聚丙烯酰胺溶液在滲流過程中的流變性實驗研究

夏惠芬，馬蔣平，馮海潮，殷代印，張九然，馬文國

（1.東北石油大學石油工程學院，黑龍江大慶 163318；2.大慶油田采油八廠，黑龍江大慶 163318）

聚丙烯酰胺溶液在滲流過程中的流變性實驗研究

夏惠芬1，馬蔣平1，馮海潮1，殷代印1，張九然2，馬文國1

（1.東北石油大學石油工程學院，黑龍江大慶 163318；2.大慶油田采油八廠，黑龍江大慶 163318）

通過巖心滲流實驗，研究了不同相對分子質量、不同質量濃度的聚丙烯酰胺（聚合物）溶液在多孔介質中的滲流特性；根據不同滲流速度下的滲流壓力變化，計算了不同聚合物溶液在多孔介質滲流過程的有效粘度；分析了不同質量濃度和相對分子質量的聚合物溶液在多孔介質中的流變性變化。結果表明：在達西滲流速度范圍內，聚合物溶液在滲流過程中巖心兩端的壓差隨流量的增加表現出先上升后上翹的趨勢；聚合物溶液在多孔介質中的有效粘度隨剪切速率的增加先減小后增大；溶液的相對分子質量越大、質量濃度越大，有效粘度越大。

聚丙烯酰胺溶液；多孔介質；流變性；有效粘度；粘彈性

聚合物溶液驅油是三次采油技術中最常用的一種提高原油采收率的方法。在聚合物驅油過程中，聚合物溶液的地下流變性直接影響其滲流特性及其驅油效果。聚合物溶液在地層孔隙介質中的流變特性是極為復雜的，它不但取決于聚合物溶液本身的性質，油層多孔介質的孔隙結構，還取決于聚合物分子與孔隙介質之間的相互作用。這是因為多孔介質的孔道結構極其復雜，不斷出現收縮、發散的流道，因而聚合物溶液在孔隙介質中的流動既有剪切流動，也有拉伸流動。當聚合物溶液在一定速度范圍內通過孔隙介質時，以剪切流動為主，大分子在剪切力場作用下沿流動方向定向伸展，粘度隨速度的增加而下降，流體呈現擬塑性流變特性；當流速增加到一定程度后，孔喉處的流速和拉伸速率都顯著增加，此時流體顯示出剪切增稠特性。傳統的牛頓流體的滲流力學不能解釋上述所說的特殊現象，因此研究聚合物溶液在多孔介質中的流變性是正確進行聚合物驅油藏工程計算與分析、并指導礦場試驗的前提和基礎［1］。葉仲斌等［2-4］通過研究表明聚合物分子通過多孔介質剪切后，在一定程度上破壞了聚合物的分子鏈，從而影響了聚合物溶液的性能；夏惠芬等［5-8］研究了聚合物溶液的粘彈性，給出了粘彈性聚合物溶液的表觀粘度的表達式和表現出彈性時的臨界剪切速率；陳鐵龍［9-10］通過研究得出了三元復合體系在多孔介質中出現粘彈流變特征的臨界剪切速率隨著聚合物濃度的升高而減小，隨著表面活性劑和堿濃度的增加而增大；張星［11］等利用巖心驅替裝置系統分析了不同滲透率、不同質量濃度聚合物溶液的剪切流變性；還有許多學者通過實驗研究了聚合物溶液的粘彈特性［12-16］，但是系統地研究不同相對分子質量、不同質量濃度的聚合物溶液在多孔介質中粘彈性的文章還少有報道。我們通過巖心滲流實驗研究了聚丙烯酰胺（聚合物）溶液在滲流過程中的流變性，給出了不同滲流速度條件下的粘度變化規律，分析了聚合物溶液的質量濃度和相對分子質量對多孔介質中聚合物溶液流變性的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗設備及材料

人造巖心：直徑2.5cm，單根長度10cm左右，氣測滲透率2 000×10-3μm2。

模擬鹽水：礦化度分別為508mg／L、3 700mg／L，用來配制母液、測水，測滲透率和稀釋聚合物用。

化學劑：部分水解聚丙烯酰胺，大慶煉化公司生產，相對分子質量分別為1 200×104、1 620×104和2 500×104；用清水（礦化度508mg／L）配制濃度為5 000mg／L的母液，然后用污水（礦化度3 700mg／L）稀釋為實驗濃度。

實驗設備：恒溫箱、平流泵、巖心夾持器、手搖泵、管線壓力表若干。

實驗溫度：45℃。

1.2 實驗步驟

（1）抽真空，45℃條件下飽和鹽水（3 700mg／L），記錄不同流量條件下該巖心的穩定壓力，計算巖心水，測滲透率；

（2）以256mL／h的流量開始進行滲流實驗，記錄該流量條件下的穩定壓力；

（3）壓力穩定后在出口取樣，測量聚合物體系的流變參數；

（4）上一個流量實驗結束后，按照180、128、64、32、16、8、4、2mL／h的順序依次改變注入速度，繼續步驟（2）和（3）；

（5）后續水驅，記錄各流量下后續水驅的穩定壓力，計算阻力系數和殘余阻力系數；

（6）按照實驗方案修改實驗參數進行影響因素對比實驗。

1.3 實驗方案

為研究質量濃度和相對分子質量對多孔介質中聚合物溶液流變性的影響，設計實驗方案如表1所示。

表1 短巖心滲流實驗方案

2 實驗結果

2.1 聚合物溶液在多孔介質中的滲流特性

圖1給出了直角坐標系和雙對數坐標系下水在巖心15～18中滲流時的流量和壓差的關系曲線。由圖1可以看出，隨流量增加，壓差呈直線上升的趨勢，完全符合達西定律。

圖1 水在巖心15～18中的滲流曲線

應用Ergun公式［17］計算了水在巖心15～18中滲流時的雷諾數Re。在2～256mL／h的流速范圍內，在巖心15～18中，Re的變化范圍為4.05×10-5到5.18×10-3之間。說明水在巖心中滲流時是不存在慣性效應的。因此，粘度高于水的聚合物溶液在以上滲透率級別的巖心中滲流時，在實驗流量范圍內不存在慣性滲流。

2.1.1 聚合物溶液質量濃度對滲流特性的影響

圖2給出了雙對數坐標系下不同質量濃度的聚合物溶液在巖心中滲流時的流量和壓差的關系曲線。由圖2可以看出，聚合物溶液在滲流過程中，在雙對數坐標系下，巖心兩端的壓差隨流量的增加表現出先上升而后上翹的趨勢。這種現象出現的可能原因有兩種，一是聚合物溶液在滲流過程中出現了慣性非達西流動現象，二是聚合物溶液出現了彈性效應。根據前文計算的雷諾數，我們排除了慣性滲流的影響，因此，聚合物溶液滲流曲線上出現的上翹現象是聚丙烯酰胺溶液的彈性所致。在其它條件相同的情況下，聚合物溶液的質量濃度越高，粘彈性越強，滲流壓差越大，上翹現象越明顯。這是因為隨著聚合物溶液質量濃度的增加，聚合物分子之間相互吸引和相互纏結的能力增強，使得滲流阻力增加。

圖2 不同質量濃度聚合物溶液的滲流曲線

2.1.2 聚合物溶液相對分子質量對滲流特性的影響

圖3給出了雙對數坐標系下不同相對分子質量的聚合物溶液在巖心中滲流時的流量和壓差的關系曲線。可以看出，在其它條件相同的情況下，聚合物溶液的相對分子質量越高，滲流壓差越大。這是因為聚合物溶液的相對分子質量越大，聚丙烯酰胺分子的回旋半徑越大，重復鏈節越多，并且由于吸附、滯留，使得巖心的滲透率下降，從而使滲流阻力增大，滲流特性變差。

圖3 不同相對分子質量的聚合物溶液的滲流曲線

2.2 聚合物溶液在多孔介質中的彈性效應

2.2.1 多孔介質中的等效剪切速率

在聚合物驅油過程中，聚合物溶液的粘度與剪切速率密切相關。但是在聚合物驅油物理模擬實驗中直接用到的是滲流速度，因而需要將滲流速度換算為對應的剪切速率。目前還沒有精確描述多孔介質中剪切速率的模型。一方面是由于多孔介質的孔隙結構異常復雜，目前尚無理論模式可以精確描述；另一方面則是由于聚合物分子與多孔介質之間的相互作用極為復雜。許多學者提出了聚合物溶液在多孔介質中剪切速率的簡化模型［18］，本文中采用如下模型

2.2.2 聚合物溶液在多孔介質中的有效粘度

聚合物溶液在多孔介質中滲流的基本方程是達西方程

式中Q為流體流過巖心的體積流量，cm3／s；ΔP為巖心兩端的壓差，MPa；A為巖心的橫截面積，cm2；L為巖心的長度，cm；μ為流體的粘度，mPa·s。

對于聚合物溶液，其粘度與流速有關，不再是一常量，流量與壓差之間的線性關系已不成立，但是可根據聚合物溶液滲流時巖心兩端壓差和流量的關系用上式計算聚合物溶液的粘度，所求出的粘度是聚合物溶液通過孔隙介質時的實際粘度，也稱為有效粘度，用μeff表示

由于聚合物分子在巖心中的吸附滯留，使得巖心的滲透率降低，因此壓降不僅受流量和流體粘度的影響，同時還受到巖心滲透率的影響，在用上式計算有效粘度時，應用殘余阻力系數對滲透率進行修正。

2.2.3 聚合物溶液在多孔介質中流變性的影響因素

根據上述巖心的實驗數據，利用式（1）計算不同注入速度對應的等效剪切速率，利用式（3）計算不同注入速度時巖心中聚合物溶液的有效粘度，可得到聚合物溶液在多孔介質中的流變曲線。影響多孔介質中聚合物溶液流變性的因素主要有以下幾種。

（1）質量濃度的影響。圖4給出了不同質量濃度的聚合物溶液在多孔介質中的流變曲線。可以看出，有效粘度隨剪切速率的增加而下降，達到一定值（稱為臨界流變流速）后，有效粘度隨著剪切速率的增加而升高。在相同剪切速率條件下，隨著質量濃度的升高，聚合物溶液的有效粘度增加。

圖4 不同質量濃度的聚合物溶液在多孔介質中的流變曲線

（2）相對分子質量的影響。圖5給出了不同相對分子質量的聚合物溶液在多孔介質中的流變曲線。與質量濃度升高的情況類似，相對分子質量的升高也能使孔隙介質中的有效粘度增加。

圖5 不同相對分子質量的聚合物溶液在多孔介質中的流變曲線

3 結論

（1）聚合物溶液在巖心中滲流時，巖心兩端壓差隨聚合物溶液質量濃度的增加而增大；隨聚合物溶液相對分子質量的增加而增大；

（2）聚合物溶液在多孔介質中的有效粘度可以通過滲流過程的實驗數據利用達西定律來反算求得。隨滲流速度的增加，聚合物溶液在多孔介質中的有效粘度下降，達到臨界流變流速后，有效粘度隨著剪切速率的增加而升高；

（3）聚合物溶液在多孔介質中的有效粘度隨溶液質量濃度的增加、相對分子質量的增大而增大。

（References）

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Investigation of polyacrylamide solution rheology in seepage process

Xia Huifen1，Ma Jiangping1，Feng Haichao1，Yin Daiyin1，Zhang Jiuran2，Ma Wenguo1
（1.Petroleum Engineering College，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China；2.Eighth Plant of Daqing Oilfield，Daqing 163318，China）

Though the flow experiment in core，the seepage characteristics of polyacrylamide（polymer）solutions with different molecular weight and mass concentration in porous media are studied；based on the pressure change under different seepage velocities，the effective viscosities of different polymer solutions in porous media are calculated；the change of rheological behaviour of polymer solutions with different molecular weight and mass concentration in porous media is analyzed.It is indicated the pressure difference that the polymer solution flows through the core increases first and then increases sharply with the increase in the Darcy velocity.With the increase of shear rate，the effective viscosity of polymer solution in porous media reduces first and then increases.The greater molecular weight and mass concentration of polymer solution，the greater effective viscosity.

polyacrylamide solution；porous media；rheological behaviour；effective viscosity；viscoelasticity

TE357.431

A

1002-4956（2013）03-0031-04

2012-06-13 修改日期：2012-10-22

黑龍江省高等教育教學改革項目（JG2012010098）；國家科技重大專項項目（2011ZX05009-004）

夏惠芬（1962—），女，遼寧丹東，博士，教授，主要從事提高采收率原理與技術研究.

E-mail：xiahuifen1948＠126.com