黏彈性聚合物調(diào)驅(qū)劑溶液在微裂縫中的流動(dòng)特征

吳 偉， 李江濤， 林冬萍， 陸天瑜

(1中國(guó)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(xué)陸相頁(yè)巖油氣成藏及高效開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3中國(guó)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(guó)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(huì)出現(xiàn)因注水導(dǎo)致的誘導(dǎo)裂縫。在注水開發(fā)過程中，油井的含水率呈“臺(tái)階式”、“陡峭式”上升，水竄水淹后的油井產(chǎn)量大幅下降，油田高效開發(fā)受到嚴(yán)重制約[1-3]。針對(duì)此問題，國(guó)內(nèi)開展了大量的增油降水技術(shù)研究，其中聚合物調(diào)驅(qū)劑最具優(yōu)勢(shì)[4-10]。

聚合物調(diào)驅(qū)劑由聚合物和交聯(lián)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(lián)反應(yīng)形成凝膠，封堵水竄通道。從其組成可知，調(diào)驅(qū)劑初始態(tài)的性質(zhì)決定了其注入能力和運(yùn)移位置。因此，研究初始態(tài)調(diào)驅(qū)劑(調(diào)驅(qū)劑溶液)在微裂縫中的運(yùn)移特征對(duì)篩選調(diào)驅(qū)劑、分析調(diào)驅(qū)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(yùn)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(qū)替實(shí)驗(yàn)分析黏彈性調(diào)驅(qū)劑溶液在微裂縫中的流動(dòng)特征，為提高裂縫性油藏深部調(diào)驅(qū)的高效應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。此外，調(diào)驅(qū)劑溶液中的聚合物是油田常用的化學(xué)劑，不僅可作為調(diào)驅(qū)/調(diào)剖劑的主劑，還可作為壓裂液主劑、化學(xué)驅(qū)主劑等，認(rèn)識(shí)其流動(dòng)機(jī)理對(duì)提高聚合物在石油開采領(lǐng)域的應(yīng)用具有重大的促進(jìn)作用。

一、實(shí)驗(yàn)

1. 實(shí)驗(yàn)原料及儀器

實(shí)驗(yàn)用調(diào)驅(qū)劑由1 200 mg/L聚合物與150 mg/L醋酸鉻組成。調(diào)驅(qū)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)用巖心為方巖心，巖心尺寸為4.5×4.5×30 cm3。實(shí)驗(yàn)儀器：Anton Paar 302流變儀(奧地利Anton Paar公司)、Brookfield粘度計(jì)(美國(guó)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(zhǎng)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(zhì)水測(cè)滲透率50 mD),水測(cè)滲透率分別為500 mD、1 600 mD和3 800 mD。為了利于實(shí)驗(yàn)對(duì)比，選取與裂縫性巖心滲透率一致的人造方巖心(巖心基質(zhì)水測(cè)滲透率分別為500 mD、1 600 mD和3 800 mD)用于驅(qū)替實(shí)驗(yàn),如圖1所示。

圖1 裂縫性巖心驅(qū)替裝置

2. 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 調(diào)驅(qū)劑溶液配制及性能測(cè)試

利用模擬地層水配制調(diào)驅(qū)劑溶液，聚合物濃度1 200 mg/L的調(diào)驅(qū)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(cè)定調(diào)驅(qū)劑溶液的應(yīng)力松弛曲線。

2.2 測(cè)試調(diào)驅(qū)劑溶液在裂縫性巖心中的注入壓力

實(shí)驗(yàn)要求流量精度低至10-3mL/min，傳統(tǒng)驅(qū)替用平流泵已不能滿足要求，改用微流控驅(qū)替中使用的微量泵。設(shè)定某一注入速度后開始驅(qū)替調(diào)驅(qū)劑溶液，在出口端計(jì)量流量，當(dāng)出口端調(diào)驅(qū)劑溶液流速穩(wěn)定后，該組驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)束，然后換下一組實(shí)驗(yàn)。

2.3 測(cè)試調(diào)驅(qū)劑溶液在微裂縫與多孔介質(zhì)中的注入壓力

測(cè)試調(diào)驅(qū)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(cè)試調(diào)驅(qū)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(duì)比調(diào)驅(qū)劑溶液在相同水測(cè)滲透率的裂縫性巖心和常規(guī)巖心中的注入壓力，評(píng)價(jià)其流動(dòng)差異。

二、結(jié)果與討論

1. 調(diào)驅(qū)劑溶液流動(dòng)特征

在裂縫性巖心中，調(diào)驅(qū)劑溶液注入壓力與注入速率的關(guān)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(diǎn)。這說明在裂縫的流動(dòng)過程中，調(diào)驅(qū)劑溶液的啟動(dòng)壓力非常低。文獻(xiàn)研究表明，在低滲多孔介質(zhì)巖心中，啟動(dòng)壓力是明顯存在。因此，兩者差異明顯。啟動(dòng)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(zhì)的表面，裂縫表面要小得多，表面作用力弱，因此啟動(dòng)壓力不同。

圖2可知，在一定流速范圍內(nèi)，調(diào)驅(qū)劑溶液注入速率與壓差呈正比，呈現(xiàn)牛頓流體的性質(zhì)。然而，現(xiàn)有的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果認(rèn)為，調(diào)驅(qū)劑溶液是黏彈性流體。這種差異主要在調(diào)驅(qū)劑溶液的黏彈性在剪切速率高于一定值后才明顯體現(xiàn)。低剪切速率下，調(diào)驅(qū)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(xiàn)，調(diào)驅(qū)劑溶液的流動(dòng)形態(tài)逐漸呈非線性流動(dòng)。速率越高，偏離線性程度越大。

圖2 調(diào)驅(qū)劑溶液在裂縫性巖心中注入曲線

2. 調(diào)驅(qū)劑溶液在裂縫與多孔介質(zhì)中流動(dòng)差異分析

調(diào)驅(qū)劑溶液在裂縫與多孔介質(zhì)中的流動(dòng)阻力如圖3所示。圖3可知，二者存在較大差異。在相同水測(cè)滲透率下，調(diào)驅(qū)劑溶液在裂縫中的流動(dòng)阻力要比在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)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(shí)，差異程度為35%；滲透率為1 600 mD時(shí)，差異程度接近20%；滲透率為3 800 mD時(shí)，差異程度接近11%。

圖3 調(diào)驅(qū)劑溶液在裂縫性巖心與常規(guī)巖心中流動(dòng)差異

這種差異是由于聚合物分子在裂縫和多孔介質(zhì)中的運(yùn)移方式不同所導(dǎo)致的。在裂縫中運(yùn)移時(shí)，聚合物分子只在注入過程中的端口處發(fā)生形變，進(jìn)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(zhì)中運(yùn)移時(shí)，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(jié)構(gòu)導(dǎo)致調(diào)驅(qū)劑分子在每一個(gè)孔隙和喉道處移動(dòng)時(shí)均發(fā)生形變，該過程一直持續(xù)至出口端。在運(yùn)移時(shí)，調(diào)驅(qū)劑分子產(chǎn)生形變的原因主要源于一個(gè)與流動(dòng)方向相反的剪切應(yīng)力作用。黏彈性材料由于其特殊性而不同于其他材料，如應(yīng)力松弛特性，導(dǎo)致其流變特征不同于常規(guī)材料，因而對(duì)其流動(dòng)和形變產(chǎn)生影響。在維持恒定變形的材料中，應(yīng)力隨時(shí)間增長(zhǎng)而減小的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛。調(diào)驅(qū)劑分子在裂縫和多孔介質(zhì)中運(yùn)移時(shí)的受力情況如圖4所示。由于裂縫尺度恒定，調(diào)驅(qū)劑分子在裂縫中運(yùn)移時(shí)的形狀幾乎可以保持恒定，即在裂縫中調(diào)驅(qū)劑分子受到的剪切應(yīng)力因聚合物的應(yīng)力松弛特性而會(huì)隨著時(shí)間增加而逐漸降低。但是在多孔介質(zhì)中運(yùn)移時(shí)，由于孔-喉尺寸是一直變化的，因而調(diào)驅(qū)劑形變是一直變化的，這使得調(diào)驅(qū)劑分子受到的剪切應(yīng)力會(huì)一直存在[12-14]。

圖4 調(diào)驅(qū)劑分子在裂縫和多孔介質(zhì)中運(yùn)移時(shí)的剪切應(yīng)力隨時(shí)間變化情況

調(diào)驅(qū)劑溶液的應(yīng)力松弛曲線如圖5所示。從圖5中可知，在給定形變后，因?yàn)閼?yīng)力松弛作用，調(diào)驅(qū)劑溶液受到的應(yīng)力會(huì)快速消除。因此，調(diào)驅(qū)劑分子在裂縫中運(yùn)移只會(huì)在入口端附近受到剪切應(yīng)力的作用。當(dāng)進(jìn)入裂縫后，流動(dòng)過程中的聚合物分子的運(yùn)移阻力會(huì)小于在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)阻力。當(dāng)滲透率高于一定值后，剪切對(duì)流動(dòng)的影響變小，因此兩者的差異程度降低。

圖5 調(diào)驅(qū)劑溶液的實(shí)際應(yīng)力松弛曲線

三、結(jié)論

(1)在含微米級(jí)裂縫的特低滲巖心中，在一定流速范圍內(nèi)調(diào)驅(qū)劑溶液呈線性流。

(2)由于應(yīng)力松弛作用，在相同水測(cè)滲透率的裂縫和多孔介質(zhì)中運(yùn)移時(shí)，調(diào)驅(qū)劑溶液在裂縫中的流動(dòng)阻力小于在多孔介質(zhì)中。在水測(cè)滲透率越低時(shí)，這種差異程度越高。