聚合物近井地帶剪切模擬裝置的研制*

薛新生張 健舒 政楊 光趙文森

（1.海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室； 2.中海油研究總院； 3.西南石油大學(xué)）

聚合物近井地帶剪切模擬裝置的研制*

薛新生1，2張 健1，2舒 政3楊 光1，2趙文森1，2

（1.海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室； 2.中海油研究總院； 3.西南石油大學(xué)）

按照“剪切介質(zhì)相同或相似、剪切方式相同、剪切距離相等和剪切速度相同”的設(shè)計思路與原則，設(shè)計并研制了一種聚合物近井地帶剪切模擬裝置。采用渤海某油田注聚井實施聚合物氮氣舉升返排的聚合物及油藏條件、注聚工藝參數(shù)對該模擬裝置進行了實驗驗證，結(jié)果表明：該模擬裝置實驗結(jié)果具有良好的可重復(fù)性，且與礦場實際結(jié)果吻合度較高，可以有效模擬聚合物溶液在近井地帶實際的剪切情況。

聚合物；近井地帶；剪切；模擬裝置；裝置設(shè)計；實驗驗證

聚合物溶液“使用性能”（即聚合物驅(qū)油體系進入地層后的溶液性能）與室內(nèi)評價性能間的差異影響了聚合物驅(qū)的物理模擬及相關(guān)決策等工作，其原因是缺少能夠模擬近井地帶聚合物溶液滲流歷程的實驗裝置。目前，國內(nèi)外主要采用吳茵攪拌器剪切［1-4］、毛細管剪切［5］、巖心剪切［6］、射孔炮眼剪切試驗裝置［7-8］等方法模擬聚合物溶液經(jīng)過近井地帶的剪切，但這些方法均存在一定的局限性，不能有效反映聚合物經(jīng)歷介質(zhì)、流速、流態(tài)、距離等方面的實際變化（表1）。我國大慶油田［9］、勝利油田［10-12］、華北油田［13］等陸上油田采用礦場方法獲得了聚合物溶液的使用性能以彌補上述方法的不足，中國海油也在渤海某注聚井實施了氮氣舉升，但由于各油田所用的聚合物類型、油藏條件、注入工藝參數(shù)、注入層厚度、吸水強度、完井防砂工藝等存在差異，因此所獲得的結(jié)果都只對各自油田具有參考意義，相互之間不具備可比性。為解決這個問題，筆者設(shè)計并研制了一種能夠模擬聚合物溶液經(jīng)歷近井地帶過程的裝置——近井地帶剪切模擬裝置。實驗結(jié)果表明，所研制的近井地帶剪切模擬裝置實驗具有可重復(fù)性，能夠有效模擬聚合物溶液在近井地帶的實際剪切情況，為聚合物溶液性能評價提供了有效手段。

表1 現(xiàn)有室內(nèi)模擬聚合物近井地帶剪切方法特點對比

1 聚合物近井地帶剪切模擬裝置的設(shè)計

1.1 設(shè)計思路

針對現(xiàn)有評價方法存在的問題，結(jié)合渤海油田的實際情況，按照“剪切介質(zhì)相同或相似、剪切方式相同、剪切距離相等、剪切速度相同”的原則，設(shè)計近井地帶剪切模擬裝置，然后與注聚井氮氣返吐聚合物溶液性能進行對比，驗證方法的有效性。

1.2 實現(xiàn)方法

1）選用相同的篩管、套管、礫石、水泥制作完井、防砂、水泥環(huán)等，實現(xiàn)近井地帶介質(zhì)的相同；采用石英砂或露頭砂按照滲透率和孔隙度相近的原則填制，實現(xiàn)近井地帶介質(zhì)的相似；制作一個等長等徑的孔，然后在內(nèi)部充填礫石，實現(xiàn)射孔炮眼仿真；由于注水或注聚的反復(fù)沖洗，采用石英砂按照孔隙度相近的原則填制或模糊處理射孔炮眼的壓實帶。通過上述方法實現(xiàn)近井地帶剪切介質(zhì)的相同或相似。

2）根據(jù)渤海某油田實際的完井工藝和防砂工藝，按照篩管、礫石、套管、水泥環(huán)、射孔炮眼、壓實帶、近井地帶地層的順序，以及實際參數(shù)確定厚度和徑向尺寸等，保證滲流過程中剪切介質(zhì)及其排放位置的相同或相似，實現(xiàn)剪切方式的相同。

3）按照實際順序排放介質(zhì)，介質(zhì)間距離與實際距離相同，實現(xiàn)剪切距離的相等。

4）設(shè)計過流面積與實際過流面積相等、注入流量與實際注入流量相等，通過過流徑向尺寸變化與軸線方向距離相等實現(xiàn)剪切強度的連續(xù)變化及瞬時剪切強度的相同。

為了實現(xiàn)設(shè)計過流面積與實際過流面積相等，將近井地帶地層滲流過程做如下假設(shè)：①單位厚度地層內(nèi)流體通過射孔炮眼平均分配流量，即單位時間內(nèi)通過射孔炮眼的流體的體積相等；②單位厚度的近井地帶地層同一剖面各點滲流速度相等，流向是以井筒中心為軸心的徑向流。

注入地層的流體均勻分配給每個射孔炮眼，經(jīng)過射孔炮眼及壓實帶后又均勻分布在近井地帶地層中，并以徑向流流動。此時可以把近井地帶地層按照射孔密度劃分為以單個射孔炮眼為單位的組合體，流體的流態(tài)、流線、流速、距離、介質(zhì)、壓力等均未發(fā)生變化，從而實現(xiàn)上述“剪切介質(zhì)相同或相似、剪切方式相同、剪切距離相等、剪切強度相同”的原則。

1.3 設(shè)計尺寸

如圖1所示，設(shè)聚合物近井地帶射孔密度為ns，邊緣距離井筒中心的距離為L、圓柱體高度為h，則近井地帶圓柱體在L處的過流面積為

單個射孔炮眼對應(yīng)的過流面積為

式（1）、（2）中：AL為距離井筒中心L、厚度為h的近井地帶圓柱體面積，m2；As為單個射孔分配的過流面積，m2；L為近井地帶邊緣距離井筒中心的距離，m；h為近井地帶圓柱體高度，m；ns為射孔密度，孔／m。

對整個圓柱體而言，過流面積與距離井筒中心的距離有關(guān)。距離井筒中心的距離越近，則過流面積越小。如果把單個射孔炮眼分配的過流面積按照以井筒中心為圓心進行徑向分布，則單個射孔炮眼分配獲得的是一個圓臺體。其一端為篩管內(nèi)壁，另外一端為距離井筒中心L距離的位置；其徑向截面為一個圓，從左向右介質(zhì)依次為篩管、礫石充填層、套管、水泥環(huán)、射孔炮眼（充填礫石）、壓實帶、近井地帶地層。

圖1 聚合物近井地帶剪切模擬裝置設(shè)計思路示意圖

將不滲流帶與礫石充填層的直徑和篩管直徑做近似處理以便于實施，以礫石充填層中心層直徑為此段直徑，其他部分為連續(xù)變化直徑，得到模擬裝置雛形。圓臺體某目標位置（裝置中相應(yīng)位置）等效圓直徑為

式（3）中：A為目標位置（裝置中相應(yīng)位置）的截面積，m2；d為目標位置（裝置中相應(yīng)位置）等效圓的直徑，m。

以渤海某油田為例。該油田采用φ244.475 mm套管，壁厚10.5 mm；完井段采用φ311.15 mm鉆頭，井眼擴徑按10%計算；防砂采用φ139.7 mm篩管，壁厚27.94 mm；射孔密度39孔／m，射孔直徑20.07 mm，射孔深度198.97 mm。由《鉆井測試手冊》［14］及式（1）～（3）計算得到的近井地帶和模擬裝置尺寸計算結(jié)果見表2。

表2 聚合物近井地帶剪切模擬裝置節(jié)點尺寸計算結(jié)果

由表2數(shù)據(jù)確定礫石充填層內(nèi)徑為140 mm，水泥環(huán)外徑處裝置尺寸為174 mm。裝置的長度需要根據(jù)對流速衰減的幅度要求進行確定，而流速的變化決定了剪切速率的變化，可以通過下面的公式進行計算。

由Jennings剪切速率模型［15］，得到剪切速率的計算公式：

式（4）中：˙γ為剪切速率，s－1；φ為孔隙度，%；v為滲流速度，m／d；K為滲透率，μm2；n為聚合物溶液的冪率指數(shù)，無因次量；a為與單位換算有關(guān)的系數(shù)，無因次量。

根據(jù)質(zhì)量守恒原理和質(zhì)點的連續(xù)性，在射孔孔眼入口和距離井筒中心軸線L處，有

則流速的衰減幅度為

將Jennings剪切速率模型與式（5）、（6）結(jié)合，得到剪切速率衰減幅度的計算公式

式（5）～（7）中：vs為射孔炮眼滲流速度，m／d；rs為射孔炮眼半徑，m；˙γs為射孔炮眼剪切速率，s－1；φs為射孔炮眼礫石充填層孔隙度，%；vL為距離井筒中心L的滲流速度，m／d；φL為距離井筒中心L的地層孔隙度，%；˙γ為剪切速率，s－1；˙γL為距離井筒中心L的剪切速率，s－1；Ks為射孔炮眼礫石充填層滲透率，μm2；KL為距離井筒中心L地層滲透率，μm2；其他符號含義同前。

將渤海某油田完井工藝及防砂工藝的實際參數(shù)值射孔密度ns＝39孔／m、rs＝1.003 5 cm、φs＝37%、Ks＝60μm2、φL＝28%、KL＝2.5μm2、石英砂密度2.65 g／cm3、n＝0.87代入式（1）～（7），計算結(jié)果見表3和表4。

表3 聚合物近井地帶剪切模擬裝置的基本長度／mm

表4 聚合物近井地帶剪切模擬裝置的長度與衰減幅度及裝置質(zhì)量的關(guān)系

由表3、4可以得出：裝置總長度為249 mm時將導(dǎo)致射孔炮眼的尾端直接與外界連通，因此不可??；裝置總長度為308、808、1 108 mm時可滿足尺寸、流速及剪切速率衰減幅度要求，但在流速及剪切速率衰減幅度相近的條件下，裝置總長度為808、1 108 mm時裝置質(zhì)量增幅超過30%，造成不必要的耗材及操作不便。故選擇近井地帶剪切模擬裝置總長度為308 mm，各節(jié)點結(jié)構(gòu)尺寸及樣機如圖2所示。

圖2 聚合物近井地帶剪切模擬裝置節(jié)點結(jié)構(gòu)尺寸與樣機

2 裝置有效性的實驗驗證

模擬裝置的有效性包括數(shù)據(jù)的重復(fù)性及其與實際礦場結(jié)果數(shù)據(jù)的吻合性。

采用2005年渤海某油田注聚井實施聚合物氮氣返吐取樣［16］的聚合物及油藏條件、注聚工藝參數(shù)進行實驗驗證。

2.1 實驗流程

聚合物近井地帶剪切實驗流程如圖3所示。實驗采用的聚合物為疏水締合聚合物AP-P4，目標液濃度為1 750 mg／L，實驗溫度為室溫。

2.2 實驗結(jié)果的可重復(fù)性驗證

采用渤海某油田現(xiàn)場水源井水配制疏水締合聚合物AP-P4母液，采用生產(chǎn)污水稀釋至目標液，根據(jù)該油田吸水強度統(tǒng)計結(jié)果，選擇10、20 m3／（m·d）的剪切強度分別按照上述流程剪切目標液，承接10PV后的聚合物溶液，比較其剪切前后溶液性能的變化，實驗結(jié)果見表5。從表5可以看出：剪切后疏水締合聚合物溶液剪切粘度保留率相對誤差在10%以內(nèi)。從聚合物溶液性能與測試儀器（布氏粘度計，美國Brookfield公司LV-DVIII）的精度來看，近井地帶剪切模擬裝置能夠獲得較好重復(fù)性的實驗結(jié)果。

圖3 近井地帶剪切實驗流程圖

表5 疏水締合聚合物近井地帶剪切實驗結(jié)果

2.3 實驗結(jié)果與礦場結(jié)果的對比

采用渤海某油田水源井水配制疏水締合聚合物AP-P4的母液和目標液，并與該油田注聚井氮氣舉升返排聚合物溶液性能進行對比，結(jié)果見表6。由表6可以看出，近井地帶剪切模擬裝置剪切獲得的疏水締合聚合物溶液粘度保留率與氮氣返排出溶液的粘度保留率結(jié)果相近，均在30%左右。

表6 疏水締合聚合物溶液經(jīng)近井地帶剪切模擬裝置后性能與氮氣返排出溶液性能對比

3 結(jié)論

1）結(jié)合渤海某油田完井防砂工藝及油藏條件，設(shè)計并研制出了一種聚合物近井地帶剪切模擬裝置。

2）采用2005年渤海某油田注聚井實施聚合物氮氣舉升返排聚合物溶液性能進行了實驗驗證，結(jié)果表明本文研制的近井地帶剪切模擬裝置實驗結(jié)果具有良好的可重復(fù)現(xiàn)性，且與礦場實際結(jié)果吻合度較高，可以有效模擬聚合物溶液在近井地帶實際的剪切情況。

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Development of a shearing simulation device for polymer in near borehole zones

Xue Xinsheng1，2zhang Jian1，2Shu zheng3Yang Guang1，2zhao Wensen1，2
（1.State Key Lab of Offshore Oil Exploitation，Beijing，100027；2.CNOOC Research Institute，Beijing，100027；3.Southwest Petroleum University，Chengdu，637001）

In accordance with the design ideas and principles of“the same or similar shear medium，the same shearing way，the equivalent shearing distance and the same shearing velocity”，a shearing simulation device for polymer in near borehole zones was designed and developed．Using the same polymer，reservoir conditions and polymer injection technical parameters adopted by a polymer injection well with nitrogen assistant flow back in Bohai Sea，experimental verification was conducted with the device．The results showed that the experiment behavior of simulation device exhibited excellent repeatability and high conformity with oilfield results．It was revealed that the simulation device can be used to simulate the polymer shearing in the actual near borehole area effectively．

polymer；the near borehole zones；shearing；simulation device；device design；experimental verification

2013-02-28改回日期：2013-05-21

（編輯：孫豐成）

*“十二五”國家科技重大專項課題“海上稠油化學(xué)驅(qū)油技術(shù)（編號：2011z X05024-004）”部分研究成果。

薛新生，男，高級工程師，博士，1994年畢業(yè)于原西南石油學(xué)院應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，現(xiàn)在中海油研究總院從事提高采收率相關(guān)研究工作。E-mail：xuexsh＠cnooc．com．cn。