孔喉尺度彈性微球調(diào)驅(qū)體系的流變性質(zhì)

姚傳進，雷光倫，高雪梅，李 蕾

（中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島266580）

孔喉尺度彈性微球調(diào)驅(qū)體系的流變性質(zhì)

姚傳進，雷光倫，高雪梅，李 蕾

（中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島266580）

孔喉尺度彈性微球的流變性質(zhì)不同于其他驅(qū)油劑，為適應實際油藏的復雜條件，利用激光粒度分析儀研究了孔喉尺度彈性微球的粒徑大小及分布，利用RheoStress600型旋轉(zhuǎn)流變儀和M5600型流變儀分別測試了彈性微球的蠕變—恢復特性和不同頻率、溫度下粘性和彈性模量的變化規(guī)律，借助LVDV-II+Pro型旋轉(zhuǎn)粘度計研究了質(zhì)量分數(shù)、溫度、剪切速率、礦化度對彈性微球溶液粘度的影響。結(jié)果表明，實驗合成的彈性微球具有與油藏巖石匹配的微米級孔喉尺度特征，服從威布爾分布；具有良好的蠕變—恢復特性和粘彈性；在低溫、低剪切速率下，彈性微球溶液為假塑性流體；在中剪切速率及高溫、低剪切速率下，為膨脹性流體；在高剪切速率下，為近似牛頓流體。彈性微球溶液粘度較低，具有良好的流動性和調(diào)驅(qū)注入性，同時具有較好的穩(wěn)定性，可用于高溫、高鹽油藏的深部調(diào)驅(qū)。

孔喉尺度彈性微球粒徑分布蠕變—恢復特性動態(tài)模量粘度深部調(diào)驅(qū)

孔喉尺度彈性微球深部調(diào)驅(qū)技術是21世紀初發(fā)展起來的一項新型提高采收率技術，已在勝利、冀東、大港、新疆等油區(qū)開展了大量的現(xiàn)場試驗，取得了較好的降水增油效果［1-3］。該技術的原理是針對油藏巖石的微米級孔喉尺度特征［4］，在地面控制合成與之匹配的彈性微球，并懸浮分散于水中，由水井注入到調(diào)驅(qū)層；利用其在儲層多孔介質(zhì)中的“運移、封堵、彈性變形、變形恢復、再運移、再封堵”機制，在高滲透帶不斷地封堵和運移，直達油層深部，提高油層深部剩余油富集區(qū)域的波及體積，從而大幅度提高原油的采收率［5］。

孔喉尺度彈性微球為具有較高圓球度的交聯(lián)聚合物彈性顆粒［6］，由于其結(jié)構特殊，因此具有不同于其他驅(qū)油劑的流變性質(zhì)。同時，實際油藏條件非常復雜，對驅(qū)油劑的要求也非常嚴格。為此，筆者重點研究了孔喉尺度彈性微球的蠕變—恢復特性、動態(tài)模量的變化規(guī)律以及質(zhì)量分數(shù)、溫度、礦化度、剪切速率等因素對彈性微球溶液粘度的影響，以期為其在油氣田開發(fā)工程領域的應用提供理論基礎。

1 彈性微球的物化性能

彈性微球因其原料來源及制備工藝的不同，在性質(zhì)上亦有所區(qū)別。此次實驗所用彈性微球采用微乳液聚合法進行制備［7］：以植物油、Span-80和Tween-80為油相，以蒸餾水、丙烯酰胺單體和N，N′-亞甲基雙丙烯酰胺為水相，兩相形成W/O型微乳液，乳化溫度為30℃，攪拌速度為300 r/min，乳化時間為30 min；在過硫酸銨氧化還原引發(fā)體系的引發(fā)下進行聚合反應，反應溫度為80℃，攪拌速度為300 r/min，反應時間為2 h，生成彈性微球乳液；彈性微球乳液經(jīng)冷卻、破乳、沉淀分離后，即可得到彈性微球固體樣品。

彈性微球具有較高的圓球度，pH值為6.5～7.0，粒徑為0.4～6.5 μm，粒徑中值為1.5 μm，具有與油藏巖石匹配的微米級孔喉尺度特征，服從威布爾分布（圖1）。

圖1 彈性微球粒徑及其分布密度

2 彈性微球的粘彈性

彈性微球是一種新型高分子材料，粘彈性是決定其能否用于油藏深部調(diào)驅(qū)的重要特性。為此，基于高分子材料理論，利用RheoStress600型旋轉(zhuǎn)流變儀（HAAKE公司）和M5600型流變儀（Grace公司）分別測試了彈性微球的蠕變—恢復特性（靜態(tài)粘彈性）和不同振蕩頻率、溫度下粘性模量和彈性模量的變化規(guī)律（動態(tài)粘彈性）［8］。

2.1 蠕變—恢復特性

實驗時，首先給彈性微球樣品施加1.0 Pa的恒定剪切應力，進行振蕩掃描，得到彈性微球的線性粘彈性區(qū)，即蠕變過程；隨后撤除剪切應力，記錄彈性微球應變隨時間的變化，即恢復過程。彈性微球的蠕變—恢復曲線（圖2）分為5個階段：①瞬時蠕變階段（AB），彈性微球在恒定應力作用下，發(fā)生瞬時蠕變，其主結(jié)構單元之間的連接發(fā)生彈性拉伸，具有瞬時柔量，其值為15.8 kPa-1；②時間依賴的推遲彈性蠕變階段（BC），具有推遲彈性柔量（JR），其值為1.4 kPa-1；③線性蠕變階段（CD），具有穩(wěn)態(tài)柔量，其值為6.0×10-3kPa-1；④瞬時彈性恢復階段（DE），恒定應力撤除后，彈性微球發(fā)生恢復，具有瞬時彈性恢復柔量，其值為15.8 kPa-1；⑤推遲彈性恢復階段（EF），對應于蠕變過程的推遲彈性蠕變階段（BC）。蠕變后恢復的程度用可恢復柔量（JOR）衡量，其值為17.0 kPa-1，而后基本保持在這一水平（FG）。

圖2 彈性微球的蠕變—恢復曲線

在恒定的剪切應力作用下，彈性微球產(chǎn)生瞬時變形，然后隨時間連續(xù)變形；瞬時變形是彈性微球的彈性響應，依賴于時間的變形是彈性微球的粘性響應，即彈性微球的粘彈性；瞬時柔量很大，說明彈性微球具有良好的彈性，同時，推遲彈性柔量、穩(wěn)態(tài)柔量不為零，說明彈性微球具有一定的粘性。應力消除后，瞬時彈性變形立即恢復，推遲彈性變形則以遞減的速率逐漸恢復，并基本恢復到初始狀態(tài)。整個蠕變—恢復過程表明，彈性微球具有良好的粘彈性。

2.2 動態(tài)模量

實驗時，首先對彈性微球樣品進行應力掃描（頻率為1 Hz），測量彈性模量、粘性模量隨溫度的變化規(guī)律；然后進行頻率掃描，研究彈性模量、粘性模量隨頻率的變化規(guī)律。由彈性與粘性模量隨溫度的變化（圖3a）可見：兩者均隨溫度的升高而降低，彈性微球的粘性模量隨溫度的變化率大于其彈性模量隨溫度的變化率，即彈性微球的粘性對溫度更敏感；與25℃相比，在175℃高溫下彈性模量與粘性模量仍然保持在較高的水平，即高溫下仍具有良好的粘彈性。由彈性與粘性模量隨頻率的變化（圖3b）可見：在溫度為25℃、頻率為0.1～8 Hz的條件下，彈性微球的彈性模量和粘性模量均呈線性增加；當頻率為1 Hz時，彈性模量為5.8 Pa，粘性模量為44 Pa，說明彈性微球具有良好的粘彈性。

圖3 彈性微球的彈性模量與粘性模量隨溫度和頻率的變化

3 彈性微球溶液的粘度

彈性微球溶液的粘度決定其注入性能。為此，考察了彈性微球質(zhì)量分數(shù)、溫度、礦化度、剪切速率等因素對彈性微球溶液粘度的影響，并基于高分子溶液的流變學理論，分析了彈性微球溶液的流變特性。

3.1 質(zhì)量分數(shù)的影響

由30℃和6 r/min時彈性微球質(zhì)量分數(shù)對彈性微球溶液（礦化度為3 000 mg/L）粘度的影響（圖4）可以看出，彈性微球溶液粘度隨著質(zhì)量分數(shù)的增大而增大。原因在于：當質(zhì)量分數(shù)較低時，彈性微球孤立地存在于水中；當質(zhì)量分數(shù)增大時，彈性微球的體積分數(shù)增大，同時彈性微球的分子鏈之間會發(fā)生覆蓋、穿越、交疊，形成相互纏結(jié)的互穿網(wǎng)絡結(jié)構［9］，致使彈性微球溶液粘度較高。

圖4 質(zhì)量分數(shù)對彈性微球溶液粘度的影響

3.2 溫度的影響

由6 r/min時溫度對質(zhì)量分數(shù)為0.2%的彈性微球溶液（礦化度為3 000 mg/L）粘度的影響（圖5）可以看出，彈性微球溶液的粘度隨著溫度的升高而降低，與常規(guī)溶液粘度隨溫度的變化規(guī)律相同。原因在于：溫度升高會加劇大分子運動，導致粘度下降［10］。彈性微球具有較高的耐溫性，表現(xiàn)在加熱到90℃后，溫度降低，彈性微球溶液的粘度仍能恢復到原來的水平。

圖5 溫度對彈性微球溶液粘度的影響

3.3 礦化度的影響

由30℃和6 r/min時礦化度對質(zhì)量分數(shù)為0.2%的彈性微球溶液粘度的影響（圖6）可以看出，隨著溶液中NaCl質(zhì)量分數(shù)的增加，彈性微球溶液的粘度先隨之減小然后趨于穩(wěn)定，原因在于無機鹽對水化層的壓縮效應。隨著NaCl質(zhì)量分數(shù)的增大，彈性微球表面的水化層逐漸變薄，彈性微球的粒徑變小，溶液中彈性微球的體積分數(shù)減小，彈性微球的分散和溶脹程度也降低，因而粘度下降。而當NaCl的質(zhì)量分數(shù)達到某個臨界值時，彈性微球已達到與非電解質(zhì)相似的形態(tài)［11］，因此NaCl質(zhì)量分數(shù)再增大對其粘度的影響不明顯。

圖6 礦化度對彈性微球溶液粘度的影響

3.4 剪切速率的影響

通過分析不同溫度下剪切應力與剪切速率的關系［12］，得到彈性微球溶液的流變特性（表1）；結(jié)合不同剪切速率下質(zhì)量分數(shù)為0.2%的彈性微球溶液（礦化度為3 000 mg/L）的粘度變化曲線（圖7）可以看出，彈性微球溶液在一定的剪切速率范圍內(nèi)均表現(xiàn)出明顯的膨脹性流體特征（即脹流性），原因在于在剪切作用下，彈性微球顆粒之間會發(fā)生聚結(jié)，形成聚集體，從而表現(xiàn)出較明顯的脹流性。低溫（30～50℃）條件下，當剪切速率較低（0～60 s-1）時，彈性微球溶液的粘度隨剪切速率的增加而降低，呈現(xiàn)假塑性流體特征，原因在于：低溫條件下，溶液中存在一定數(shù)量的彈性微球顆粒聚集體，受剪切作用易被拆散，從而粘度降低，呈現(xiàn)假塑性；中等剪切速率（60～120 s-1）時，彈性微球溶液的粘度隨剪切速率的增加而增加，呈現(xiàn)脹流性；高剪切速率（120～200 s-1）時，近似表現(xiàn)為牛頓流體，即粘度基本不隨剪切速率的變化而變化。高溫（60～80℃）條件下，低、中等剪切速率（0～120 s-1）時，彈性微球溶液的粘度隨剪切速率的增加而增大，呈現(xiàn)脹流性；高剪切速率（120～200 s-1）時，近似表現(xiàn)為牛頓流體。高溫、低剪切速率條件下，彈性微球溶液并沒有呈現(xiàn)假塑性，原因在于高溫條件下，彈性微球高度分散于水中，溶液中基本不存在彈性微球顆粒的聚集體，因而不存在聚集體的拆散過程，且粘度較低［11］。

表1 彈性微球溶液的流變特性

圖7 剪切速率對彈性微球溶液粘度的影響

4 結(jié)論

實驗合成的彈性微球具有與油藏巖石匹配的微米級孔喉尺度特征，服從威布爾分布；具有良好的粘彈性。彈性微球溶液在一定的剪切速率范圍內(nèi)均表現(xiàn)出明顯的膨脹性流體特征（剪切稠化）。低溫、低剪切速率條件下，彈性微球溶液呈假塑性流體特征；中剪切速率及高溫、低剪切速率條件下，彈性微球溶液呈膨脹性流體特征；高剪切速率條件下，彈性微球溶液呈現(xiàn)近似牛頓流體特征。

彈性微球溶液質(zhì)量分數(shù)、溫度、剪切速率、礦化度均對其粘度有一定的影響。其中，彈性微球溶液粘度隨其質(zhì)量分數(shù)的增大而增大，隨溫度、礦化度的升高而降低?？傮w來看，當彈性微球溶液粘度較低時，其具有良好的流動性和調(diào)驅(qū)注入性；彈性微球溶液粘度受質(zhì)量分數(shù)、溫度、剪切速率、礦化度等因素影響的變化幅度并不大，即彈性微球溶液具有較好的穩(wěn)定性，可用于高溫、高鹽油藏的深部調(diào)驅(qū)，具有較好的油藏適應性。

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編輯經(jīng)雅麗

TE357.431

A

：1009-9603（2014）01-0055-04

2013-11-04。

姚傳進，男，在讀博士研究生，從事提高采收率及采油化學方面的研究。聯(lián)系電話：15165283060，E-mail：ycj860714@yahoo.com.cn。

中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金“孔喉尺度彈性微球滲流機理的實驗和模擬研究”（11CX06025A）。