聚合物微球滲流實(shí)驗(yàn)研究

王齊祿 陳曉宇 王尤富

摘 要：實(shí)驗(yàn)通過(guò)用微管中的滲流模型方法，替代傳統(tǒng)的填砂模型方法，研究聚合物微球在不同壓差情況下在不同直徑微管中的流動(dòng)情況。實(shí)驗(yàn)表明：流量與壓力梯度存在著正比例關(guān)系，如果壓力梯度增加，流量也會(huì)跟著增大；驅(qū)替壓力設(shè)置成0.6 MPa，溫度相等時(shí)，流體速度會(huì)隨著溶液濃度的增加而越來(lái)越慢；純水在5 m和10 m直徑的微管里流動(dòng)的時(shí)候，存在啟動(dòng)壓力梯度，加入一點(diǎn)聚合物就能很好地消除；通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論研究表明：使用Kozeny-Carman模型來(lái)計(jì)算多孔介質(zhì)的滲透率是可行的；品質(zhì)好的聚合物微球應(yīng)該在多孔介質(zhì)中表現(xiàn)出一定的流動(dòng)性，進(jìn)入大孔道后與地層相互作用，最終堵塞大孔道。因此從滲流特征上，好的聚合物微球應(yīng)該有以下三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：微球進(jìn)入水中以后，其穩(wěn)定性和分散性都要求表現(xiàn)良好；溶液在5微米及以上微管中具有良好的流動(dòng)性，不宜堵塞； 微球聚合短時(shí)間內(nèi)膨脹（或者變性），起到在大孔道中的封堵效果。

關(guān) 鍵 詞：聚合物微球；滲流；微管；非均質(zhì)

中圖分類號(hào)：TE 357 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2016）08-1744-04

Abstract： In the experiment， traditional method of filling sand model was replaced by micro tube percolation model method to study the flow of polymer microspheres in the microtubules with different diameters under different pressure conditions. The experimental results show that， there is positive proportional relation between the flow rate and pressure gradient， that is， the greater the pressure gradient， the higher the flow rate； under 0.6 MPa displacement pressure and the same temperature， the higher the concentration of polymer solution， the slower the flow rate. When water flows in 5 m and 10 m micro tubes， there is starting pressure gradient. Adding a small amount of polymer can effectively eliminate water starting pressure in the porous medium. The experimental and theoretical studies show that： Kozeny-Carman model is suitable to describe the permeability of the porous medium. Good quality polymer microspheres should have some mobility in the porous medium， after entering the large pore， based on interaction with the formation， they can ultimately block big pores. From the flow characteristics， good polymeric microspheres should have following three criteria： the dispersion and stability of polymer microspheres in water are good； the solution has a good flowability in the 5 micron and above micro tubes； in a short period of time， the microspheres can swell to block big pores.

Key words： polymer microspheres；seepage；micro tube；anisotropic

由于我國(guó)大部分油田都是陸相沉積，油藏的非均質(zhì)性較大，并且目前油田大多已經(jīng)進(jìn)入開(kāi)發(fā)中后期，含水率已經(jīng)變得很高。聚合物驅(qū)是提高采收率最簡(jiǎn)單的一種方法。從聚合物驅(qū)工業(yè)化應(yīng)用幾十年里我們認(rèn)識(shí)到：聚合物驅(qū)可以降低水相流度，改善流度比，提高波及系數(shù)，在一定程度上還可以提高驅(qū)油效率。在聚合物乳液封堵地層作業(yè)中，封堵效果的好壞程度是會(huì)受聚合物微球注入孔徑分布，注入深度和微球具體堵塞情況的影響。同時(shí)，研究表明Darcy定律用來(lái)描述低滲透油藏并不精確。實(shí)驗(yàn)通過(guò)微管，研究聚合物微球溶液的滲流規(guī)律，發(fā)現(xiàn)其特征，為油田具體施工提供理論指導(dǎo)[1-8]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

YG-370-5型聚合物微球；YG-370-E型聚合物微球；注入水，礦化度為918.36 mg/L；粘度為2.09 mPa·s的原油；直徑為2、5、10μm，長(zhǎng)度為4 cm的石英圓微管。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)器材如圖1，高壓氮?dú)鈴牡獨(dú)馄砍鰜?lái)，經(jīng)過(guò)減壓閥后流入緩沖罐中，然后由緩沖罐提供平穩(wěn)的動(dòng)力去驅(qū)動(dòng)儲(chǔ)液罐中流體進(jìn)入試驗(yàn)微管。使用位移法來(lái)計(jì)算試驗(yàn)中流量。試驗(yàn)微管出口端跟流量計(jì)量毛細(xì)管相連，計(jì)量累積的流量[9-13]。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵步驟

（1）壓力與溫度的測(cè)量：通過(guò)壓力-溫度測(cè)量器可以直接得到壓力和溫度的讀數(shù)，記錄時(shí)壓力要精準(zhǔn)到0.001 MPa，溫度精準(zhǔn)到0.1 ℃。

（2）液體流量的測(cè)量：位移管內(nèi)液體流量計(jì)算由氣泡端面位移距離和所需時(shí)間決定。光電位移檢測(cè)儀測(cè)出的位移結(jié)果可以精準(zhǔn)到0.01 mm，時(shí)間則可精準(zhǔn)到0.01 s。根據(jù)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)連續(xù)性定律，實(shí)驗(yàn)段流量跟位移管流量是等值的，所以可以間接得到試驗(yàn)段中液體的流量，試驗(yàn)中的流量范圍在0.001～0.01 L/s（標(biāo)準(zhǔn)升/秒）。

（3）壓力調(diào)節(jié)的方式：在實(shí)驗(yàn)中先高壓再低壓，壓力從高到低進(jìn)行調(diào)節(jié)，其中每個(gè)壓力點(diǎn)都要測(cè)5次，最后的讀數(shù)取平均值。

（4）將蒸餾水和質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別是1‰、2‰、3‰、4‰和5‰的溶液壓入直徑為2、5和10 m的微管中，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)[14]。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，壓力的控制有兩種途徑：（1）恒壓法：在大量的微管單根實(shí)驗(yàn)和微管束試驗(yàn)中，采用壓差0.6 MPa；（2）變壓法：在研究聚合物微球溶液隨壓力變化的滲流特征時(shí)，采用典型溶液、典型溫度下的多壓差實(shí)驗(yàn)方法。

2 聚合物微球溶脹老化試驗(yàn)研究

2.1 時(shí)間對(duì)流動(dòng)性的影響

為了得出保養(yǎng)時(shí)間對(duì)溶液滲流特征產(chǎn)生的影響，將370-5和370-E在5和10 m石英微管中不同保養(yǎng)時(shí)間、不同溫度下的平均流量見(jiàn)圖2。

對(duì)于370-5的聚合物微球溶液，保溫6月后，10 m微管的流量下降，說(shuō)明聚合物微球溶可能發(fā)生團(tuán)聚，65 ℃的時(shí)候，流量是最小的，則說(shuō)明65℃不利于聚合物微球注入。而對(duì)于370-E的聚合物微球溶液，只有在75 ℃的時(shí)候，10 m微管中流量變化才不大。

對(duì)于5 m直徑的微管中的流量，兩種聚合物溶液表現(xiàn)出流量前后高，中間低的狀態(tài)，原因可能是前期聚合物微球沒(méi)有充分膨脹，后期觀察到聚合物溶液出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，這表現(xiàn)出高分子能夠減小流體流動(dòng)阻力。而10 m直徑微管的流量，微球粒徑產(chǎn)生的影響較小。

2.2 溫度對(duì)流動(dòng)性的影響

溫度的影響主要表現(xiàn)在聚合物溶液的微球變性快慢上，即在不同的溫度下，聚合物微球的變化速度不同，而造成了不同的流動(dòng)速度，溫度對(duì)聚合物微球的影響見(jiàn)圖3。

總體上講，在聚合物微球溶液注入時(shí)，應(yīng)該選擇短時(shí)間內(nèi)將溶液注入，不適于將溶液長(zhǎng)期保存后注入，讓聚合物微球的膨脹、變性等在地層中進(jìn)行。

3 不同壓差下聚合物微球溶液滲流的特征

在流體力學(xué)理論中：滑移長(zhǎng)度是正數(shù)表明流體在邊界流速不為零，滑移長(zhǎng)度可以近似地看作是圓管直徑增大的大小，而滑移長(zhǎng)度是負(fù)數(shù)則表示不流動(dòng)的流體厚度，即在低滲透率空隙介質(zhì)中所提到的邊界層的厚度。由圖4知，當(dāng)壓力為0～1 MPa時(shí)，純水和質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3‰、5‰的溶液在直徑為5和10 m的微管內(nèi)滑移長(zhǎng)度值都是負(fù)數(shù)，這就說(shuō)明5m和10 m微管內(nèi)均有外層液體不流動(dòng)的現(xiàn)象，即存在邊界層，而這又是啟動(dòng)壓力梯度存在的物理基礎(chǔ)。而聚合物微球溶液在微管中流動(dòng)時(shí)，不存在啟動(dòng)壓力，可能是聚合物微球的存在，降低了溶液和固體壁面的相互作用力。

4 不同滲透率下聚合物微球溶液滲流特點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)中用三種直徑的微管（2、5和10 m），分別代表低滲透、中滲透和高滲透三種介質(zhì)，因此實(shí)驗(yàn)選取的微管具有典型的代表性（商品微管也只有這三種）。選取了3種非均勻微管束模型，其分均質(zhì)性逐漸減小。在0.6 MPa的壓差下，質(zhì)量濃度為0.3%的溶液在微管束中流動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：表1分別為370-5和370-E聚合物溶液在毛管束模型1-3中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（壓差0.6 MPa，微管長(zhǎng)度40 mm）。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)合研究發(fā)現(xiàn)，在非均勻管中，多孔介質(zhì)的滲透率可以用Kozeny-Carman模型計(jì)算，并且計(jì)算結(jié)果證實(shí)：實(shí)驗(yàn)結(jié)果跟理論值基本一致，也表明用該模型來(lái)計(jì)算是可行的。

5 結(jié) 論

（1）流量與壓力梯度存在著正比例關(guān)系，如果壓力梯度增加，流量也會(huì)跟著增大；驅(qū)替壓力設(shè)置成0.6 MPa，溫度設(shè)置成一樣的時(shí)候，流體速度會(huì)隨著溶液濃度的增加而越來(lái)越慢。

（2）純水在5和10 m直徑的微管里流動(dòng)的時(shí)候，存在啟動(dòng)壓力梯度，加入一點(diǎn)聚合物就能很好地消除。

（3）通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論研究表明：使用Kozeny- Carman模型來(lái)計(jì)算多孔介質(zhì)的滲透率是可行的。

（4）品質(zhì)好的聚合物微球應(yīng)該在多孔介質(zhì)中具有一定的流動(dòng)性，進(jìn)入大孔道后與地層相互作用，最終堵塞大孔道，因此從滲流特征上，好的聚合物微球應(yīng)該有以下三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：微球進(jìn)入水中以后，其穩(wěn)定性和分散性都要求表現(xiàn)良好；b 溶液在5 m及以上微管中具有良好的流動(dòng)性，不宜堵塞；c 微球聚合短時(shí)間內(nèi)膨脹（或者變性），起到在大孔道中的封堵效果。

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