黏弹性物质（精选7篇）
黏弹性物质 篇1
敦化市医院自2009年2月至2011年3月共有13例14眼眼球穿通伤在修补术中应用黏弹性物 (Viscoelastic Materials, 简称VM以下同) , 取得了满意的效果, 报道如下。
1 资料与方法
1.1 资料
一般情况:本组13例14眼, 其中男性9例10眼, 女性患者4例有4眼。年龄在3～70岁;住院期间视力在0---指数/1M。从受伤到手术中间时间间隔在0.5～48h。
患者致伤部位及损伤情况如下:13例患者中有5眼角巩膜穿通伤患者, 及9眼角膜穿通伤患者;伤口长度在3～18mm;另外有6眼是眼内出血, 5眼是伴有晶体囊膜破裂, 还有1眼是晶体半脱位;13例患者均有色素膜脱出、前房消失或极浅症状。VM包括2%羟丙基甲基纤维素, 是由北京康明公司生产的, 另外还有透明质酸钠, 是由卡比珐玛西亚公司所生产。
1.2 手术方法
全部手术过程均在眼科显微镜下进行, 对患者采用基础麻醉加局醉或着局部麻醉, 另外针对不同情况, 对患者采用不同麻醉方法。如对较大穿通伤口患者行眼轮匝肌麻醉, 同时要注意, 对做球后麻醉为防止压迫眼球而导致眼内容物脱出, 麻醉时要用锐利针头靠近下眶骨缘刺入。采用钢丝开睑器开睑, 同时用用庆大霉素冲洗结膜囊并在脱出的色素膜组织伤口表面涂上一层VM, 如果患者中有出血现象, 还可以在出血处滴一滴VM即可止血。在缝合过程中, 有可能会出现虹膜组织嵌入伤口的状况, 这时可以边缝合边注入VM, 从而使虹膜与伤口分离。缝完后, 为使乳酸林格氏液置换出VM还要在患者伤口的近角膜缘处缝线间隙进入注吸针头。手术完毕后要在结膜下注射地塞米松和庆大霉素, 对术眼涂阿托品眼膏并进行包扎。术后注意及时护理, 每日要换药并按时间检查、对患者应用抗生素和激素。
2 结果
经过一段时间的康复, 所有患者穿通伤口均愈合良好, 无虹膜前粘连、渗漏等状况出现。13例患者出院时视力情况如下:5眼由于外伤性白内障视力为光感, 但是手术后患者的视力有了大幅度的提高。另有1例18mm长穿通伤患者, 术前术后均无视力, 这主要是由于眼内组织损伤严重所导致。其余的8眼患者视力在0.1～0.9。另外有3眼手术在术后第2天眼压偏高, 于5d以后视力恢复正常。
3 讨论
本次研究中, 在眼球破裂伤修复术中, VM主要起的作用有以下几个方面: (1) 起到充填作用:在角膜穿通伤时, 大多前房极浅或消失, 对患者自伤口向前房内注入VM, 可以使虹膜、晶体与伤口分离可避免对角膜内皮和晶体的损害。 (2) 起到止血作用:VM具有机械性止血作用, 不仅可以止血, 还可以大大减少出血的范围, 使出血局限于某一小范围之内。本组研究可以表明, 全部患者中有两例在在手术过程中发生较大出血, 但是在滴VM后就很快止血, 这一点可以得到很好的体现。 (3) 起到推压组织作用:手术中对患者伤口缝合后, 还可借助VM推压从而使虹膜复位。本组病例术后无1例出现虹膜前粘连, 从而可以得到很好的体现。 (4) 起到堵塞漏口作用:在伤口表面涂VM, 可以有效阻止前房内气泡和房水在缝合过程中的溢出。短暂的高眼压和轻微的炎症反应是应用VM术后的明显并发症之一;而VM机械性阻塞房角也是术后发生高眼压的重要原因, 所以在手术进行中要尽量将VM清除干净。本组13例患者中眼内活动出血未及时做清除的5眼患者中, 有3例在术后第2日发生高眼压及炎性反应, 但5日后均回复正常[1,2,3,4]。
从而表明VM虽然在术后数日内不易迅速通过小梁微孔, 但是可以逐渐排除, 因此患者眼压可以恢复至正常水平。本组13例患者中, 发生眼内炎症反应较为轻微的, 采用激素治疗后症状明显减轻。另外VM虽然能引起眼内炎性反应, 症状表现为房水混浊和纤维性渗出, 究其原因是由VM引起还是机械性损伤所致, 结果尚不肯定, 有待于进一步研究。
摘要：在我国, 眼外伤以眼球穿通伤最为常见, 这也是致盲重要因素之一, 因此, 提高眼球穿通伤的手术质量有着非常重要的时代意义。近年来, 在眼外科手术中, 由于引进了显微手术技术及先进的器材, 这也大大提高了手术效果。本文笔者就此进行了探讨。
关键词：眼外科手术,眼球穿通伤,修补术,临床应用
参考文献
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黏弹性物质 篇2
双组分互穿网络聚合物是由2个不同化学组分分别形成的各自独立的网络,且2个网络相互缠结在一起构成“拓扑键”形式的互穿网络聚合物,简称IPN。其中有一种称为假IPN,在它的内部有一个组分通过交联形成网络,而另一聚合物则以线型链形式存在,每条线型分子通过不同网格互穿在产物中;另一种则是2个组分分别形成网络以后互穿在一起,称为全IPN[1]。
采用互穿网络技术合成的具有互穿网络结构的吸水材料(简称WIPN)粉碎成颗粒可注入地层深部,在地层条件下吸水膨胀后可以使后续注入水实现液流转向,从而扩大注入水的波及面积,实现增油降水。由于WIPN在地层中会受到一定的压差作用,所以需要其具有可移动性,这就要求WIPN具有一定的弹性和黏性,因此研究WIPN的黏弹性十分必要。
影响WIPN黏弹性的主要因素是2个聚合物网络的各自交联程度及2个网络间的结合缠绕程度,吸水量的多少直接影响到聚合物网络的疏密、分子链的伸展,进而影响到其黏弹性。国内外学者对传统的凝胶类吸水材料已经进行了比较系统的研究[2,3,4,5,6,7],但WIPN不同于常规的水凝胶,其强度远大于后者。本实验主要从流变学角度研究WIPN的黏弹性以及吸水倍率、温度等因素对WIPN黏弹性的影响。
1 实验
1.1 材料制备
参照文献[8]采用乳液聚合制备具有互穿聚合物网络结构的复合吸水材料(WIPN)。
1.2 性能测试
应用HAAKE公司RS600流变仪,选用带网格的平行板测量头PP20在CS模式下进行测量。分别用动态(应力、频率扫描)和稳态(蠕变-恢复实验)方法研究WIPN的黏弹性。应力扫描条件:25℃,1Hz,扫描范围10～5000Pa;应力动态扫描条件:25℃,改变施加应力50～3000Pa,扫描范围0.1～1Hz;变温应力扫描条件:25～80℃内自动升温,施加应力500Pa,扫描频率1.0Hz;稳态蠕变恢复条件:25℃,施加不同应力。吸水倍率Q按式(1)计算:
undefined
式中:Q为吸水倍率,g/g;m1为吸水后试样的质量,g;m0为吸水前试样的质量,g。
1.3 样品准备
将1mm厚WIPN薄片放在模拟盐水(NaCl 1000mg/L,CaCl2 100mg/L)中,在80℃条件下分别放置若干天,得到吸水倍率不同的样品(见表1)。
2 结果与讨论
2.1 动态研究
采用频率扫描,即在固定的应力(通常小于临界应力)作用下测量材料的弹性模量G′和黏性模量G″随振荡频率的变化。该方法能在不破坏样品结构的情况下对黏弹性材料提供一种指纹信息,获得与样品弹性和黏性有关的直接信息。
2.1.1 应力扫描
图1为应力扫描实验结果。
从图1中可以看出,1#样品在5000Pa内没有出现拐点,应力与G′仍保持线性关系;2#样品刚刚出现拐点;3#样品在3000Pa以后就开始出现拐点,说明吸水越多材料越容易被破坏。这是由于过多的水分会使聚合物网络分子趋于伸展状态,一旦受到外力就容易发生链的滑移和断裂,使结构遭到破坏,表现为出现拐点。由于材料的互穿结构使得样品在吸收大量水分之后仍然具有较高的应力破坏极限,如果不是微相间互穿,在吸水情况下材料在较低的应力下就会由于相界面的滑脱等原因而被破坏。
2.1.2 变应力动态扫描
图2、图3为2#样品在不同应力下G′、G″与扫描频率f的关系曲线。由图2、图3可知,在研究范围内,体系的G′、G″与f的关系曲线基本平行于X轴,且G′明显大于G″。黏弹性理论认为,弹性是体系的固体行为,黏性为体系的液体行为,G′显著大于G″说明体系弹性大于黏性,以固体属性为主,这是由体系中的互穿网络结构所致;在研究范围内G′、G″随f变化不大,说明体系结构稳定,没有发生破坏。在同一应力下,随着f的升高,G′升高,G″降低。随着应力的增加,G′逐渐降低,G″逐渐升高。其原因是,在高应力下构成聚合物网络的分子链产生应变的幅度大,分子链在外力作用下发生伸展、扭曲、松弛等现象更明显,分子取向更加柔顺,固体属性相对减弱,液体属性相对有所增强。
2.1.3 吸水倍率对黏弹性的影响在25℃、CS模式、500Pa应力、扫描范围0.1～1Hz的条件下测1#-3#样品的黏弹性,研究吸水倍率对黏弹性的影响,结果见图4、图5。
2.1.4 变温动态扫描
在25～80℃范围内自动升温,CS模式,施加应力500Pa,扫描频率1.0Hz,研究吸水倍率对WIPN样品黏弹性的影响,结果见图6、图7。
由图6可以看出,随着测量温度的升高,G′逐渐减小,在研究范围内呈线性趋势递减,这是由于温度升高后,网络分子获得的能量增加,分子运动加剧,分子链取向更加复杂。1#-3#样品的G′依次降低5.7%、6.5%、10.3%,可见吸水倍率越高的样品,其弹性模量受温度的影响越大,这是由于温度主要影响交联分子链的应变,温度越高越容易应变;而吸水越多分子链越趋于简单化、伸直状态,温度升高对伸直状态分子取向的影响远大于对处于弯曲状态分子的影响。
由图7可知,在一定范围内G″与T呈直线关系变化,温度对G″的影响不大;当温度升高到一定后(定义为T′,黏性模量转变温度),随着温度的逐渐升高G″增大,吸水倍率越高,T′越高。这可能是由于分子链的取向发生改变需要能量,吸水越多分子链越趋于伸直状态,发生取向改变需要的能量越多,因此T′越高。随温度升高(高于T′)样品的液体属性增多,G″增加。温度超过T′后,G″急剧增加的原因可能是,较高的温度为分子链的取向改变提供了能量,温度越高能量越充足,分子构向变化越容易、越频繁,从而导致黏性模量增加。
2.2 稳态蠕变恢复
蠕变恢复特性的研究是分两步完成的。首先是应力恒定(σ(t)=σ(0))不变,应变ε(t)随时间改变,称之为蠕变;随后应力(σ(t))全部或部分解除,观察已发生的应变随时间的变化(应变减少),称之为恢复。
在静态实验中,当t=0时,突然施加一定的剪切应力σ,而后随时间的延长保持其值不变,剪切应变γ将随着时间而变化。当t=t1时,突然移去σ,则剪切应变从平衡态随时间的延长逐渐衰减[9]。
2.2.1 应力对蠕变恢复的影响
25℃,CS模式,在100～6000Pa范围内改变施加应力,研究不同应力下1#样品的蠕变恢复特性,结果见图8。
图8表明,施加应力越大,应变γ越大,当应力达到6000Pa时,在研究范围内γ仅为0.114,其推迟蠕变阶段仅几秒钟,蠕变速率迅速降低并达到恒定值;当应力撤销后恢复到最小应变的时间非常短。这主要是因为材料的蠕变恢复行为受材料黏弹性的控制,材料弹性越好,在蠕变阶段变形越难,恢复阶段越易恢复到最小形变状态;材料的黏性越大,在进行恢复实验时,恢复到最小形变状态越难,需要的时间就越长。WIPN中吸水聚合物微相与橡胶交联网络微相高度互穿,橡胶网络为材料提供了优异的弹性性质,所以WIPN的弹性远大于黏性,在聚合物网络中吸附大量水分子后仍具有很高的弹性。即吸水颗粒以挤压变形的方式通过地层孔喉后可迅速恢复原状,有利于对高渗层的封堵,而且其高强度可使封堵不易突破。
2.2.2 吸水倍率对蠕变回复的影响
25℃,CS模式,施加应力500Pa,研究吸水倍率对样品蠕变恢复特性的影响,结果见图9。
图9表明,吸水倍率越高应变γ越大,吸水倍率越低恢复后的残余应变越小。这是由于吸水越多分子链越趋于伸直状态,弹性模量越低,在外力作用下应变越大,撤去外力后不可恢复应变越大。从分子角度考虑,吸水多的样品分子链长期处于紧绷状态,弹性能力下降;稍有外力增加,形变就很明显,外力除去后分子链不易完全恢复,与低吸水样品相比残余应变较大。
3 结论
通过乳液聚合制备了吸水材料(WIPN),RS600流变仪动态研究表明,吸水后材料的固体属性远大于液体属性,G′的数量级为104Pa,而G″仅在102～103Pa之间;吸水倍率升高,由于交联分子链的弹性减弱,G′、G″均降低;随温度升高,G′平缓降低,G″出现上升拐点,吸水倍率越高,拐点出现得越晚,说明在较高吸水倍率下,聚合物分子链处于紧绷状态需要较高的能量才能发生应变。
稳态蠕变恢复研究表明,材料弹性好蠕变阶段不易变形,恢复能力强;吸水倍率越高变形能力越强,残余应变越大。
摘要：通过乳液聚合制备了具有分子互穿网络结构的吸水材料(WIPN)。应用RS600流变仪研究了吸水材料(WIPN)吸水后的黏弹性及吸水倍率对黏弹性的影响。动态研究表明,吸水材料的固体属性远大于液体属性,弹性模量G′的数量级为104Pa,而黏性模量G″仅在102～103Pa之间;吸水倍率升高,由于交联分子链的弹性减弱,G′、G″均降低;随温度升高,G′平缓降低,G″出现上升拐点,吸水倍率越高,拐点出现得越晚,说明在较高吸水倍率下,聚合物分子链处于紧绷状态,需要较高的能量才能发生应变。稳态蠕变恢复研究表明,材料弹性好,蠕变阶段不易变形,恢复能力强;吸水倍率越高,变形能力越强,残余应变越大。
关键词：互穿网络,吸水材料,黏弹性
参考文献
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黏弹性物质 篇3
黏弹性减振器是一种由黏弹性阻尼材料、约束钢板等组成的层合结构,有着可承受重载负荷、工作过程中变刚度和吸收振动能等特点,能显著降低机械对振动冲击的响应;实际使用维护方便,经济可靠[1]。因此,该设备可应用于大型工程机械、铁道车辆的减振系统等领域, 如用于履式车辆悬架机构、自卸车厢支撑组件中。然而,黏弹性减振器的高分子材料具有大变形、严重非线性及不可压缩等特性,使其动态特性有着显著的非线性刚度、阻尼特征,并且与激振振幅、频率相关[2,3,4,5,6]。故在实际应用结构中分析其缓冲减振性能难度较大。
目前,国内外学者在研究黏弹性材料阻尼减振降噪方面,大多数都在小载荷、高频振动工况下对黏弹性减振元件进行研究[7,8,9,10,11,12,13,14,15,16]:或关注其力学特性分析、建模及参数识别;或利用商业软件在时域上对其阻尼结构进行振动仿真分析;或注重于阻尼材料特性及寿命预测等问题。而对在大载荷、低频振动工况下的多层阻尼结构的黏弹性减振器的研究较少,对其非线性阻尼缓冲特性的研究更为鲜见。
本文运用非线性理论,以已应用于某型号履式车辆的黏弹性减振器为研究对象,分析其固有频率共振区附近的幅频特性和缓冲减振性能,以及系统各参数与幅频特性之间的关系,为减振器的设计优化提供理论依据。
1 黏弹性减振器简介
以已应用于某300kW履式车辆行走机构的黏弹性减振器为研究对象进行研究,该机构整体质量为50 000kg。该减振器为上下对称的多层组合结构(图1a),上半部分安装于车辆行走机构的履带架上,下半部分安装于悬架上。按减振器各层功能分类有4层,分别为约束层、基础橡胶层、中间橡胶层、接触橡胶层。其中,基础层能保证强度要求,中间层能吸收振动能,接触层耐磨。加入各层的金属填充粒可增加橡胶材料的导热性能,金属网可增加基础层的强度及散热能力。
当车辆行走机构受到振动冲击时,通过上下各功能层的挤压变形,将振动能转换为橡胶高分子材料的内摩擦能,再以热能进行散逸,从而有效降低车辆的振动与噪声水平。由于橡胶材料的应力应变关系是非线性的(应变滞后于应力),形成椭圆形的迟滞回路曲线,曲线封闭的面积即为橡胶材料受力过程中损耗的能量。
图1b所示为该黏弹性减振器的载荷—位移曲线,根据曲线形态分为4段。其中,第1段(0～a段)为小载荷工段,其中a点表示当载荷为等效质量车身的重力值时,减振器在静平衡位置的变形量;第2段(a～b段)为常用工作载荷段,中间橡胶层工作最多;第3段(b～c段)为大载荷工作段,基础橡胶层参加工作;第4段(c点以上)为严重载荷状态,将此段曲线作为小概率事件处理。
1.金属网 2.橡胶 3.金属填充粒 4.支撑柱 5.约束钢板 Ⅰ.约束层 Ⅱ.基础橡胶层 Ⅲ.中间橡胶层 Ⅳ.接触橡胶层 (a)黏弹性减振器的结构
(b)载荷-位移曲线
2 单自由度建模及求解
本文将该减振器的力学模型简化为多段非线性非对称模型,由非线性刚度、阻尼构成[17]。各段刚度、阻尼系数可通过曲线拟合获得。
质量m的单自由度振动系统的强迫振动微分方程为
(2)
(3)
式中,x为质量块的位移;K(x)、
将式(1)中非线性部分与其线性部分相比,并将较小的项用小参数ε表示,令
(4)
根据平均法[18],采用一次近似的KB变换,求得系统在固有频率共振峰附近的幅频特性函数为
λ=P/(mA)
其中,δe(A)为等效线性衰减指数,ωe(A)为等效线性固有频率,其表达式如下:
当A<e2时,
当e2≤A<e3时,
当e3≤A<e1时,
当A≥e1时,
3 结果分析
系统参数如下[19,20]:m=6250kg;k11=2.6×106N/m,k12=1.74×1010N/m3;k2=9×106N/m;k3=16×106N/m;e1=12mm;e2=4mm;e3=7mm;c1=2.5×104N·s/m,c2=3×104N·s/m,c3=3.2×104N·s/m,c4=3.6×104N·s/m。
3.1 幅频曲线特性
图2a所示为激励载荷幅值P=25kN时,系统在固有频率共振区附近的幅频特性曲线。图中幅频曲线呈现出一个较大拐弯,非线性特征明显。当激振频率缓慢增大时,振幅从B点连续变化至C、D点,再至共振尖峰值E点,突降至E′点;相反,当激振频率缓慢减小时,振幅从M点连续变化至 H、G点,再突升至G′点,然后至C、B点。因此EF、FG段所对应的振动为不稳定区。这种振幅突然变化的现象称为跳跃现象。另外,骨架曲线(等效线性固有频率曲线)随着振幅变化,系统固有频率也在变化,从而自动避开共振频率,有效抑制振幅、减缓冲击。
图2a中,当振幅A<e2时,是一硬弹簧的达芬系统。当e2≤A<e3时,BC、GH段表现出一段非线性与一段线性共同作用的硬弹簧幅频特性。当e3≤A<e1时,CD、FG段表现出一段非线性与二段线性共同作用的硬弹簧幅频特性。当A≥e1时对应DE、EF段,拐点虽仍向右倾斜,表现出硬弹簧的幅频特性,但曲线亦有向左弯曲形态,说明幅频曲线特性受到硬特性与软特性这两种非线性因素的综合影响;此时减振器回弹时,其上下部分将分离至不再接触,然后碰撞、重新接触压缩变形,其中不再接触时会导致其软弹簧特性。可见,严重载荷的强迫振动会导致减振器工作不稳定;但由于此极限工况极少发生,故如前文所言处理为小概率事件。
图2b所示为激励载荷幅值P=15kN时,系统在固有频率共振区附近的幅频特性曲线和传递率曲线。图2中,系统共振频率在2～8Hz的低频区域;力传递率系数随着频率增大,上升较缓慢,减振性能较好。可见,该减振器适合于自身固有频率和行驶作业振动主频率均较低的工程机械;并且该减振器在重载下,振动位移幅值变化不大(小于12mm),可满足支承强度及稳定性要求。
3.2 激励幅值与幅频特性关系
图3a所示为激振载荷幅值与振幅、振频之间的三维关系。由图3a可见:在同一振频下,随着激励载荷的增大,振幅变大;同一振幅下,当载荷增大时,固有频率却基本不变(因刚度同时也变大)。故减振器在不同激励载荷下,具有不同的非线性振动响应,从而适应激励载荷多变的要求,使重载和轻载都有较好的减振效果。
图3b所示为共振峰值恰为各拐点值时的幅频曲线。由图3b可知:当P≤3669N时,减振器仅作达芬系统振动,减振性能一般;当3669N<P≤7499N时,减振器作一段非线性、一段线性共同作用的分段振动,减振性能较好;当7499N<P≤18 222N时,减振器作一段非线性与两段线性共同作用的的分段振动,减振性能突出。因此,激励载荷越大,减振器的阻尼减振性能越突出;适合在大载荷工况下工作。
3.3 非线性刚度值与幅频特性关系
图4a所示为第一段主刚度k11和振幅、振频之间的三维关系。在同一振频下,随着k11的增大,振幅也变大;同一振幅下,随着主刚度k11的增大,系统固有频率也变大。故适当降低k11值,可降低系统振幅和固有频率。
以初始数据得到的幅频曲线1为参照,每次其他参数不变,依次改变k12、k2、k3的值,得到幅频曲线2～4,如图4b所示。将曲线1分别和曲线2～4对比可知,增大k11、k2、k3值,振幅变小,但不稳定区域变大,跳跃现象也更加明显。故在系统稳定性要求范围内,可适当增加k12、k2、k3值,以降低振幅。
3.4 阻尼值与幅频特性关系
图5a所示为阻尼c1与振幅、振频之间的三维关系,同一振幅下,阻尼增大,而固有频率不变,表明阻尼对系统固有频率不产生影响。图5b所示为分别改变阻尼c1、c2、c3而得到的幅频曲线。由图5可知,随着阻尼值的增大,系统共振尖峰幅值均变小。因此,在黏弹性减振器的发热功率允许范围内,增加阻尼值,可显著降低系统的振动幅值。
3.5 质量与幅频特性关系
图6所示为质量分别为5000kg和8000kg时的幅频曲线。由图6可见,随着质量m增大,振幅变大,而系统等效线性固有频率变小。故选取减振器的特性参数时,须考虑其承载质量参数而确定,以减小振动。
4 结论
(1)黏弹性减振器可自动避开共振频率,且力传递率系数在固有频率共振区上升缓慢,阻尼减振性能较好;振动位移幅值变化较小,满足重载下的支承强度及稳定性要求。
(2)在系统稳定性要求范围内,适当降低k11值,或增加k12、k2、k3值,可有效降低系统振幅;在黏弹性减振器的发热功率允许范围内,增加阻尼值,亦可显著降低系统振幅。
(3)黏弹性减振器适合在低频、大载荷工况下工作;其力学特性参数应与承载质量相匹配。
摘要：为研究黏弹性减振器的非线性阻尼缓冲性能,根据其结构特点和非线性特征,建立单自由度分段非对称非线性振动模型,并由平均法推导出系统固有频率共振区附近的幅频特性方程。以安装在某300kW履式拖拉机的黏弹性减振器为应用对象进行研究,分析系统在固有频率共振区附近的非线性特性和阻尼减振性能。讨论了幅频特性分别和激励幅值、刚度系数、阻尼系数、质量之间的关系,并提出改善系统减振性能的建议。
黏弹性物质 篇4
电流变体作为一种新型智能材料,以其响应迅捷、可逆、温度稳定性好等良好的力学特性越来越受到科技界及工业界的青睐,电流变减震器也在许多领域得到越来越广泛的应用[1].这些电流变减震器往往工作在复杂的动态场合,如往复振荡、冲击加载等.因而了解电流变体在这些动态场合下的力学特性对研究电流变减震器的实际应用具有重要的意义.
早期的研究工作主要是以研究电流变体在受到静力作用或受到单一方向恒定速率的剪切力作用时所表现出的力学特性.目前国内外对振荡剪切下的研究相对较少,已有少量研究表明,电流变体的动态特性与场强大小、剪切频率、振幅有关.Yen等[2]用低频正弦位移信号对电流变体的阻尼力响应进行了实验研究,研究结果表明:电流变体在较小的正弦激励幅值作用下,表现出黏弹性特性;在较大的正弦激励幅值作用下,表现出塑性特性.Gamota等[3]对屈服前区的电流变液在高频下的动态特性做了研究,研究表明:在小幅、高频振荡剪切情况下,电流变体呈现为线性黏弹性,储能模量和损耗模量都随场强的增加而增加,损耗角则随着场强的增加而减小.且随着场强的增加,储能模量和损耗模量与频率的依赖关系越来越明显.
本文通过对电流变体在小应力幅和大应力幅的频率扫描;在低频和中频的应力扫描,对电流变体在振荡剪切下的流变特性进行测试.
1 实验
1.1 实验材料
本文所选用的电流变材料为乙烯纳米SiO2,稀土羧酸盐分散在羟基硅油中形成的电流变液.
1.2 动态测试系统
本文所使用的测试仪器是HAAKE RS600流变仪.该测试仪器的内部结构如图1所示.电流变液放置在上极板与下极板之间1mm的间隙内,测试时在此间隙内注入0.4ml的电流变液.上极板与振荡转子驱动器相连,振荡激励时,上极板所受到的阻尼力矩由传感器测量出来,对应的剪切应力τ为
对应于时间的应变值γ为
材料的复模量G*为
2 实验结果及分析
电流变体的静态屈服应力为电流变体流动时的最小应力,与Bingham[4]模型中的动态屈服应力有所区别.当施加的剪切力小于静态屈服应力时,电流变体工作在屈服前区;相反,则工作在屈服后区.本实验将分别研究屈服前区和屈服后区的黏弹特性,因此首先通过静态剪切实验确定电流变体在某一电场强度下的静态屈服应力或应变,以此作为划分屈服前区和屈服后区的依据.
图2为电流变体在电场强度3.5kV/mm下静态屈服应变实验结果,两曲线的交点即为屈服点,此点对应的应力和应变分别为电流变静态屈服应力和屈服应变.
鉴于屈服应变很小,本文采用应力可控模式,从两个方面研究了电流变体在振荡剪切下的流变特性:
(1)频率扫描:将应力幅分别固定在屈服前区和屈服后区,振荡频率从0.01 Hz增加到100Hz.
(2)应力扫描:将振荡频率分别固定在0.1 Hz和50 Hz,应力幅从0Pa增大到2000 Pa.
2.1 振荡频率对黏弹性的影响
实验时将剪切应力T0分别设定在0.2Pa和2000Pa,振荡频率从0.01 Hz增加到100Hz.电流变体的储能模量G',损耗模量G",损耗因子G"/G'在电场强度为3.5kV/mm下与振荡频率的关系如图3所示.
实验发现:在屈服前区的低频段,如图3(a)所示,储能模量G'和损耗模量G"都随着频率的增加而增加,而在屈服前区的中频段,储能模量G'和损耗模量G"则随着频率的增加而下降,说明尽管剪切应力幅设定在屈服前区,但随着频率的增加,使材料内部的结构产生了变化,电流变体的链结构被削弱甚至破坏.损耗因子则随着频率的增加一直减小,说明频率越高,电流变体的弹性行为越强,如图3(b)所示.
在屈服后区,如图4(a)所示,储能模量、损耗模量都随着频率的增加而增加,并没出现屈服前区的转折现象,损耗因子随着频率的升高而减小,同屈服前区一样,只是减小的幅度要比屈服前区的大,如图4(b)所示.
2.2 剪切应力幅对黏弹性的影响
将振荡频率分别设定在0.1 Hz和50Hz,以研究电流变体在低频和中频下的流变特性.
图5为电流变体在电场强度3.5kV/mm,频率为0.1 Hz下的应力扫描结果,图6为电流变体在电场强度3.5kV/mm,频率为50 Hz下的应力扫描结果.从实验结果发现在低频0.1 Hz下和中频50Hz下电流变体的流变特性基本相同,储能模量G',损耗模量G"都随着应力幅的增大而下降,最后趋于平缓,说明随着剪切应力增大,材料的刚性和阻尼特性均下降;损耗因子G"/G'在低剪应力段变化很小,之后随着剪应力的上升而增大,表明剪应力越大,材料的黏性流动性越强.这种实验结果可以认为剪切应力越小,颗粒形成的链结构变形越小,越不容易断裂,呈现出弹性为主导地位的状态;随着剪切应力的增大,可能剪断某些链从而使流体的黏性流动增强,当剪切应力超过屈服应力时,电流变体的内部链结构都可能被剪断从而完全进入屈服后区阶段.
3 结论
(1)在屈服前区的低频段,电流变体的储能模量G'及损耗模量G"随着振荡频率的增加而增加,中频段随着频率的增加而减小;而损耗因子G"/G'则随着振荡频率的增加而减小,表明频率越高,材料的弹性贡献越强.
(2)在屈服后区,电流变体的储能模量G'及损耗模量G"随着振荡频率的增加而增加,损耗因子G"/G'随着振荡频率的增加而减小.
(3)在应力扫描实验中,在低频和中频状态下,储能模量G'及损耗模量G"均随着振荡应力幅的升高而下降,损耗因子随振荡应力幅的上升而上升,表明磁流变材料的黏性随着振幅的上升而逐渐起主导地位.
利用流变仪对电流变体进行了强制振荡实验,测试了流体在不同应力幅值、应力频率下,电流变体储能模量、损耗模量、损耗因子随剪切应力幅、剪切频率的变化规律,为了解电流变体的流变特性提供了实验指导.但同时也发现利用现有的流变仪研究这类特殊的材料时也存在一些不足,比如对电流变体施加电场后,电流变体向固态转变,会出现电流变体与流变仪上下极板处于滑动状态,电流变体并不是处于剪切状态,给测试数据带来了误差,因此如何测量此类新型材料也是一个值得研究的方向.
参考文献
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黏弹性物质 篇5
1 实验材料与方法
驱替实验用油为胜利油田坨四外输原油, 70℃时黏度为70.3 m Pa·s。微观实验用油为坨四外输原油与煤油1∶1比例混合, 25℃时黏度为18.7m Pa·s。可视化实验用油为煤油, 为了便于实验观察用苏丹红染成红色, 25℃时黏度为2 m Pa·s。实验用水为模拟地层水, 用Mg Cl2·6H2O、Ca Cl2、Na Cl和蒸馏水配制, 矿化度为19 334 mg/L。所用PPG颗粒为100~150目, 粒度中值 (D50) 为211.3μm, 浓度为2 000 mg/L, 70℃和25℃时黏度分别为2.1m Pa·s和5.3 m Pa·s。
非均质双管填砂岩心调驱实验高渗岩心渗透率为7.5μm2, 低渗岩心渗透率为1.45μm2, 采用合注分采的方式, 注入速度为0.3 m L/min。将岩心饱和油后在70℃恒温水浴中老化72 h, 用地层水驱至出口端综合含水率达到98%时, 再注入0.5 PV的PPG, 之后继续水驱至出口端综合含水率为98%, 停止实验, 实验过程中记录调驱过程中压力、双管分流量以及采收率随注入孔隙体积倍数的变化。
非均质平板夹砂模型如图1所示, 模型均布四条不同渗透率条带, 填砂区域10.5 cm×8.5 cm, 孔隙体积为2.56 m L, 填砂区域两端预留有引流槽, 引流槽中间设有注液口和采出口, 模拟注入井和生产井。实验按照模型抽真空—饱和地层水—饱和油—注水—PPG驱的步骤, 注入速度为0.05 m L/min。
非均质玻璃刻蚀网络模型, 实验室自制, 模型大小60 mm×60 mm, 其中刻蚀区域20 mm×20 mm, 实验按照模型抽真空—饱和地层水—饱和油—水驱至不出油—PPG驱的实验步骤进行, 注入速度为1.5μL/min。
2 实验结果及分析
2.1 PPG在非均质岩心中的渗流特性研究
调驱过程中压力随注入孔隙体积倍数 (PV) 的变化如图2所示, 可以看到, 水驱后随着PPG的注入, 压力迅速上升, 后续水驱阶段压力维持在最大值附近, 并呈锯齿状波动。PPG注入时, 黏弹性颗粒会在岩心喉道处发生堵塞, 产生一个附加的流动阻力;随着PPG的不断注入, 凝胶颗粒在孔道处堆积, 驱替相流动阻力不断加大。后续水驱压力产生锯齿状波动变化原因有两个:一方面后续驱替水相推动堵塞在孔道中的黏弹性凝胶颗粒继续向岩心深部运移, 凝胶颗粒变形通过孔道后卸压, 使压力降低, 通过后的凝胶颗粒会继续在下一个孔道处堵塞, 增大流动阻力;另一方面, 压力升高使水相从凝胶颗粒和孔道之间挤出一条暂时性的水流通道, 由于凝胶颗粒的弹性作用, 水流通道不断的闭合与开启, 引起压力的波动。
图3给出了整个调驱过程中非均质岩心管分流量随PV数的变化, 由图3中分流量的变化可以看出, 水驱初始, 高渗和低渗岩心的流量比为65∶35;随着水相的推进, 双管分流量差异逐渐增大, 高渗岩心出口端见水后, 后续水驱主要沿高渗岩心中形成的水流通道通过, 此时双管分流量差异达到最大, 高渗管分流量高于90%, 低渗管分流量低于10%, 一直持续到水驱阶段结束。注PPG段塞后, 高渗管分流量迅速降低, 低渗管分流量迅速升高并超过高渗管, 高渗管和低渗管分流比达到20∶80, 即低渗管中的流量要高于高渗管, 也就是说液流出现转向, 说明PPG颗粒对高渗透岩心进行了有效封堵, 显著改善了非均质岩心的吸水剖面。后续水驱阶段PPG的调剖效果依然持续有效, 高渗和低渗岩心分流量比在30∶70附近波动, 说明PPG具有很强的调剖封堵与耐冲刷能力。
图4是整个调驱过程中岩心采收率随PV数的变化曲线, 可以看到, 水驱阶段, 高渗透岩心采收率48.1%, 低渗透岩心采收率仅为27.6%, 层间采收率差异显著, 前期注水主要以开发高渗透油层为主。
注PPG调驱后, 双管合采收率达60.4%, 比水驱采收率提高22.9%, 其中低渗透岩心采收率提高幅度显著, 较水驱阶段增加32.1%;高渗透岩心增加幅度较小, 仅为13%。这是由于前期水驱结束后, 低渗透油层相对高渗透油层有较高的剩余油饱和度, 注入PPG段塞对高渗透油层进行有效封堵, 增大高渗油层的流动阻力, 造成后续驱替相的液流转向, 提高低渗透油层采收率。由图3可知PPG调驱后低渗透油层分流量一直高于高渗透油层。后续注水结束时高渗和低渗岩心采收率分别为61.1%和59.7%, PPG段塞能有效地改善层间非均质性的差异。
2.2 PPG驱油性能研究
我们通过平板夹砂模型进行可视化实验, 研究了PPG体系在非均质模型中对原油的驱替情况。注入不同PV数的PPG驱替时的油水分布图像如图5所示, 可以看到, PPG在不同渗透率条带推进时有明显一致的波及前缘, 说明PPG具有显著的改善地层非均质性的能力。驱替结束时填砂区域不存在大块连片的剩余油, 波及系数显著增大, 最终采收率高达89.0%。
注PPG阶段各渗透率条带的剩余油采收率随注入PV数的变化如图6所示, 各渗透率条带采收率随着注入PV数呈现阶梯状上升的趋势, 并且每条采收率曲线随PV数保持基本不变与升高的阶段各不相同:注入0.6 PV的PPG之前, 高渗条带3采收率一直保持在50%, 条带1、条带2和条带4采收率升高。这是由于在前期水驱阶段水相从中突破, 条带3中剩余油饱和度小, 且主要分布在出口端附近, 在PPG波及前缘未达到条带3中剩余油富集区之前, 条带3中的采收率基本保持不变;黏弹性颗粒在高渗条带3中堵塞, 引起驱替相在条带3中的流动阻力增大, 液流进入流动阻力较小的条带1、条带2和条带4驱油。0.6~1.0 PV, 低渗条带2的采收率也开始基本保持不变, 条带1和条带4采收率继续升高。1.0 PV时, PPG驱替前缘开始波及到高渗条带3的剩余油, 条带3采收率开始上升。1.0 PV以后, 各采收率曲线仍然阶梯状上升, 但各条带采收率值已基本相同, 说明由于PPG的交替封堵使液流不断转向, 不同渗透率条带的驱替前缘已达到一致, 地层非均质性得到改善, 并一直持续到驱油结束。
2.3 PPG提高采收率微观机理研究
为了得到PPG对层间非均质改善的作用机理, 我们又进行了非均质微观模型驱油实验。微观驱替过程中不同时刻的油水分布如图7所示, 红色箭头示意此时的液流位置和方向。图7 (a) 为饱和油后的实验模型, 可以看到高渗层和低渗层都已经饱和进原油。图7 (b) 为水驱阶段的油水分布, 可以看到驱替水相沿高渗区域的大孔道窜进, 而低渗区域小孔道以及高渗区域的边角处未被波及。水驱后注PPG, 黏弹性颗粒优先进入大孔道并在在大孔道入口处堆积堵塞, 增大高渗区流动阻力, 使后续驱替液相流向流动阻力较小的低渗中间区域[如图7 (c) 和图7 (d) 所示];驱替液相中的PPG同样会在中间低渗区堆积, 中间低渗区阻力增加, 注入压力升高, 当注入压力足以使高渗入口端堵塞的黏弹性颗粒变形通过孔道时, 驱替液进入高渗区域, 图7 (e) 和图7 (f) 显示PPG推进到高渗区2/3处停止;注入压力继续升高, 但不足以克服颗粒堵塞区域 (中间小孔道和上端大孔道) 的流动阻力, 液流转而流向低渗区域下端[如图7 (g) 和7 (h) 所示], 直到注入压力高于堵塞在高渗区颗粒变形流动阻力, 液流重新在大孔道中推进[如图7 (i) 所示]。可见, 对水驱阶段未被波及到的低渗区域和高渗区域边角的剩余油, PPG体系可以进行有效的波及驱替。
正是由于PPG具有黏弹性, 压力足够高时可以变形通过孔道, 在整个驱替过程才能不断的对不同渗透区域、不同孔径的孔道进行交替封堵, 动态的调整不同区域的流动阻力, 引起驱替液流的不断转向, 最终得到很高的波及系数, 这对提高剩余油采收率至关重要。
3 结论
通过非均质双管填砂岩心调驱、非均质平板夹砂模型可视化驱油室内物理模拟实验及非均质玻璃刻蚀模型微观驱油实验, 系统地考察了PPG提高非均质油层采收率机理, 得到如下结论:
(1) PPG具有黏弹性, 可以有效封堵岩心大孔道, 并能在岩心孔道中以重复堵塞与变形通过的方式运移;PPG能显著改善非均质地层的吸水剖面, 具有很强的调剖性能与耐冲刷能力。非均质油层进行PPG段塞调剖后能大幅度提高低渗透油层采收率, 改善层间非均质性的差异。
(2) PPG具有显著的改善地层非均质性、增大波及系数的能力, 能在不同渗透率条带形成明显一致的波及前缘。
(3) PPG驱替过程中能对不同孔径的孔道进行交替封堵, 造成动态的液流转向, 对水驱阶段大孔道高渗区域边角和低渗区域小孔道内的剩余油进行有效波及。
(4) 实现驱替相的动态液流转向、扩大波及系数是PPG提高非均质油层采收率的主要机理。
参考文献
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黏弹性物质 篇6
关键词：聚合物溶液,黏度,第一法向应力差,多孔介质,弹性
聚合物溶液在多孔介质中渗流,由于孔道连续收缩、发散,使聚合物溶液在多孔介质中流动要克服剪切应力和拉伸应力[1]。受剪切应力的作用使其在高分子团沿剪切方向定向排列,溶液剪切黏度下降;同时聚合物在孔隙和吼道中流动时还受到拉伸作用,表现出弹性,即被拉伸的分子线团试图恢复卷曲状,是流动阻力增加。因此,该溶液在多孔介质渗流时不仅表现出黏性,还表现出弹性,具有黏弹性流体的性质。由于弹性的存在,聚合物溶液除了能够提高波及体积外,还可以提高驱油效率,体系弹性增加,驱扫残余油的能力增强。
1 弹性变化规律研究
1.1 实验条件
药剂:实验中使用聚合物为聚丙烯酰胺,分子量分别为1 900万、2 500万,实验用水为人工配制大庆模拟盐水。
实验仪器:黏弹性测量实验所用仪器为美国TA公司生产的GR流变仪,选用锥板测量系统(锥板半径为50 mm,锥板角度为5°),实验温度为45 ℃,测试及数据处理绘图由计算机自动控制。
实验步骤:岩心抽空,饱和地层水,测岩心渗透率,用模拟大庆盐水配制聚合物溶液,装入中间容器,在45°条件下打开线路阀门,开启平流泵,按实验方案使聚合物溶液流经岩心,收集采出液做黏弹性实验。
1.2 聚合物溶液在多孔介质中黏度变化
聚合物溶液在多孔介质渗流过程中黏度变化是为聚合物的弹性变化提供指导依据。在恒速注入条件下对不同渗透率岩心中渗流后,收集岩心聚合物采出液,测定黏度,并与注入液黏度进行对比。
实验分别通过长0.3 m、0.6 m、0.9 m、1.2 m和1.5 m岩心渗流后,经剪切后注入黏度为196.3 mPa.s的2 500万2 000 mg/L的聚合物溶液,黏度降解率分别为8.9%、6.6%、5.4%、2.9%和1.0%。经剪切后注入黏度为190.9 mPa.s的1 900万2 200 mg/L的聚合物溶液,黏度降解率分别为8.6%、5.6%、4.4%、1.6%和0.95%。
实验结果表明,高浓度聚合物溶液在渗流过程中初期黏度降解率较大。随着推进距离的增加,黏度降解率逐渐减小,且能够保持一定的工作黏度。
1.3 聚合物溶液在地层渗流时弹性变化规律
1.3.1 聚合物溶液在多孔介质中渗流时法相应力差变化规律
通过剪切速率为0.01—500 s-1区间内分别对分子量为2 500万、1 900万。清水配制的聚合物溶液进行剪切实验,得到第一法相应力差曲线,如图所示。
根据实验所得曲线可以看出:聚合物溶液在经过模拟炮眼剪切后弹性下降严重。但在地层渗流中聚合物溶液弹性变化很小。在剪切速率10 s-1～100 s-1时表现出的弹性较小,这是因为在聚合物分子构象未舒展开之前,分子链之间缠绕成团,这阶段为解缠阶段,此时的弹性为解缠弹性。此后,随着剪切速率的增加,分子构象完全舒展,此时分子链被拉伸,弹性表现明显,此时的弹性叫做拉伸弹性。在剪切速率较高时,模拟炮眼剪切后的溶液与经岩芯渗流后的溶液弹性变化不大,但与剪切前相比,弹性下降明显,这是因为在未被剪切时,聚合物溶液分子链有长有短,大小分布明显,因此长链聚合物溶液的拉伸弹性表现明显,经过剪切后,溶液的长链分子的剪切程度大于短链分子,这使得聚合物的分子链长短分布更均匀。因此,长链分子的拉伸弹性下降较为明显,缠绕弹性有所增加。
在地层渗流过程中,在近井地带,由于渗透率较大,因此流速较快,剪切速率较大,聚合物的拉伸作用表现明显,弹性表现为拉伸弹性;在远井地带,由于渗流速度较慢,聚合物以缠结成团的方式向前推进,解缠时的弹性表现明显。当聚合物进入大小不一的孔喉时,由于“可变直径活塞”效应[2],拉伸和解缠同时存在,聚合物溶液流体边缘的流速和质量流量都高,因此黏弹性流体的流线在这些部位所改变的程度较大,弹性表现明显,地层盲端和边部聚合物溶液与油界面平行或其法线方向垂直于流动方向的原油被更多的“拽”出[3]。对于具有黏弹性的溶液,其后续流体对前缘的流体不仅有推动作用,而且前缘的流体又对其边部及后续流体有拉、拽的作用。这种拉、拽作用是由于聚合物长分子链间的相互缠绕及分子链间的相互拉、拽。聚合物溶液对残余油的拉力与分子缠绕程度有关。聚合物分子缠结越严重,它在岩心中的流动阻力就越大,从而产生拉伸,并带动后面和周围的分子运动,从而携带出盲端和边缘中的残余油,这有利于残余油的移动并富集。
1.3.2 相同黏度不同分子量聚合物溶液弹性变化规律
采用恒速实验注入清水配制的不同分子量、不同浓度但黏度相同的聚合物溶液。实验分别注入分子量2 500万2 000 mg/L和1 900万2 200 mg/L的聚合物溶液,注入黏度为180 mPa.s。采出液做稳态剪切实验,得到曲线如下:
由曲线可以看出:在相同黏度条件下,2 500万聚合物溶液在低剪切速率时的第一法向应力差小于分子量1 900万聚合物溶液,表现出的弹性小于1 900万聚合物溶液,在高剪切速率时,由于分子构象完全舒展开,因此2 500万聚合物溶液的第一法向应力差大于1 900万聚合物溶液,表现出的弹性强于1 900万聚合物溶液。
2 聚合物岩心驱替实验效果评价
实验方案:配制分子量2 500万2 000 mg/L和1 900万2 200 mg/L聚合物溶液,水驱1.5 PV,聚合物驱0.64 PV,后续水至不出油为止。
实验结果可以看出:相同黏度条件下,1 900万2 200 mg/L聚合物溶液总采收率高于2 500万2 000 mg/L聚合物溶液1.81%,驱油效率较好。这主要是因为1 900万2 200 mg/L聚合物溶液在地层渗流中的弹性大于2 500万2 000 mg/L聚合物溶液。在地层渗流时1 900万2 200 mg/L聚合物溶液在地层渗流时的第一法向应力差大于2 500万2 000 mg/L聚合物溶液;1 900万溶液产生沿各运动方向的法向力,其第一法向应力差作用于油斑,使得油斑被剥离并变小,第一法向应力差越大,对油斑的作用力越大,剥离掉的油量越大,残余油量越小。
3 几点认识
(1)聚合物溶液的黏度在近井地带下降较大,随着推进距离的增加,降解率逐渐减小,保持较高的工作黏度;
(2)聚合物溶液在多孔介质中渗流时,弹性的变化分为两个阶段:解缠时产生的弹性和拉伸时产生的弹性,拉伸弹性大于解缠弹性;聚合物溶液在大孔道向前推进时,由于孔喉结构的不规则性,使得聚合物的拉伸和缠绕同时存在,拉伸弹性和解缠弹性同时存在;
(3)相同黏度聚合物溶液,低分子量高浓度的弹性大于高分子量低浓度聚合物溶液,采收率较高。
参考文献
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黏弹性物质 篇7
喇嘛甸油田的高黏弹性聚合物驱油矿场试验是一项崭新的提高聚合物驱油效果的实践,取得了很好的增油降水效果。但由于试验区葡I1—2层平面上大面积分布的河道砂体,纵向上以多段多韵律沉积为主,非均质性严重,对高黏弹性聚合物驱油效果具有较大影响。本文较详细地分析试验区油层砂体的内部构型、韵律性、连续性、发育厚度及渗透率等地质因素对高黏弹性聚合物驱油效果的影响,并提出了高黏弹性聚合物驱油技术适应的油层条件。
1 试验区油层地质特征
试验目的层葡I1—2层为泛滥平原河流相沉积,平面上葡I1—2油层为大面积分布的河道砂体,具有分布广、沉积厚度大,砂体发育稳定的特点。纵向上以多段多韵律沉积为主,渗透率高、非均质严重的特点。葡I1—2油层纵向上可划分为四个沉积单元。其中葡I1单元与上部油层的隔层条件比较好,而其它层之间的隔层条件较差,大多为上下连通。经过二十多年的水驱开发,已进入特高含水期,油层以高中水淹为主,层内因非均质严重等因素影响,也呈多段水淹特点,且水淹程度很不均匀。
2 影响高黏弹性聚合物驱油效果的因素分析
不同河流成因的沉积模式具有不同的沉积特点,使储层具有不同的渗流特征,从而具有不同的驱油效率和剩余油分布特征。试验区主要发育两种河流沉积模式,曲流河沉积与辫状河沉积,须结合这两种河流成因及发育特点,分析砂体沉积特征对高黏弹性聚合物驱油效果的影响。
2.1 沉积砂体的不同韵律对高黏弹性聚合物驱油效率的影响
曲流河沉积纵向上“二元结构”明显,底层沉积由河床亚相的底部滞留沉积和点砂坝组成,上部层序由堤岸亚相和河漫亚相组成,主要是大量细粒悬浮物质,顶层沉积和底层沉积厚度近于相等或前者大于后者,属于典型的正韵律沉积[1]。高黏弹性聚合物驱油后,正韵律油层由于底部渗透率高,在注入压力和重力作用下,注入的聚合物溶液趋向于向渗透率高的低部位流动。在下部渗透率较高的情况下,聚合物不足以起到调剖的作用,从而使注入的聚合物溶液。在通过压力下降快的近水井地带后,与低部位渗透率高的油层存在较大的压力梯度,驱油效率高,而与渗透率低的上部油层压力梯度很小,上部驱油效率较低。
试验区7—P2025井上部发育正韵律沉积,低渗透部位渗透率0.198 μm2,高渗透部位渗透率0.860 μm2,高黏弹性聚合物驱油后低渗透部位吸水量逐渐减少,由初期的23.23%下降到4.11%。根据新钻井水淹解释资料,高黏弹性聚合物驱油后,正韵律油层顶部呈低水淹或中低水淹交互分布,底部呈大段的高中水淹(如图1)。
辫状河沉积纵向上“二元结构”不明显,底层沉积发育良好、厚度较大,而顶层沉积不发育或厚度较小,垂向上河道砂多期叠加而形成砂岩粒度相对较粗的厚砂层,剖面上砂多泥少,属于均质块状韵律或复合韵律沉积[2]。均质块状韵律油层层内渗透率差异小,高黏弹性聚合物段塞推进均匀、油层动用程度高,均质块状韵律油层高黏弹性聚合物驱油后呈现整体大段的高中水淹(如图2)。复合韵律油层属于多韵律段油层,各韵律段油层交替动用,含水波动下降,试验区7—P2188井组为典型复合韵律沉积,见效后含水由88.8%下降到79.8%,下降9个百分点后含水有所回升,三个月后含水再一次大幅度下降,下降幅度达16.4个百分点。
2.2 微相内部夹层分布特征对高黏弹性聚合物驱油效果的影响
薄夹层对驱油剂的作用不单纯是非渗透作用,薄夹层的不同形态及分布特征,将产生不同的作用,尤其对流体的渗流作用,从而对驱油剂效果也将产生重大影响。试验区点坝微相与心滩微相内部夹层分布特征不同,导致两种微相驱油效果不同[3]。
按照点坝砂体识别标志,对试验区内点坝砂体进行识别(图3),并绘制横穿点坝砂体的剖面,分析点坝砂体内部构型,曲流河点坝砂体侧积体泥岩夹层倾斜分布,倾向与废弃河道凹向一致,夹层数目由下至上逐渐增多(如图4)。
经过总结侧积泥岩主要有以下几方面作用:①局部隔层作用:将一个厚层局部分隔成几个相对薄层;②遮挡作用:使运动中的流体遇到遮挡,被迫改变流向,主要针对产状与流向斜交的夹层;③死角回流作用:当两夹层合并,致使砂层尖灭形成死角,流体受到阻碍回流;④分流、合流作用:在夹层消失部位,使流体形成分流或合流;⑤重力分异底板作用:聚集因重力分异而下沉的水,并使之沿夹层顶面流动;⑥减速缓流作用:对特低、低渗透夹层,将使流体速度逐渐变小,流量逐渐减少。
由于侧积泥岩的遮挡作用和死角回流作用,致使在油层顶部形成剩余油,高黏弹性聚合物驱油后位于点坝砂体内的6—PS2113井葡I21单元顶部低未水淹比例为27.1%。在点坝砂体下部,大部分侧积泥岩被冲蚀,使下部成为高渗透连通体,形成了注入剂运移的主要通道,驱替程度较高。
辫状河心滩形成于洪水期,此时水流形成双向环流,表流从中央向两侧流,底流从两侧向中心汇聚,水流的相互缓冲和重力作用,使河流携带的负载在河心发生沉积,洪水末期发生大范围分布的悬浮落淤沉积[4]。心滩是垂向加积的多期砂体的,砂体结构方面,内部由多个小砂层构成,心滩中部夹层近似水平,在长轴上迎水面夹层稍陡、背水面较缓,短轴上倾角相似。
根据测井解释结果对心滩砂体夹层分布及对驱油效果的影响进行了分析,心滩砂体内夹层水平分布,岩性夹层由核部向两翼增多,物性夹层由核部向两翼减少。由于夹层水平分布,平面上起到分隔流体作用,纵向减缓了重力分异作用,高黏弹性聚合物驱的油层动用程度高,水淹均匀。
2.3 连通厚度对高黏弹性聚合物驱油效果的影响
曲流河沉积内部发育有许多尖灭区及河间砂体,边部及内部还存在一定数量的废弃河道,从而使得曲流河砂体上半部侧向连通性变差,为半连通体,造成局部注采不完善,注入水难以达到附近砂体顶部,从而使砂体顶部形成剩余油。
试验区PI21单元为大型高弯曲分流河道沉积,在废弃河道边部,废弃河道部位相带变化幅度较大,相带尖灭和两相分界处仍有一定的剩余油分布。如图6所示试验区的7—P2188井在PI21单元位于废弃河道边部,油层顶部夹层多、发育差,为典型的曲流河沉积,周围2口注入井,其中7—P2100井的PI21单元顶部正好位于废弃河道上,不发育河道砂体只有表外,另一口注入井7—P2025井也位于废弃河道边部,顶部发育较多侧积夹层,受侧积夹层的遮挡作用存在较多剩余油。
辫状河道砂体平面上呈大面积连续分布,内部很少有尖灭区或废弃河道,辫状河河道快速摆动使多个成因砂体在垂向及侧向上相互连通,形成泛连通体。由于该类砂体平面及层内非均质性弱,注采关系较完善,因此,高黏弹性聚合物驱油后平面上几乎所有井点都已水淹,只有局部由于砂体厚度变薄,物性相对变差而存在一些低水淹部位。
从平面高黏弹性聚合物驱油效果来看,试验区注采井间砂体一类连通厚度大的井组开采效果好。曲流河沉积模式与辫状河沉积模式相比, 平面上相变复杂,由于平面上废弃河道与侧积泥岩遮挡影响,砂体连续性差,纵向上非均质性强,以正韵律沉积为主,高黏弹性聚合物驱油效果不如辫状河沉积。试验区葡I1—2油层为泛滥平原相沉积,葡I21单元为曲流河沉积葡I23单元为辫状河沉积沉积。根据新钻井资料统计,高黏弹性聚合物驱油后辫状河沉积的葡I23单元采出程度为52.8%,比曲流河沉积的葡I21单元的43.2%高出了9.6%。从驱油效率上来看,辫状河沉积也好于曲流河沉积,高黏弹性聚合物驱油后葡I21单元含水饱和度为53.6%,高水淹厚度比例为42.9%,葡I23单元含水饱和度为60.6%,高水淹厚度比例为65.8%。
2.4 渗透率对高黏弹性聚合物驱油效果的影响
从现场试验吸水剖面统计结果来看,注入高黏弹性聚合物后,有效渗透率大于0.3 μm2的油层为主要吸水层。虽然高黏弹性聚合物驱初期油层吸水剖面得到了很好的调整,油层动用比例由试验前的90%上升到95%,但是随着不断注入高黏弹性聚合物体系差油层动用比例开始下降。这是因为,试验初期高黏弹性聚合物体系起到很好调剖作用,渗透率小于0.3 μm2的油层吸水厚度比例由试验前的67.3%上升到71.7%,但是随着高黏弹性聚合物段塞注入量的增加,开始出现高黏弹性聚合物体系与低渗透油层的矛盾,高黏弹性聚合物体系在低渗透层注入困难,吸水剖面开始反转,2007年层间矛盾最突出时渗透率小于0.3 μm2的薄差层吸水量降到了11.2%(图8)。
油层发育较差的井注入2 000 mg/L聚合物后油层动用程度低。例如试验区7—A2125井有效渗透率为0.531 μm2,其中有效渗透率小于0.3 μm2油层有效厚度为5.2 m,占全井总有效厚度比例达40.3%。注2 000 mg/L聚合物时全井吸水厚度只有5.8 m,油层动用程度仅有45%;注聚浓度下调至1 500 mg/L后,油层全部吸水,吸水厚度增加了55%。
2.5 砂岩有效厚度对高黏弹性聚合物驱油效果的影响
根据试验前后可对比的注入剖面资料统计结果来看,注入高黏弹性聚合物后,有效厚度小于1 m的油层动用程度较低,有78.8%的油层不吸水,有效厚度(1—2) m的油层吸水比例为76.6%,有效厚度(2—5) m的油层吸水比例为91.6%,有效厚度大于5 m的厚油层吸水比例达92.9%。从注入剖面动用情况看,有效厚度大于1 m的油层适合注高黏弹性聚合物(图9)。
3 结论
通过喇嘛甸油田高黏弹性聚合物驱油现场试验区砂体沉积特征分析可以看出,辫状河沉积高黏弹性聚合物驱油效果好于曲流河沉积即连通厚度大、均质块状或复合韵律沉积砂体的驱油效率高,微相内夹层水平分布的高黏弹性聚合物驱油效果好,并且高黏弹性聚合物体系适合渗透率0.3 μm2以上、有效厚度大于1 m的油层。
摘要：喇嘛甸油田的高黏弹性聚合物驱油试验取得了明显的增油降水效果。采收率提高幅度在20%以上,总采出程度超过60%,已成为大庆油田4 000万吨稳产的重要技术之一。从砂体成因入手,结合动态数据,分析试验区不同沉积模式砂体沉积特点。总结出不同油层条件对高黏弹性聚合物驱油效果影响,为高黏弹性聚合物驱油技术推广应用时方案设计及动态分析提供依据。
关键词：高黏弹性聚合物,动用程度,渗透率
参考文献
[1]薛培华.河流点坝相储层模式概论.北京:石油工业出版社,1991:51—55
[2]马世忠,杨清彦.曲流点坝沉积模式、三维构形及其非均质模型.沉积学报,2000;18(2):241—246
[3]马世忠,崔义,阎百泉,等.单砂体内部薄夹层级次、成因、类型研究.大庆石油学院学报,2006;30(增):1—3