不同配比ASP三元復(fù)合溶液流變性實驗研究

雷鑒暄

(中國石油遼河油田分公司金馬油田開發(fā)公司，遼寧盤錦124010)

不同配比ASP三元復(fù)合溶液流變性實驗研究

雷鑒暄

(中國石油遼河油田分公司金馬油田開發(fā)公司，遼寧盤錦124010)

摘要：三元復(fù)合溶液中3種組分配比的變化勢必引起流變性的較大變化，影響三元復(fù)合溶液的驅(qū)油效果。為了解決此問題，采用正交實驗法設(shè)計實驗，應(yīng) 用HAAKE RV-100型旋轉(zhuǎn)流變儀對64組不同配比條件下的三元復(fù)合溶液流變性進行了測定，并對測量結(jié)果進行了單因素分析。結(jié)果表明，3種組分濃度的變化對冪律指數(shù)的影響均較小，聚合物濃度對稠度系數(shù)的影響最大，表面活性劑濃度對稠度系數(shù)的影響呈現(xiàn)波動趨勢。從而建立了不同配比情況下ASP三元復(fù)合溶液流變方程，并對ASP三元復(fù)合溶液的流變性進行預(yù)測。誤差計算結(jié)果表明，該模型具有較高的精度，可以為ASP三元復(fù)合驅(qū)工程設(shè)計與原油生產(chǎn)動態(tài)預(yù)測提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：ASP三元復(fù)合溶液；流變性；正交實驗；冪律指數(shù)；稠度系數(shù)

Rheological Property Experiment of ASP Compound Solution with

Different Proportions

Lei Jianxuan

(JinmaOilfieldDevelopmentCompany,PetroChinaLiaoheOilfieldCompany,Panjin,Liaoning124010,China)

Abstract:Change of the three different proportions of ASP compound solution is inevitable to cause variation in rheological property, and thus influence oil displacement. To solve the problem, we conducted an experiment with the orthogonal method, employed HAAKE RV-10 rotated rheometer to measure different rheological properties of the ASP compound solution with different proportions, and conducted univariate analysis on the measurements. Results showed that the concentration change of each solution hardly affected power law index, the concentration of polymer affected consistency index greatly and the effect of the surfactant concentration on consistency index fluctuated. Finally, we established the rheological equation of the ASP compound solution with different proportions and predicted the rheological property of the solution. Error calculating results indicated that the model had high accuracy and could provide theoretical guidance for designing ASP flooding and predicting production performances of crude oil.

Key words:ASP compound solution; rheological property; orthogonal experiment; power law index; consistency index

ASP三元復(fù)合溶液是指由堿(Alkaline)、表面活性劑(Surfactant)和聚合物(Polymer)按照不同比例配制而成的驅(qū)油溶液。這3種物質(zhì)在復(fù)合溶液中的作用各不相同，堿的作用是與原油中的酸性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生表面活性物質(zhì)，降低界面張力[1-2]，同時降低昂貴化學(xué)劑的吸附損失，節(jié)約成本；表面活性劑可以與多種化學(xué)劑復(fù)合產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，有效降低界面張力；聚合物在三元復(fù)合溶液中起主導(dǎo)作用，它既能有效提高驅(qū)替液的黏度，又能降低驅(qū)替相的流度，擴大波及體積[3-4]。在實際應(yīng)用中，考慮不同地層孔隙條件及原油化學(xué)性質(zhì)，需要按照不同的組分比例配制溶液，以期達到最大的驅(qū)油效率。但隨組分配比的變化，三元復(fù)合溶液的流變性也會發(fā)生變化[5-6]，從而改變了三元復(fù)合溶液的黏度、流度等特征，對其驅(qū)油效率產(chǎn)生較大影響。因此，本文開展了不同配比條件下的ASP三元復(fù)合溶液流變性實驗研究，分析了堿、表面活性劑、聚合物三者對三元復(fù)合溶液流變性的影響規(guī)律，建立了不同配比ASP三元復(fù)合溶液流變方程，為三元復(fù)合驅(qū)工程設(shè)計與原油生產(chǎn)動態(tài)預(yù)測提供了理論依據(jù)。

1 流變模型研究

ASP三元復(fù)合溶液中加入了聚合物作為流度控制劑[7]，其體系將呈現(xiàn)非牛頓流體特性。截至目前，描述三元復(fù)合溶液流變性特征的模型主要有Power-Law模型、Carreau模型及Cross模型。

1.1 Power-Law 模型

主要用于描述假塑性流體的流變性，其數(shù)學(xué)表達式為：

μ=kγn-1

(1)

式中μ——黏度，mPa·s；

k——稠度系數(shù)，Pa·sn；

γ——剪切力，N；

n—— 冪律指數(shù)。

1.2 Carreau 模型[8]

用來描述流體從牛頓區(qū)到非牛頓區(qū)的變化[9]，其數(shù)學(xué)表達式為：

(2)

式中a、c——特征黏度；

b、d——冪指數(shù)，

λ、λ2——特征因子。

1.3 Cross 模型

Cross 模型公式為：

(3)

式中μ∞——極限剪切速率黏度(第二牛頓區(qū)黏度)，mPa·s；

μ0——零剪切速率黏度(第一牛頓區(qū)黏度)，mPa·s；

C——Cross模型時間常數(shù)，或是稠度系數(shù)；

m——與流體分子結(jié)構(gòu)、應(yīng)用性質(zhì)等相關(guān)的常數(shù)，由實驗確定。

Carreau模型和Cross模型為多參數(shù)模型，可以描述流體在較寬剪切速率范圍內(nèi)的流變特性，尤其適合描述流體從牛頓區(qū)到非牛頓區(qū)的變化；但其方程比較復(fù)雜，涉及參數(shù)多，需要通過大量的實驗來確定，可操作性差。Power-Law模型雖然適用的剪切速率范圍較窄；但方程簡單，參數(shù)少，易于通過實驗來確定。由于三元復(fù)合溶液屬非牛頓流體且流動過程中剪切速率變化不大，因此本文選用Power- Law(冪律)模型來描述其流變特性。

2 流變性測定實驗

2.1 實驗材料

聚合物(部分水解聚丙烯酰胺)平均相對分子質(zhì)量為2500×104，水解度為26%，固相含量大于90%，由大慶油田采油廠提供；表面活性劑(陰離子型)為ORS41，堿和鹽均為純化學(xué)試劑，堿為NaOH，鹽為NaCl。ASP三元復(fù)合溶液各組分濃度范圍見表1。

表1　ASP三元復(fù)合溶液各組分濃度值表

2. 2 實驗儀器

德國HAAKE公司生產(chǎn)的RV-100型旋轉(zhuǎn)流變儀；恒溫水浴；電子天平(精度為0.01g)；控溫磁力攪拌器等。

2.3 實驗方法

ASP三元復(fù)合溶液配制方法：①蒸餾水中加入一定量的NaCl配制成具有一定礦化度的水溶液來模擬地層水；②使用該水溶液配制高濃度的聚合物溶液，充分攪拌3小時，靜置24小時，保證溶液充分水化；③然后繼續(xù)加入具有一定礦化度的水溶液，將聚合物溶液稀釋到指定濃度；④將事先稱量好的表面活性劑和堿加入聚合物溶液，攪拌均勻。

2.4 實驗步驟

2.4.1 正交實驗設(shè)計

本實驗為多因素、多水平的流變性測定實驗，若考慮全部濃度組合，則共需要做512次實驗，規(guī)模大且不切實際。正交實驗法是安排多因素實驗、尋求最優(yōu)水平組合的一種高效的實驗設(shè)計方法[10]。是利用正交表來安排和分析多因素、多水平實驗，從實驗因素的全部水平組合中挑選部分有代表性的水平組合進行實驗，以達到實驗?zāi)康囊环N可行的實驗方法。基于正交實驗法進行方案的總體規(guī)劃和設(shè)計，各因素的水平情況見表2。

表2　因素水平表

通過表2可知，該問題包含3個因素，分別為堿濃度值、表面活性劑濃度值和聚合物濃度值；包含8個水平，即8種不同的濃度配比組合，因此屬于3個因素8個水平的實驗問題，選取正交實驗表L64(38)進行實驗。

2.4.2 表觀黏度測定實驗

該實驗在45℃(大慶油田平均地層溫度)條件下進行，測量的剪切速率為0.5~120s-1。為了減小聚合物剪切稀釋作用造成的誤差，每組實驗達到指定剪切速率后，進行多次測定取平均值作為最終黏度。

根據(jù)正交實驗表的組合安排實驗，共進行64組實驗，采用流變儀測定不同配比、不同剪切速率下的ASP三元復(fù)合溶液的表觀黏度，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)及冪律流體流變方程，對數(shù)據(jù)進行擬合，得到不同濃度配比下的ASP三元復(fù)合溶液冪律指數(shù)n和稠度系數(shù)k擬合值(表3)。

表3　冪律模型擬合冪律指數(shù)n和稠度系數(shù)k值表

3 流變參數(shù)回歸

3.1 單因素分析

為了給出不同濃度配比條件下的冪律流體冪律指數(shù)n和稠度系數(shù)k回歸公式，首先對擬合數(shù)據(jù)進行了單因素分析。

3.1.1 堿濃度對ASP三元復(fù)合溶液流變性影響

圖1　不同堿濃度對應(yīng)的冪律指數(shù)n和稠度系數(shù)k圖(聚合物濃度為100~1000mg/L)Fig.1　Power law index and Consistency index of different alkalinity concentrations

圖1反映了ASP三元復(fù)合溶液n和k值隨堿濃度的變化規(guī)律。不同聚合物濃度條件下，堿濃度對冪律指數(shù)的影響程度隨聚合物濃度的增大而減小，當聚合物濃度超過300mg/L時，堿濃度對三元復(fù)合溶液冪律指數(shù)的影響可以忽略不計(圖1a)；在聚合物濃度相同的情況下，隨堿濃度增大，稠度系數(shù)逐漸減小，但變化幅度較小，而聚合物濃度對稠度系數(shù)的影響較為明顯(圖1b)。

3.1.2 表面活性劑濃度對ASP三元復(fù)合溶液流變性影響

圖2反映了ASP三元復(fù)合溶液n和k值隨表面活性劑濃度的變化規(guī)律。當表面活性劑濃度對冪律指數(shù)的影響較小時，影響程度隨聚合物濃度

的增大而減小(圖2a)；當表面活性劑濃度對稠度系數(shù)的影響較為復(fù)雜時，整體上呈現(xiàn)波動變化的趨勢，在不同聚合物濃度條件下，這種變化趨勢基本相同，變化幅度隨聚合物濃度的增大而增大(圖2b)。

圖2　不同表面活性劑濃度對應(yīng)的冪律指數(shù)n和稠度系數(shù)k圖(聚合物濃度為100~1000mg/L)Fig. 2　Power law index and Consistency index of different surfactant concentrations

3.1.3 聚合物濃度對ASP三元復(fù)合溶液流變性影響

由圖3可以看出，不同堿濃度條件下，聚合物濃度對冪律指數(shù)的影響規(guī)律相近，數(shù)值相差不大；但稠度系數(shù)受聚合物濃度影響較大，隨聚合物濃度增大，稠度系數(shù)相應(yīng)增大，整體上呈指數(shù)趨勢增長。

3.2 參數(shù)回歸計算

3.2.1 冪律指數(shù)回歸公式

使用SPSS軟件對數(shù)據(jù)進行分析[10]，認為冪律指數(shù)n可以采用多元線性回歸方法進行回歸。將所得數(shù)據(jù)錄入SPSS軟件，使用該軟件的多元線性回歸功能進行回歸，建立回歸模型為：

n=-1.089×10-6x1+8.931×10-6x2

-1.237×10-5x3+0.965

(1)

式中x1——堿濃度;

x2——聚合物濃度；

x3——表面活性劑的濃度。

圖4表明，冪律指數(shù)回歸公式的最高相對誤差不超過4%，平均誤差為0.06%，回歸方程較為理想。

圖3　不同聚合物濃度對應(yīng)的冪律指數(shù)n和稠度系數(shù)k圖(堿濃度為300~3000mg/L)Fig. 3　Power law index and Consistency index of different polymer concentrations

圖4　冪律指數(shù)回歸公式相對誤差圖Fig.4　Relative error of power law index regression formula

3.2.2 稠度系數(shù)回歸公式

通過數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)堿和表面活性劑對稠度系數(shù)的影響較小，聚合物是影響稠度系數(shù)的主要因素，且聚合物濃度與稠度系數(shù)為指數(shù)關(guān)系。經(jīng)分析建立回歸公式為：

圖5　稠度系數(shù)回歸公式相對誤差圖Fig.5　Relative error of consistency index regression formula

(2)

圖5表明，稠度系數(shù)回歸公式的綜合相對誤差集中在20%左右，經(jīng)計算得到稠度系數(shù)回歸公式的平均誤差為18.496%。

圖6表明，ASP三元復(fù)合溶液流變模型的綜合相對誤差集中在±20%左右，經(jīng)計算得到該模型的平均誤差為12.22%。

圖6　ASP三元復(fù)合溶液流變模型綜合誤差率圖Fig.6　Composition error of ASP compound solution rheological model

3.3 流變參數(shù)計算軟件編制

圖7　ASP三元復(fù)合溶液流變參數(shù)計算軟件界面Fig.7　The calculating software interface of ASP compound solution rheological parameters

基于ASP三元復(fù)合溶液流變模型，運用面向?qū)ο缶幊陶Z言Microsoft Visual Basic.net，編制ASP三元復(fù)合溶液流變參數(shù)計算軟件，該軟件界面友好，易操作，適合現(xiàn)場應(yīng)用和推廣，軟件界面見圖7。

4 結(jié)束語

(1) 分析了ASP三元復(fù)合溶液各組分的不同作用，對描述ASP三元復(fù)合溶液流變性的3種流變模型進行了評價。

(2) 采用正交實驗的方法設(shè)計實驗，測定了64組不同配比的ASP三元復(fù)合溶液的流變性，并進行了單因素分析。分析結(jié)果表明，三元復(fù)合溶液3種組分濃度的變化對冪律指數(shù)的影響均較??；聚合物濃度對稠度系數(shù)的影響最大；聚合物濃度增大，使堿濃度和表面活性劑濃度對稠度系數(shù)的影響程度變??；表面活性劑濃度對稠度系數(shù)的影響呈現(xiàn)波動趨勢。

(3)使用SPSS軟件對實驗數(shù)據(jù)進行分析，得到了不同配比情況下ASP三元復(fù)合溶液冪律模型參數(shù)回歸公式，建立了ASP三元復(fù)合溶液流變模型，模型的平均誤差為12.22%。

(4)基于ASP三元復(fù)合溶液流變模型，運用面向?qū)ο缶幊陶Z言Microsoft Visual Basic.net，編制了ASP三元復(fù)合溶液流變參數(shù)計算軟件，該軟件適合現(xiàn)場應(yīng)用和推廣。

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作者簡介：雷鑒暄(1988年生)，女，主要從事采油技術(shù)方面的研究。郵箱：qcgwdc@163.com。

基金項目：大慶油田有限責(zé)任公司“水平井三元復(fù)合驅(qū)流入流出動態(tài)研究”( DQYT-0504003-2011-JS-682)部分研究內(nèi)容。

中圖分類號：TE341

文獻標識碼:A