CN105928829A - 一种在线监测聚合物分子高速剪切稳定性的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种在线监测聚合物分子高速剪切稳定性的实验装置，包括多功能恒压控制泵、控制泵连接管线、Z1中间装置、Z2中间装置、毛线管、P1压差传感器、Y1压差信号处理显示装置、P2压差传感器、Y2压差信号处理显示装置、细管左端连接管线、细管、细管右端连接管线、回压阀、恒温烘箱、Z3容器。本发明可以实现研究不同温度压力条件下，聚合物流经毛细管时的有效粘度和剪切速率的关系、粘度损失和剪切速率的关系，粘度损失和剪切次数的关系，聚合物分子本征粘度变化等。

Description

一种在线监测聚合物分子高速剪切稳定性的实验装置

技术领域

本发明公开一种在线监测聚合物分子高速剪切稳定性的实验装置。

背景技术

聚合物驱是化学驱中一种比较简卑、直接的三次采油技术，在我国已有几十年的历史，目前在油田上已经开始大规模的工业化应用。聚合物通常在地面上被配制成具有一定粘度的溶液，然后通过注入井泵注入地下储层，以实现三次采油中改善波及效率的目的，聚合物的粘度是提高原油采收率的关键因素。

然后在聚合物泵注过程中，由于注入速度较快，当聚合物液流经注入泵、井筒及射孔时，会产生50000-100000s^-1以上的剪切速率(Al Hashmi et al.Rheology and mechanical degradation of high-molecular-weight partiallyhydrolyzed polyacrylamide during flow through capillaries[J].Journalof Petroleum Science and Engineering.2013,105:100-106.)，从而导致聚合物粘度大幅度下降，影响聚合物驱效果。如何准确的评价聚合物的机械稳定性，是聚合物驱技术中筛选聚合物的重要指标之一。常规机械稳定性评价方法包括：流变仪和机械搅拌，但是这两种方法的剪切速率较低，无法模拟现场实际情况，更不能模拟聚合物分子流经复杂结构时导致的分子拉伸、断裂作用(Ghoniem,S.A.A.Effect of deformation sequence on rheologicalbehaviour and mechanical degradation of polymer solutions[J].ChemicalEngineering Communication,63,129.)。另外一种评价方法是毛细管法，通过高压泵将聚合物溶液挤入一定长度的毛细管中，聚合物分子在进去毛细管过程中会受到较大的剪切力，由于作用时间较短，分子无法恢复形变，所以导致聚合物分子形态由卷曲逐渐被拉伸甚至拉断，聚合物粘度下降(Wei et al.FlowCharacteristics of Partially Hydrolyzed Polyacrylamides duringConverging into a Capillary[J].Journal of Macromolecular Science,PartB.DOI:10.1080/00222348.2016.1169574)。该方法是迄今相对比较准备的一种评价方法，通过该方法可以研究聚合物在高速注入过程中的压力变化，流变性、以及注入后的粘度损失情况。但是该方法无法实现在线连续测试。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可以在线连续测试聚合物流变性、以及注入后的粘度损失情况的在线监测聚合物分子高速剪切稳定性的实验装置。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种在线监测聚合物分子高速剪切稳定性的实验装置，包括多功能恒压控制泵、控制泵连接管线、Z1中间装置、Z2中间装置、毛线管、P1压差传感器、Y1压差信号处理显示装置、P2压差传感器、Y2压差信号处理显示装置、细管左端连接管线、细管、细管右端连接管线、回压阀、恒温烘箱、Z3容器；

所述Z1中间装置与Z2中间装置并联设置，所述控制泵连接管线通过Z1中间装置、Z2中间装置与细管左端连接管线连接，所述细管左端连接管线、细管右端连接管线分别连接P2压差传感器，所述Y2压差信号处理显示装置与P2压差传感器连接，所述回压阀安装在细管右端连接管线上，所述细管左端连接管线、细管、细管右端连接管线顺序连接；

所述Z1中间装置包括Z1容器、Z1容器连接管线、F1阀门、F4阀门、F5阀门、F7阀门和顺序连接的Z1左端连接管线、Z1中间容器、Z1右端连接管线、Z1连接管线，所述Z1容器连接管线一端与Z1左端连接管线连接，另一端安装在Z1容器内，所述F1阀门安装在Z1左端连接管线上，所述F4阀门安装在Z1容器连接管线上，所述F7阀门安装在Z1连接管线上；

所述Z2中间装置包括Z2容器、Z2容器连接管线、F2阀门、F3阀门、F6阀门、F8阀门和顺序连接的Z2左端连接管线、Z2中间容器、Z2右端连接管线、Z2连接管线，所述Z2容器连接管线一端与Z2左端连接管线连接，另一端安装在Z2容器内，所述F2阀门安装在Z2左端连接管线上，所述F3阀门安装在Z2容器连接管线上，所述F8阀门安装在Z2连接管线上；

所述毛线管一端通过F5阀门与Z1右端连接管线连接，另一端通过F6阀门与Z2右端连接管线连接，所述Z1右端连接管线、Z2右端连接管线分别连接P1压差传感器，所述Y1压差信号处理显示装置与P1压差传感器连接；

所述Z1中间容器、Z1右端连接管线、Z1连接管线、Z2中间容器、Z2右端连接管线、Z2连接管线、毛线管、P1压差传感器、P2压差传感器、细管左端连接管线、细管、细管右端连接管线、回压阀、Z3容器均安装在恒温烘箱内。

进一步的是，所述Z1容器、Z2容器均为烧杯，所述Z3容器为锥形瓶。

进一步的是，所述Y1压差信号处理显示装置、Y2压差信号处理显示装置均包括信号转换器和电脑。

本发明的有益效果：本发明可以实现研究不同温度压力条件下，聚合物流经毛细管时的有效粘度和剪切速率的关系、粘度损失和剪切速率的关系，粘度损失和剪切次数的关系，聚合物分子本征粘度变化等。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是现有技术结构示意图。

图中所示：1-F1阀门，2-F2阀门，3-F3阀门，4-F4阀门，5-F5阀门，6-F6阀门，7-F7阀门，8-F8阀门，9-多功能恒压控制泵，10-控制泵连接管线，11-Z2连接管线，12-毛线管，13-P1压差传感器，14-Y1压差信号处理显示装置，15-P2压差传感器，16-Y2压差信号处理显示装置，17-细管左端连接管线，18-细管，19-细管右端连接管线，20-回压阀，21-恒温烘箱，22-Z3容器，23-Z1容器，24-Z1容器连接管线，25-Z1左端连接管线，26-Z1中间容器，27-Z1右端连接管线，28-Z1连接管线，29-Z2容器，30-Z2容器连接管线，31-Z2左端连接管线，32-Z2中间容器，33-Z2右端连接管线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明做进一步详细的说明。

如图1所示，本发明的一种在线监测聚合物分子高速剪切稳定性的实验装置，包括多功能恒压控制泵9、控制泵连接管线10、Z1中间装置、Z2中间装置、毛线管12、P1压差传感器13、Y1压差信号处理显示装置14、P2压差传感器15、Y2压差信号处理显示装置16、细管左端连接管线17、细管18、细管右端连接管线19、回压阀20、恒温烘箱21、Z3容器22；

所述Z1中间装置与Z2中间装置并联设置，所述控制泵连接管线10通过Z1中间装置、Z2中间装置与细管左端连接管线17连接，所述细管左端连接管线17、细管右端连接管线19分别连接P2压差传感器15，所述Y2压差信号处理显示装置16与P2压差传感器15连接，所述回压阀20安装在细管右端连接管线19上，所述细管左端连接管线17、细管18、细管右端连接管线19顺序连接；

所述Z1中间装置包括Z1容器23、Z1容器连接管线24、F1阀门1、F4阀门4、F5阀门5、F7阀门7和顺序连接的Z1左端连接管线25、Z1中间容器26、Z1右端连接管线27、Z1连接管线28，所述Z1容器连接管线24一端与Z1左端连接管线25连接，另一端安装在Z1容器23内，所述F1阀门1安装在Z1左端连接管线25上，所述F4阀门4安装在Z1容器连接管线24上，所述F7阀门7安装在Z1连接管线28上；

所述Z2中间装置包括Z2容器29、Z2容器连接管线30、F2阀门2、F3阀门3、F6阀门6、F8阀门8和顺序连接的Z2左端连接管线31、Z2中间容器32、Z2右端连接管线33、Z2连接管线11，所述Z2容器连接管线30一端与Z2左端连接管线31连接，另一端安装在Z2容器29内，所述F2阀门2安装在Z2左端连接管线31上，所述F3阀门3安装在Z2容器连接管线30上，所述F8阀门7安装在Z2连接管线11上；

所述毛线管12一端通过F5阀门5与Z1右端连接管线27连接，另一端通过F6阀门6与Z2右端连接管线33连接，所述Z1右端连接管线27、Z2右端连接管线33分别连接P1压差传感器13，所述Y1压差信号处理显示装置14与P1压差传感器13连接；

所述Z1中间容器26、Z1右端连接管线27、Z1连接管线28、Z2中间容器32、Z2右端连接管线33、Z2连接管线11、毛线管12、P1压差传感器13、P2压差传感器15、细管左端连接管线17、细管18、细管右端连接管线19、回压阀20、Z3容器22均安装在恒温烘箱21内。

其中多功能恒压控制泵9可以设定聚合物的注入速度，回压阀20可以设定该装置的回压大小，Y1压差信号处理显示装置14、Y2压差信号处理显示装置16都是一样的装置，是分别用来显示P1压差传感器13、P2压差传感器15上的压差值，恒温烘箱21可以设定实验温度。这样可以从本装置测得几组数据并根据相应的公式得到聚合物在高速注入过程中的压力变化，流变性、以及注入后的粘度损失情况，即实现在线测试；并且本装置可以通过调节恒温烘箱21而实现温度从室温至120℃，压力可从常压至40MPa，剪切速率高达200000s^-1的在线监测。

其中Z1容器23、Z2容器29、Z3容器22均为装载水或者聚合物的容器，因此，优选的实施方式是，所述Z1容器23、Z2容器29均为烧杯，所述Z3容器22为锥形瓶。

为了便于数据的读取，优选的实施方式是，所述Y1压差信号处理显示装置14、Y2压差信号处理显示装置16均包括信号转换器和电脑。这样信号转换器可以将P1压差传感器13、P2压差传感器15上的输出信号转化为电脑可以识别的信号，通过电脑将读数读出。

实施例一：计算聚合物有效粘度和剪切速率的关系

(1)在Z1中间容器26右端内充满水，Z2中间容器32左端充满水，打开F1阀门1、F3阀门3、F5阀门5、F6阀门6、F7阀门7、P1压差传感器13、Y1压差信号处理显示装置14，并关闭其他所有阀门和P2压差传感器15、Y2压差信号处理显示装置16；

(2)打开多功能恒压控制泵9，按照设定流速，依次提高注入速度Q，待Y1压差信号处理显示装置14上的读数稳定时，记录下多功能恒压控制泵9上的注入速度Q和Y1压差信号处理显示装置14上显示的ΔP1_s；

(3)测量本发明中毛细管12的直径R₁，并根据步骤(2)中记录的注入速度Q，从下式从计算出聚合物的流经毛细管12的剪切速率γ：

其中Q为注入速度，R₁为毛细管直径；

(4)清理实验装置，并重新在Z1中间容器26右端内充满聚合物溶液，Z2中间容器32左端充满水，重复进行步骤(2)，记录下此时聚合物流进毛细管12时的压差ΔP1_p；

(5)聚合物流经毛细管时的有效粘度(μ_e)可以由下面公式计算：

(6)从而建立有效粘度和剪切速率的关系。

实施例二：计算粘度损失和剪切次数的关系

(1)Z1中间容器26右端内充满聚合物溶液，打开F1阀门1、F3阀门3、F5阀门5、F7阀门7、P2压差传感器15、Y2压差信号处理显示装置16，并关闭其他所有阀门和P1压差传感器13、Y1压差信号处理显示装置14；

(2)打开多功能恒压控制泵9，按照设定流速将聚合物溶液泵入细管18，系统稳定时，记录注入速度和ΔP2_p，建立ΔP2_p和注入速度的关系。根据Poiseuille Law计算聚合物溶液的原始粘度。

当聚合物浓度小于交叠浓度时，聚合物溶液粘度计算方法为：

其中R₂为细管的直径，L为细管长度，Q为注入速度；

当聚合物浓度大于交叠浓度时，聚合物溶液的粘度计算方法为：

其中

(3)打开F1阀门1、F3阀门3、F5阀门5、F6阀门6、P1压差传感器13、Y1压差信号处理显示装置14，设定流速，恒速将聚合物溶液由Z1中间容器26经毛细管12全部注入Z2中间容器32；

(4)暂停多功能恒压控制泵9，打开F2阀门2、F8阀门8、P2压差传感器15、Y2压差信号处理显示装置16，其他阀门和P1压差传感器13、Y1压差信号处理显示装置14均关闭，打开多功能恒压控制泵9，恒速Z2中间容器32聚合物溶液注入细管18中，待Y2压差信号处理显示装置16上读数稳定后记录ΔP2然后根据步骤(2)中公式计算第一通过毛细管的聚合物粘度，以及粘度损失：

其中μ_o为聚合物的初始粘度，μ₁聚合物溶液第一次流经毛细管后的粘度。

(5)方法同上，将剩余的聚合物溶液由Z2中间容器32经毛细管12注入Z1间容器26中，视为第二剪切，从而建立粘度损失和剪切次数之间的关系。

实施例三：计算粘度损失和剪切速率之间的关系

(1)Z1间容器26右端充满聚合物溶液，打开F1阀门1、F3阀门3、F5阀门5、F6阀门6、P1压差传感器13、Y1压差信号处理显示装置14，其他阀门和P2压差传感器15、Y2压差信号处理显示装置16均关闭；

(2)按恒定速度将聚合物溶液由Z1间容器26经毛细管12注入Z2中间容器32，注入一定体积后停止注入；

(3)打开F2阀门2、F8阀门8、P2压差传感器15、Y2压差信号处理显示装置16，其他阀门和P1压差传感器13、Y1压差信号处理显示装置14均关闭，恒速将Z2中间容器32中的聚合物溶液注入细管18中，记录ΔP2；根据下式公计算当前流速下的粘度损失：

${\mathrm{\μ}}_1=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_2{\mathrm{\πR}}_2^4}{8QL}$

${\mathrm{\μ}}_0=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_2{\mathrm{\πR}}_2^4}{2QL(m+3)}$

(4)提高注入速度Q，重复步骤(1)-(3)，建立粘度损失和剪切速率之间的关系。

Claims (3)

1.一种在线监测聚合物分子高速剪切稳定性的实验装置，其特征在于，包括多功能恒压控制泵(9)、控制泵连接管线(10)、Z1中间装置、Z2中间装置、毛线管(12)、P1压差传感器(13)、Y1压差信号处理显示装置(14)、P2压差传感器(15)、Y2压差信号处理显示装置(16)、细管左端连接管线(17)、细管(18)、细管右端连接管线(19)、回压阀(20)、恒温烘箱(21)、Z3容器(22)；

所述Z1中间装置与Z2中间装置并联设置，所述控制泵连接管线(10)通过Z1中间装置、Z2中间装置与细管左端连接管线(17)连接，所述细管左端连接管线(17)、细管右端连接管线(19)分别连接P2压差传感器(15)，所述Y2压差信号处理显示装置(16)与P2压差传感器(15)连接，所述回压阀(20)安装在细管右端连接管线(19)上，所述细管左端连接管线(17)、细管(18)、细管右端连接管线(19)顺序连接；

所述Z1中间装置包括Z1容器(23)、Z1容器连接管线(24)、F1阀门(1)、F4阀门(4)、F5阀门(5)、F7阀门(7)和顺序连接的Z1左端连接管线(25)、Z1中间容器(26)、Z1右端连接管线(27)、Z1连接管线(28)，所述Z1容器连接管线(24)一端与Z1左端连接管线(25)连接，另一端安装在Z1容器(23)内，所述F1阀门(1)安装在Z1左端连接管线(25)上，所述F4阀门(4)安装在Z1容器连接管线(24)上，所述F7阀门(7)安装在Z1连接管线(28)上；

所述Z2中间装置包括Z2容器(29)、Z2容器连接管线(30)、F2阀门(2)、F3阀门(3)、F6阀门(6)、F8阀门(8)和顺序连接的Z2左端连接管线(31)、Z2中间容器(32)、Z2右端连接管线(33)、Z2连接管线(11)，所述Z2容器连接管线(30)一端与Z2左端连接管线(31)连接，另一端安装在Z2容器(29)内，所述F2阀门(2)安装在Z2左端连接管线(31)上，所述F3阀门(3)安装在Z2容器连接管线(30)上，所述F8阀门(7)安装在Z2连接管线(11)上；

所述毛线管(12)一端通过F5阀门(5)与Z1右端连接管线(27)连接，另一端通过F6阀门(6)与Z2右端连接管线(33)连接，所述Z1右端连接管线(27)、Z2右端连接管线(33)分别连接P1压差传感器(13)，所述Y1压差信号处理显示装置(14)与P1压差传感器(13)连接；

所述Z1中间容器(26)、Z1右端连接管线(27)、Z1连接管线(28)、Z2中间容器(32)、Z2右端连接管线(33)、Z2连接管线(11)、毛线管(12)、P1压差传感器(13)、P2压差传感器(15)、细管左端连接管线(17)、细管(18)、细管右端连接管线(19)、回压阀(20)、Z3容器(22)均安装在恒温烘箱(21)内。

2.根据权利要求1所述的一种在线监测聚合物分子高速剪切稳定性的实验装置，其特征在于，所述Z1容器(23)、Z2容器(29)均为烧杯，所述Z3容器(22)为锥形瓶。

3.根据权利要求2所述的一种在线监测聚合物分子高速剪切稳定性的实验装置，其特征在于，所述Y1压差信号处理显示装置(14)、Y2压差信号处理显示装置(16)均包括信号转换器和电脑。