔的流動狀態(tài)難以控制，測試穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性差由于過濾時采用恒定壓力控制過濾速率，隨著濾膜孔徑的改變，聚合物溶液的流速及剪切速率均會發(fā)生改變，而聚合物的水力學(xué)尺寸在剪切屈服流動時會發(fā)生變化，但該方法不能測試在一定剪切流速下聚合物水力學(xué)尺寸的測試，因此采用該方法測試出的聚合物驅(qū)油劑尺寸與驅(qū)油劑在油藏介質(zhì)中真實流動形態(tài)存在較大偏差，以此為基礎(chǔ)的配伍性研究也和真實情況不符；③直接以聚合物溶液的質(zhì)量濃度變化來反應(yīng)聚合物在濾膜上截留及通過情況，由于測試用聚合物溶液濃度較低，測試誤差較大。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種剪切流動下聚合物水力學(xué)尺寸的測試方法及其測試裝置，所述測試裝置不僅能使被測聚合物溶液產(chǎn)生剪切流動，而且能避免濾膜相鄰微孔間流場的相互干擾，所述方法可準(zhǔn)確測得聚合物在不同剪切速率下的水力學(xué)尺寸，且操作簡單。
本發(fā)明所述剪切流動下聚合物水力學(xué)尺寸的測試裝置，包括盛液筒、剪切流發(fā)生器、濾液收集容器及用于支撐盛液筒和剪切流發(fā)生器的支架，所述盛液筒配備有與其內(nèi)徑相匹配的活塞，盛液筒下端通過管件與剪切流發(fā)生器連通，所述剪切流發(fā)生器由上夾頭、下夾頭、上層濾膜和下層濾膜組成，上層濾膜、下層濾膜放置在下夾頭上，通過上夾頭固定，下夾頭的下部設(shè)置有出液管，所述出液管上安裝有控制閥，所述濾液收集容器放置在出液管的下方。
上述測試裝置中，所述上層濾膜與下層濾膜的孔徑之比為5 15:1，上層濾膜與下層濾膜的厚度之比為5 15:1。下層濾膜的孔徑大小根據(jù)被測聚合物確定，其確定原則是 下層濾膜孔徑應(yīng)滿足被測聚合物溶液濾過時粘度保留率為109Γ90%。
上述測試裝置中，所述上層濾膜與下層濾膜的孔密度應(yīng)滿足下層濾膜中的一個孔對應(yīng)上層濾膜中的一個孔。
本發(fā)明所述剪切流動下聚合物水力學(xué)尺寸的測試方法，使用上述測試裝置和速率控制裝置，步驟如下
①用與被測聚合物相匹配的良溶劑配制聚合物溶液，所述聚合物溶液的濃度低于其接觸濃度；
②將步驟①配制的聚合物溶液以某一恒定的剪切速率通過至少3組不同孔徑的上層濾膜和下層濾膜，得到與上層濾膜和下層濾膜組數(shù)相同的多種濾液，分別測量所得各濾液的粘度，并計算其粘度保留率；
③繪制粘度保留率與其對應(yīng)的下層濾膜孔徑的關(guān)系曲線，所述曲線中粘度保留率為70%時所對應(yīng)的下層濾膜孔半徑即為被測聚合物在所述剪切速率下的平均水力學(xué)半徑。
聚合物的分子量在絕大多數(shù)情況下呈正態(tài)分布，分子量大的聚合物分子對粘度的貢獻(xiàn)大，發(fā)明人從大量的實驗中得知當(dāng)粘度保留率為70%時，大部分的聚合物分子都通過了本發(fā)明所述上層濾膜與下層濾膜，因此定義所述曲線中粘度保留率為70%時所對應(yīng)的下層濾膜孔半徑為被測聚合物平均水力學(xué)半徑。所述聚合物的平均水力學(xué)半徑即為聚合物的水力學(xué)尺寸。
上述方法中，所述良溶劑應(yīng)滿足以下要求第一、與聚合物的極性相近，第二、內(nèi)聚能密度或溶度參數(shù)與聚合物相近，第三、聚合物一溶劑相互作用參數(shù)小于O. 5 ;所述接觸濃度是指聚合物分子鏈線團(tuán)及水力學(xué)體積即將發(fā)生纏結(jié)與重疊的臨界濃度。
上述方法在，所述剪切速率不大于500. Os'
上述方法中，聚合物溶液通過每一組上層濾膜和下層濾膜的具體操作如下關(guān)閉出液管上的控制閥，將步驟①配制的聚合物溶液加入到盛液筒中，然后將活塞放入盛液筒， 并將速率控制裝置的壓頭與活塞接觸，繼后打開出液管上的控制閥，與此同時開啟速率控制裝置推動活塞勻速向下運動，在活塞的作用下，所述聚合物溶液以恒定的剪切速率通過上層濾膜和下層濾膜經(jīng)出液管進(jìn)入濾液收集容器。4
本發(fā)明具有以下有益效果
I、本發(fā)明所述測試裝置中的剪切流發(fā)生器采用雙層濾膜結(jié)構(gòu)，上層濾膜的大孔具有屏蔽下層濾膜的相鄰微孔間流場相互干擾的作用，可避免聚合物溶液通過下層濾膜的微孔時產(chǎn)生橫向串流，使得聚合物溶液在下層濾膜中的流場近似于拉伸流場，產(chǎn)生剪切流動， 使用該測試裝置測試，穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性高。
2、本發(fā)明所述方法采用速率控制裝置控制聚合物溶液以恒定的剪切速率通過濾膜，克服了動態(tài)光散射法不能測試分子線團(tuán)受到剪切作用后尺寸變化的缺點，同時避免了單層濾膜法不能測試恒定剪切速率下聚合物水力學(xué)尺寸的不足，測出的聚合物驅(qū)油劑的水力學(xué)尺寸可較好地吻合真實的施工情況。
3、本發(fā)明所述方法以聚合物溶液的粘度保留率變化來反應(yīng)聚合物在濾膜上截留及通過情況，由于測試用聚合物溶液濃度較低，其粘度變化比質(zhì)量濃度變化對測試更為靈敏，因而可減小測試誤差。
4、本發(fā)明所述方法操作簡單，采用常規(guī)設(shè)備即可實現(xiàn)。


圖I為本發(fā)明所述剪切流動下聚合物水力學(xué)尺寸的測試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明所述剪切流發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明所述上層濾膜與下層濾膜的結(jié)構(gòu)與組合方式示意圖4為本發(fā)明實施例2所述被測聚合物濾液的粘度保留率與其對應(yīng)的下層濾膜孔徑的關(guān)系曲線；
圖5為本發(fā)明實施例3所述被測聚合物濾液的粘度保留率與其對應(yīng)的下層濾膜孔徑的關(guān)系曲線；
圖6為本發(fā)明實施例4所述被測聚合物濾液的粘度保留率與其對應(yīng)的下層濾膜孔徑的關(guān)系曲線；
圖中，I一支架，2—盛液筒，3—管件，4一剪切流發(fā)生器，4-1 一上夾頭，4-2—下夾頭，4_3—上層濾膜，4_4一下層濾膜，5一控制閥、6—濾液收集容器，7一出液管,8一活塞, 9 一速率控制裝置的壓頭。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖通過實施例對本發(fā)明所述剪切流動下聚合物水力學(xué)尺寸的測試方法及其測試裝置作進(jìn)一步說明。
實施例I
本實施例中，剪切流動下聚合物水力學(xué)尺寸的測試裝置的結(jié)構(gòu)如圖I所示，該測試裝置包括盛液筒2、剪切流發(fā)生器4、濾液收集容器6及用于支撐盛液筒和剪切流發(fā)生器的支架1，所述盛液筒2配備有與其內(nèi)徑相匹配的活塞8，盛液筒下端通過管件3與剪切流發(fā)生器連通，所述剪切流發(fā)生器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，由上夾頭4-1、下夾頭4-2、上層濾膜4-3 和下層濾膜4-4組成，上層濾膜4-3、下層濾膜放置在下夾頭4-2上，通過上夾頭4-1固定， 下夾頭4-2的下部設(shè)置有出液管7，所述出液管上安裝有控制閥5，所述濾液收集容器放置在出液管的下方。
上層濾膜與下層濾膜的孔徑之比為10:1，上層濾膜與下層濾膜的厚度之比為 10:1，上層濾膜與下層濾膜的孔密度應(yīng)滿足下層濾膜中的一個孔對應(yīng)上層濾膜中的一個孔，上層濾膜與下層濾膜的結(jié)構(gòu)與組合方式如圖3所示。
實施例2
本實施例采用實施例I所述測試裝置測試聚丙烯酰胺的水力學(xué)尺寸，其中上層濾膜的厚度A=上層濾膜孔徑Γι ( μ m)，下層濾膜的厚度B=下層濾膜孔徑r2 ( μ m)，以材料萬能試驗機(jī)(精度為O. 001mm/min，型號MT6104，美斯特工業(yè)系統(tǒng)有限公司制造)作為速率控制裝置控制活塞運動速率，剪切速率采用簡單剪切速率公式Y(jié)= (16.67*v)/ r2計算，式中， Y為剪切速率(s—1)，V為活塞運動速率(mm/min)，r2為下層濾膜孔徑(μ m)。
本實施例的操作步驟如下
①將水解度為9. 78%的聚丙烯酰胺加入礦化度為5727mg/L的氯化鈉水溶液中，配制成濃度為200ppm的聚丙烯酰胺溶液；
②將步驟①配制的聚丙烯酰胺溶液以28. 8s-1的剪切速率通過孔徑如表I所示的第I組上層濾膜4-3和下層濾膜4-4，
聚丙烯酰胺溶液通過第I組上層濾膜4-3和下層濾膜4-4的具體操作如下關(guān)閉出液管7上的控制閥5，將步驟①配制的聚丙烯酰胺溶液加入到盛液筒2中，然后將活塞8 放入盛液筒，并將材料萬能試驗機(jī)的壓頭9與活塞接觸，繼后打開出液管上的控制閥，與此同時開啟材料萬能試驗機(jī)推動活塞以O(shè). 259 mm/min的速率勻速向下運動，在活塞的作用下，所述聚合物溶液以28. 8s-1的剪切速率通過上層濾膜4-3和下層濾膜4-4經(jīng)出液管進(jìn)入濾液收集容器6 ；
按上述實驗條件重復(fù)步驟②的操作2次，每次重復(fù)時均按第I組濾膜的孔徑要求更換新上層濾膜4-3和下層濾膜4-4，分別測定3次實驗所收集的濾液以及步驟①配制的聚丙烯酰胺溶液在室溫下通過烏氏粘度計(其毛細(xì)管直徑為O. 5mm)的流出時間，以上述3次實驗測得的濾液通過烏氏粘度計的平均流出時間除以步驟①配制的聚丙烯酰胺溶液通過烏氏粘度計的流出時間即得到聚丙烯酰胺溶液通過第I組濾膜的粘度保留率；
按表I中的上層濾膜和下層濾膜孔徑及其對應(yīng)的活塞運動速率，并按前述聚丙烯酰胺溶液通過第I組濾膜的操作方法，依次測試并計算得出聚丙烯酰胺溶液通過第2組 第5組濾膜的粘度保留率，聚丙烯酰胺溶液通過第I組 第5組濾膜后的濾液的粘度保留率如表2所示；
③以粘度保留率為縱坐標(biāo)、以與其對應(yīng)濾膜組的下層濾膜孔徑為橫坐標(biāo)繪制粘度保留率與其對應(yīng)的下層濾膜孔徑的關(guān)系曲線(圖4)，當(dāng)所述曲線中粘度保留率為70%時所對應(yīng)的下層濾膜孔半徑即為聚丙烯酰胺在28. 8s-1的剪切速率下的平均水力學(xué)半徑，為 O. 22 μ m。
表I雙層濾膜孔徑及活塞運動速率
權(quán)利要求
1.一種剪切流動下聚合物水力學(xué)尺寸的測試裝置，其特征在于包括盛液筒(2)、剪切流發(fā)生器(4)、濾液收集容器(6)及用于支撐盛液筒和剪切流發(fā)生器的支架(1)，所述盛液筒(2)配備有與其內(nèi)徑相匹配的活塞(8)，盛液筒下端通過管件(3)與剪切流發(fā)生器連通，所述剪切流發(fā)生器由上夾頭(4-1)、下夾頭(4-2)、上層濾膜(4-3)和下層濾膜(4-4)組成，上層濾膜(4-3 )、下層濾膜放置在下夾頭(4-2 )上，通過上夾頭(4-1)固定，下夾頭(4-2 )的下部設(shè)置有出液管(7)，所述出液管上安裝有控制閥(5)，所述濾液收集容器放置在出液管的下方。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述剪切流動下聚合物水力學(xué)尺寸的測試裝置，其特征在于所述上層濾膜(4-3)與下層濾膜(4-4)的孔徑之比為5 15:1，上層濾膜與下層濾膜的厚度之比為5 15:1。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述剪切流動下聚合物水力學(xué)尺寸的測試裝置，其特征在于所述上層濾膜(4-3)與下層濾膜(4-4)的孔密度應(yīng)滿足下層濾膜中的一個孔對應(yīng)上層濾膜中的一個孔。
4.一種剪切流動下聚合物水力學(xué)尺寸的測試方法，其特征在于使用權(quán)利要求I至3中任一權(quán)利要求所述的測試裝置和速率控制裝置，步驟如下 ①用與被測聚合物相匹配的良溶劑配制聚合物溶液，所述聚合物溶液的濃度低于其接觸濃度； ②將步驟①配制的聚合物溶液以某一恒定的剪切速率通過至少3組不同孔徑的上層濾膜(4-3)和下層濾膜(4-4)，得到與上層濾膜(4-3)和下層濾膜(4-4)組數(shù)相同的多種濾液，分別測量所得各濾液的粘度，并計算其粘度保留率； ③繪制粘度保留率與其對應(yīng)的下層濾膜孔徑的關(guān)系曲線，所述曲線中粘度保留率為70%時所對應(yīng)的下層濾膜孔半徑即為被測聚合物在所述剪切速率下的平均水力學(xué)半徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述剪切流動下聚合物水力學(xué)尺寸的測試方法，其特征在于所述剪切速率不大于500.08'
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述剪切流動下聚合物水力學(xué)尺寸的測試方法，其特征在于聚合物溶液通過每一組上層濾膜(4-3)和下層濾膜(4-4)的具體操作如下關(guān)閉出液管(7)上的控制閥(5)，將步驟①配制的聚合物溶液加入到盛液筒(2)中，然后將活塞(8)放入盛液筒，并將速率控制裝置的壓頭(9)與活塞接觸，繼后打開出液管上的控制閥，與此同時開啟速率控制裝置推動活塞勻速向下運動，在活塞的作用下，所述聚合物溶液以恒定的剪切速率通過上層濾膜(4-3 )和下層濾膜(4-4 )經(jīng)出液管進(jìn)入濾液收集容器(6 )。
全文摘要
一種剪切流動下聚合物水力學(xué)尺寸的測試裝置及測試方法，該裝置包括盛液筒、剪切流發(fā)生器、濾液收集容器及用于支撐盛液筒和剪切流發(fā)生器的支架，盛液筒配備有與其內(nèi)徑相匹配的活塞，其下端通過管件與剪切流發(fā)生器連通，剪切流發(fā)生器由上夾頭、下夾頭、上層濾膜和下層濾膜組成，上層濾膜、下層濾膜放置在下夾頭上，通過上夾頭固定，下夾頭的下部設(shè)置有出液管，出液管上安裝有控制閥，濾液收集容器放置在出液管的下方。所述方法使用上述裝置，步驟如下①配制聚合物溶液；②過濾；③繪制粘度保留率與其對應(yīng)的下層濾膜孔徑關(guān)系曲線，粘度保留率為70%時對應(yīng)的下層濾膜孔半徑即為其在該剪切速率下的平均水力學(xué)半徑。
文檔編號G01B21/10GK102927953SQ20121044430
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月8日
發(fā)明者何顯儒, 王煦, 張睿, 楊成玉, 肖長發(fā), 余慧, 容耀強(qiáng), 蔡術(shù)威, 侯海龍 申請人:西南石油大學(xué)