黏彈性聚合物調驅劑溶液在微裂縫中的流動特征

吳 偉， 李江濤， 林冬萍， 陸天瑜

(1中國石油天然氣股份有限公司吉林油田分公司勘探開發(fā)研究院 2東北石油大學陸相頁巖油氣成藏及高效開發(fā)教育部重點實驗室 3中國石油天然氣股份有限公司吉林油田分公司新立采油廠)

裂縫性油藏在我國已開發(fā)的油田中占有重大比重，在該類油藏中，不僅天然的微裂縫發(fā)育，而且后期注水過程中也會出現因注水導致的誘導裂縫。在注水開發(fā)過程中，油井的含水率呈“臺階式”、“陡峭式”上升，水竄水淹后的油井產量大幅下降，油田高效開發(fā)受到嚴重制約[1-3]。針對此問題，國內開展了大量的增油降水技術研究，其中聚合物調驅劑最具優(yōu)勢[4-10]。

聚合物調驅劑由聚合物和交聯劑組成[11]。由模擬地層水配制好之后，在地層條件下通過交聯反應形成凝膠，封堵水竄通道。從其組成可知，調驅劑初始態(tài)的性質決定了其注入能力和運移位置。因此，研究初始態(tài)調驅劑(調驅劑溶液)在微裂縫中的運移特征對篩選調驅劑、分析調驅劑的注入性能以及提高使用效果都具有重要的意義。由于流體在微裂縫中的運移不僅受流體物性的影響，也受裂縫尺度的影響，因此本文利用裂縫性巖心驅替實驗分析黏彈性調驅劑溶液在微裂縫中的流動特征，為提高裂縫性油藏深部調驅的高效應用提供理論基礎。此外，調驅劑溶液中的聚合物是油田常用的化學劑，不僅可作為調驅/調剖劑的主劑，還可作為壓裂液主劑、化學驅主劑等，認識其流動機理對提高聚合物在石油開采領域的應用具有重大的促進作用。

一、實驗

1. 實驗原料及儀器

實驗用調驅劑由1 200 mg/L聚合物與150 mg/L醋酸鉻組成。調驅劑組分中的聚合物為部分水解聚丙烯酰胺，分子量為800×104，水解度25%。醋酸鉻為實驗室自制。模擬地層水由蒸餾水和濃度為10 000 mg/L的NaCl配制。實驗用巖心為方巖心，巖心尺寸為4.5×4.5×30 cm3。實驗儀器：Anton Paar 302流變儀(奧地利Anton Paar公司)、Brookfield粘度計(美國Brookfield公司)。裂縫性巖心由滲透率為50 mD的方巖心加工制得，待方巖心抽真空、飽和水后沿長度方向切割即可形成。裂縫開度為50 μm、100 μm和200 μm的裂縫性巖心(基質水測滲透率50 mD),水測滲透率分別為500 mD、1 600 mD和3 800 mD。為了利于實驗對比，選取與裂縫性巖心滲透率一致的人造方巖心(巖心基質水測滲透率分別為500 mD、1 600 mD和3 800 mD)用于驅替實驗,如圖1所示。

圖1 裂縫性巖心驅替裝置

2. 實驗方法

2.1 調驅劑溶液配制及性能測試

利用模擬地層水配制調驅劑溶液，聚合物濃度1 200 mg/L的調驅劑溶液黏度為22 mPa·s(剪切速率為7.34 s-1)。在常溫下，利用流變儀測定調驅劑溶液的應力松弛曲線。

2.2 測試調驅劑溶液在裂縫性巖心中的注入壓力

實驗要求流量精度低至10-3mL/min，傳統驅替用平流泵已不能滿足要求，改用微流控驅替中使用的微量泵。設定某一注入速度后開始驅替調驅劑溶液，在出口端計量流量，當出口端調驅劑溶液流速穩(wěn)定后，該組驅替實驗結束，然后換下一組實驗。

2.3 測試調驅劑溶液在微裂縫與多孔介質中的注入壓力

測試調驅劑溶液在三種不同微裂縫巖心中的注入壓力，注入速度均為0.5 mL/min。測試調驅劑溶液在常規(guī)巖心中注入壓力，注入速度也均為0.5 mL/min。對比調驅劑溶液在相同水測滲透率的裂縫性巖心和常規(guī)巖心中的注入壓力，評價其流動差異。

二、結果與討論

1. 調驅劑溶液流動特征

在裂縫性巖心中，調驅劑溶液注入壓力與注入速率的關系曲線如圖2所示。從圖2可知，隨著注入速率的不斷降低，曲線接近于原點。這說明在裂縫的流動過程中，調驅劑溶液的啟動壓力非常低。文獻研究表明，在低滲多孔介質巖心中，啟動壓力是明顯存在。因此，兩者差異明顯。啟動壓力源于界面之間的摩擦力和分子間作用力，比如流體與流體、流體與巖石表面的相互作用。相比多孔介質的表面，裂縫表面要小得多，表面作用力弱，因此啟動壓力不同。

圖2可知，在一定流速范圍內，調驅劑溶液注入速率與壓差呈正比，呈現牛頓流體的性質。然而，現有的室內實驗研究結果認為，調驅劑溶液是黏彈性流體。這種差異主要在調驅劑溶液的黏彈性在剪切速率高于一定值后才明顯體現。低剪切速率下，調驅劑溶液近似牛頓流體。隨著流量增加，剪切速率增加，聚合物的黏彈性顯現，調驅劑溶液的流動形態(tài)逐漸呈非線性流動。速率越高，偏離線性程度越大。

圖2 調驅劑溶液在裂縫性巖心中注入曲線

2. 調驅劑溶液在裂縫與多孔介質中流動差異分析

調驅劑溶液在裂縫與多孔介質中的流動阻力如圖3所示。圖3可知，二者存在較大差異。在相同水測滲透率下，調驅劑溶液在裂縫中的流動阻力要比在多孔介質中的流動阻力小。滲透率越小，差異越明顯。差異隨著滲透率的增加而降低。如滲透率為500 mD時，差異程度為35%；滲透率為1 600 mD時，差異程度接近20%；滲透率為3 800 mD時，差異程度接近11%。

圖3 調驅劑溶液在裂縫性巖心與常規(guī)巖心中流動差異

這種差異是由于聚合物分子在裂縫和多孔介質中的運移方式不同所導致的。在裂縫中運移時，聚合物分子只在注入過程中的端口處發(fā)生形變，進入裂縫后由于裂縫尺度恒定，因而聚合物形狀保持不變。然而，在多孔介質中運移時，聚合物分子不僅在注入過程中的入口端發(fā)生形變，更重要的是喉孔結構導致調驅劑分子在每一個孔隙和喉道處移動時均發(fā)生形變，該過程一直持續(xù)至出口端。在運移時，調驅劑分子產生形變的原因主要源于一個與流動方向相反的剪切應力作用。黏彈性材料由于其特殊性而不同于其他材料，如應力松弛特性，導致其流變特征不同于常規(guī)材料，因而對其流動和形變產生影響。在維持恒定變形的材料中，應力隨時間增長而減小的現象稱為應力松弛。調驅劑分子在裂縫和多孔介質中運移時的受力情況如圖4所示。由于裂縫尺度恒定，調驅劑分子在裂縫中運移時的形狀幾乎可以保持恒定，即在裂縫中調驅劑分子受到的剪切應力因聚合物的應力松弛特性而會隨著時間增加而逐漸降低。但是在多孔介質中運移時，由于孔-喉尺寸是一直變化的，因而調驅劑形變是一直變化的，這使得調驅劑分子受到的剪切應力會一直存在[12-14]。

圖4 調驅劑分子在裂縫和多孔介質中運移時的剪切應力隨時間變化情況

調驅劑溶液的應力松弛曲線如圖5所示。從圖5中可知，在給定形變后，因為應力松弛作用，調驅劑溶液受到的應力會快速消除。因此，調驅劑分子在裂縫中運移只會在入口端附近受到剪切應力的作用。當進入裂縫后，流動過程中的聚合物分子的運移阻力會小于在多孔介質中的流動阻力。當滲透率高于一定值后，剪切對流動的影響變小，因此兩者的差異程度降低。

圖5 調驅劑溶液的實際應力松弛曲線

三、結論

(1)在含微米級裂縫的特低滲巖心中，在一定流速范圍內調驅劑溶液呈線性流。

(2)由于應力松弛作用，在相同水測滲透率的裂縫和多孔介質中運移時，調驅劑溶液在裂縫中的流動阻力小于在多孔介質中。在水測滲透率越低時，這種差異程度越高。