聚合物溶液在多孔介質(zhì)中流動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究

魏建光， 馬媛媛

(東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

聚合物溶液在多孔介質(zhì)中流動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究

魏建光， 馬媛媛

(東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

由于孔隙介質(zhì)的復(fù)雜性和聚合物溶液的黏彈性，導(dǎo)致聚合物溶液在多孔介質(zhì)中流動(dòng)與在流變儀中的流動(dòng)相比更加復(fù)雜，同時(shí)聚合物溶液在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)規(guī)律直接關(guān)系到驅(qū)油方案的制定。因此本研究設(shè)計(jì)并開展了聚合物溶液(部分水解聚丙烯酰胺)在巖心中流動(dòng)參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)，給出了巖心滲透率、聚合物溶液質(zhì)量濃度、聚合物相對(duì)分子質(zhì)量、聚合物溶液注入速度對(duì)阻力系數(shù)、巖心中流動(dòng)黏度的影響規(guī)律。結(jié)果表明,聚合物溶液存在一個(gè)臨界質(zhì)量濃度，當(dāng)溶液質(zhì)量濃度低于臨界質(zhì)量濃度時(shí)，阻力系數(shù)與表觀黏度基本相等；當(dāng)溶液質(zhì)量濃度高于臨界質(zhì)量濃度時(shí)，阻力系數(shù)遠(yuǎn)小于溶液表觀黏度，且隨著溶液質(zhì)量濃度增加，兩者之間差值增大。聚合物溶液在巖心中流動(dòng)黏度遠(yuǎn)小于溶液在流變儀中表觀黏度，且隨著溶液質(zhì)量濃度增加，溶液在巖心中流動(dòng)黏度的增加幅度遠(yuǎn)小于溶液表觀黏度的增加幅度。

聚合物溶液； 多孔介質(zhì)； 阻力系數(shù)； 表觀黏度； 流動(dòng)黏度

聚合物溶液驅(qū)油過程中，實(shí)際生產(chǎn)壓差遠(yuǎn)小于理論計(jì)算壓差(按照溶液表觀黏度計(jì)算的生產(chǎn)壓差)。一方面原因是聚合物溶液注入過程中各環(huán)節(jié)都將導(dǎo)致聚合物分子質(zhì)量降低，降低聚合物溶液黏度[1-3]；另一方面原因是聚合物溶液在孔隙介質(zhì)中的流變規(guī)律與在流變儀中的流變規(guī)律本身存在差異[4-5]。聚合物溶液在各環(huán)節(jié)中的黏度(表觀黏度、視黏度、流動(dòng)黏度)變化規(guī)律，特別是在油藏深部的黏度變化規(guī)律，對(duì)聚合物溶液驅(qū)油方案的制定，改造措施的優(yōu)選，開發(fā)效果的改善都至關(guān)重要，因此研究聚合物溶液在多孔介質(zhì)中的黏度及影響因素對(duì)提高聚合物溶液驅(qū)油效率和指導(dǎo)生產(chǎn)具有重要的理論指導(dǎo)意義和實(shí)際工程價(jià)值。

自聚合物驅(qū)提出以來，各國(guó)學(xué)者對(duì)聚合物驅(qū)驅(qū)油效率及聚合物流變性、黏彈性等進(jìn)行了大量研究。但這些研究存在3點(diǎn)不足：①巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)前沒有進(jìn)行巖心質(zhì)量檢測(cè)[6-8]，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不具有可靠性；②大多數(shù)巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)前沒有考慮巖心端部效應(yīng)的影響[9-10]，直接進(jìn)行巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，沒有給出具體消除巖心端部效應(yīng)的措施；③沒有系統(tǒng)詳細(xì)的給出聚合物溶液質(zhì)量濃度、聚合物相對(duì)分子質(zhì)量和巖心滲透率對(duì)各種工作參數(shù)的影響規(guī)律[11-13]。

本文設(shè)計(jì)了聚合物溶液在巖心中工作參數(shù)測(cè)定的流動(dòng)實(shí)驗(yàn)方案，在進(jìn)行了聚合物溶液黏度穩(wěn)定性測(cè)定和消除巖心端部效應(yīng)的基礎(chǔ)上，通過流動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究不同巖心滲透率和聚合物相對(duì)分子質(zhì)量條件下聚合物溶液在巖心中的表觀黏度、阻力系數(shù)、流動(dòng)黏度的變化規(guī)律，為聚合物驅(qū)油工作參數(shù)的確定提供了有效依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

聚合物：大慶油田助劑廠生產(chǎn)的相對(duì)分子質(zhì)量為950萬(wàn)和2 500萬(wàn)的部分水解聚丙烯酰胺，固含率分別為89.1%和90.5%；

實(shí)驗(yàn)用水：礦化度為3 700 mg/L和6 778 mg/L的人工合成的鹽水；

巖心：氣測(cè)滲透率為300 mD和1 200 mD左右的澆鑄貝瑞巖心，尺寸為4.5 cm×4.5 cm×30 cm，在距離巖心兩個(gè)端面10 cm左右各鉆一個(gè)測(cè)壓點(diǎn)并各安裝一個(gè)三通閥門，在巖心注入端和流出端處各安裝一個(gè)普通閥門，圖1所示為安裝好閥門的巖心圖片。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：量程為0～100、0～1 000 mPa·s的布什黏度計(jì)各一個(gè)，45 ℃恒溫箱，揚(yáng)州華寶石油儀器有限公司生產(chǎn)的大型砂巖儲(chǔ)層模擬驅(qū)油裝置一臺(tái)，浙江黃巖真空泵廠生產(chǎn)的2XZ-4旋片式真空泵一臺(tái)和手搖泵一臺(tái)。

圖1 實(shí)驗(yàn)用巖心圖片

Fig.1 The image of core in experiment

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

① 巖心質(zhì)量檢測(cè)：依次以0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mL/min的速度向飽和人工鹽水的貝瑞巖心中注入人工鹽水，待壓力穩(wěn)定時(shí)記錄巖心中間兩個(gè)測(cè)壓點(diǎn)壓差，驗(yàn)證是否符合達(dá)西定律，檢驗(yàn)巖心質(zhì)量并計(jì)算巖心水相滲透率。

② 巖心端部效應(yīng)檢測(cè)：測(cè)量聚合物溶液在巖心中流動(dòng)過程中不同位置處的壓差，分析巖心端部效應(yīng)對(duì)流動(dòng)阻力的影響情況，選擇端部效應(yīng)較弱位置進(jìn)行流動(dòng)參數(shù)的測(cè)定。

③ 流動(dòng)參數(shù)測(cè)定：將聚合物溶液依次以0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mL/min的速度注入巖心中，待穩(wěn)定后測(cè)量?jī)蓚€(gè)測(cè)壓點(diǎn)的壓差，并在兩個(gè)測(cè)壓點(diǎn)和流出端取樣，使用布什黏度計(jì)測(cè)量溶液表觀黏度，然后注入人工鹽水，待穩(wěn)定后測(cè)量?jī)蓚€(gè)測(cè)壓點(diǎn)的壓差，并計(jì)算殘余阻力系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 巖心質(zhì)量檢測(cè)

為使聚合物溶液在巖心中流動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更可靠，對(duì)貝瑞巖心進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，優(yōu)選出質(zhì)量好的巖心。圖2為氣測(cè)滲透率為300 mD和1 200 mD，巖心中間兩個(gè)測(cè)壓點(diǎn)之間的注水壓差和注入速度的關(guān)系曲線。

圖2 巖心注水壓差與注入速度的關(guān)系曲線

Fig.2 Relation curves between pressure difference and injection rate in core flooding

由圖2可知，氣測(cè)滲透率為300 mD的1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)巖心和氣測(cè)滲透率為1 200 mD的1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)巖心的中間兩個(gè)測(cè)壓點(diǎn)之間的注水壓差和注入速度基本呈線性關(guān)系，滿足達(dá)西定律，質(zhì)量較好，可以用于實(shí)驗(yàn)。其他巖心可能由于存在天然裂縫、局部非均質(zhì)、加工工程中震動(dòng)等原因，導(dǎo)致巖心參數(shù)有較大的差別，中間兩個(gè)測(cè)壓點(diǎn)之間的注水壓差和注入速度不呈線性關(guān)系，不滿足達(dá)西滲流定律，質(zhì)量不好，不可以用于實(shí)驗(yàn)。因此,開展巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)盡可能提前檢測(cè)巖心質(zhì)量，從而保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性。

2.2 巖心端部效應(yīng)分析

聚合物溶液注入澆鑄貝瑞巖心過程中，一方面在巖心端部可能會(huì)形成一定程度的堵塞，另一方面由于注入流體在巖心端部發(fā)生聚流，這兩個(gè)因素都將導(dǎo)致流動(dòng)阻力增大，而且難于準(zhǔn)確測(cè)量。本文實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)克服了這個(gè)難題，同時(shí)研究了巖心端部效應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

圖3為相對(duì)分子質(zhì)量為950萬(wàn)的低質(zhì)量濃度(200 mg/L)和高質(zhì)量濃度(2 200 mg/L)聚合物溶液在氣測(cè)滲透率為300 mD巖心中流動(dòng)過程中不同位置的壓差曲線。由圖3可知，由于巖心端部堵塞，導(dǎo)致前10 cm巖心壓差和后10 cm巖心壓差大于中10 cm巖心壓差，且前10 cm巖心壓差一般大于后10 cm巖心壓差，注入端的端部效應(yīng)比采出端的端部效應(yīng)更加明顯，且由于注入過程中堵塞巖心端部的分子長(zhǎng)鏈可能會(huì)被拉斷，所以前10 cm巖心壓差和后10 cm巖心壓差經(jīng)常出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象，不與注入速度呈線性關(guān)系。中10 cm巖心壓差與注入速度基本呈線性關(guān)系，基本消除了巖心端部效應(yīng)。因此,開展巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，必須盡可能消除巖心端部效應(yīng)的影響，否則很難準(zhǔn)確獲得有效的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖3 聚合物溶液注入氣測(cè)滲透率300 mD巖心不同位置壓差曲線

2.3 流動(dòng)參數(shù)研究

在巖心質(zhì)量檢測(cè)并消除端部效應(yīng)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用達(dá)西公式計(jì)算出巖心中聚合物溶液實(shí)際的黏度，本文稱其為流動(dòng)黏度。圖4為不同相對(duì)分子質(zhì)量(950萬(wàn)、2 500萬(wàn))的聚合物溶液注入不同滲透率(300、1 200 mD)巖心時(shí)聚合物溶液的流動(dòng)參數(shù)對(duì)比曲線。由圖4可知聚合物溶液存在一個(gè)臨界質(zhì)量濃度，當(dāng)溶液質(zhì)量濃度低于臨界質(zhì)量濃度時(shí)，溶液在巖心中的阻力系數(shù)與溶液在流變儀中表觀黏度基本相等，且隨著溶液質(zhì)量濃度增加，阻力系數(shù)和表觀黏度增加；當(dāng)溶液質(zhì)量濃度高于臨界質(zhì)量濃度時(shí)，溶液在巖心中阻力系數(shù)遠(yuǎn)小于溶液表觀黏度，按阻力系數(shù)計(jì)算聚合物在油藏中的壓降要遠(yuǎn)小于按表觀黏度計(jì)算聚合物在油藏中的壓降，且隨著溶液質(zhì)量濃度增加，兩者之間差值增大(本研究條件下臨界質(zhì)量濃度在500～1 000 mg/L)。此外，聚合物溶液在巖心中流動(dòng)黏度遠(yuǎn)小于溶液表觀黏度，且隨著溶液質(zhì)量濃度增加，溶液在巖心中流動(dòng)黏度的增加幅度遠(yuǎn)小于溶液表觀黏度的增加幅度。相對(duì)分子質(zhì)量950萬(wàn)的聚合物溶液在氣測(cè)滲透率為1 200 mD的巖心中流動(dòng)，注入速度為0.5 mL/min條件下溶液質(zhì)量濃度由200 mg/L增至2 200 mg/L，聚合物溶液在巖心中流動(dòng)黏度由0.95 mPa·s增至3.16 mPa·s，溶液表觀黏度由1.6 mPa·s增至49.0 mPa·s。

圖4 聚合物溶液流動(dòng)參數(shù)對(duì)比

3 結(jié)論

(1) 巖心檢測(cè)結(jié)果表明，即使是同一批參數(shù)相近的巖心，由于巖心可能存在天然裂縫和局部非均質(zhì)等原因可能造成巖心參數(shù)有較大的差別，巖心端部效應(yīng)對(duì)聚合物溶液在巖心中流動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響顯著。因此，開展巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)盡可能檢測(cè)巖心質(zhì)量并消除巖心端部效應(yīng)的影響，從而保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。

(2) 聚合物溶液存在一個(gè)臨界質(zhì)量濃度，當(dāng)溶液質(zhì)量濃度低于臨界質(zhì)量濃度時(shí)，溶液在巖心中的阻力系數(shù)與溶液在流變儀中表觀黏度基本相等，且隨著溶液質(zhì)量濃度增加，阻力系數(shù)和表觀黏度增加；當(dāng)溶液質(zhì)量濃度高于臨界質(zhì)量濃度時(shí)，溶液在巖心中阻力系數(shù)遠(yuǎn)小于溶液表觀黏度，且隨著溶液質(zhì)量濃度增加，兩者之間差值增大(本研究條件下臨界質(zhì)量濃度在500～1 000 mg/L)。

(3) 聚合物溶液在巖心中流動(dòng)黏度遠(yuǎn)小于溶液表觀黏度，且隨著溶液質(zhì)量濃度增加，溶液在巖心中流動(dòng)黏度的增加幅度遠(yuǎn)小于溶液表觀黏度的增加幅度。相對(duì)分子質(zhì)量為950萬(wàn)的聚合物溶液在氣測(cè)滲透率為1 200 mD的巖心中流動(dòng)，注入速度為0.5 mL/min條件下溶液質(zhì)量濃度由200 mg/L增至2 200 mg/L，聚合物溶液在巖心中流動(dòng)黏度由0.95 mPa·s增至3.16 mPa·s，溶液表觀黏度由1.6 mPa·s增至49.0 mPa·s。

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(編輯 閆玉玲)

Flow Regular Pattern Experiment of Polymer Solution in Porous Medium

Wei Jianguang, Ma Yuanyuan

(SchoolofPetroleumEngineering,NortheastPetroleumUniversity,DaqingHeilongjiang163318,China)

Due to the complexity of porous media and viscoelasticity of polymer solution, the flow behavior of polymer solution in porous media is more complex than that in the rheometer, and the flow regular pattern of polymer solution in porous media directly affects the formulation of polymer flooding projects. In this paper, experiment on flow parameters measurement of polymer solution (partially hydrolyzed polyacrylamide) in porous media was designed, and the regular pattern of influence on resistance factor and flow viscosity in porous media caused by core permeability, polymer concentration, polymer molecular weight and polymer injection rate was given. The followings are the results: there exists a critical polymer concentration, when polymer concentration is lower than critical concentration, resistance factor is basically equal to apparent viscosity; when polymer concentration is higher than critical concentration, resistance factor is far less than apparent viscosity and the difference value is increased with the increase of polymer concentration. Flow viscosity of polymer solution in porous media is far less than apparent viscosity in the rheometer and when polymer concentration increases, the increase extent of flow viscosity is far less than the increase of apparent viscosity.

Polymer solution; Porous media; Resistance factor; Apparent viscosity; Flow viscosity

1006-396X(2016)06-0023-04

投稿網(wǎng)址：http://journal.lnpu.edu.cn

2016-07-17

2016-09-09

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51474070)；黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(D2015008)。

魏建光(1978-)，男，博士，副教授，從事提高采收率技術(shù)研究；E-mail:weijianguang@163.com。

TE357.46

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2016.06.005