黏彈性表面活性劑在多孔介質(zhì)中的流變性能研究

時冠蘭，余曉玲

黏彈性表面活性劑在多孔介質(zhì)中的流變性能研究

時冠蘭，余曉玲

中國石化江蘇油田分公司石油工程技術(shù)研究院，江蘇 揚州 225001

黏彈性表面活性劑（VES）在多孔介質(zhì)中的有效黏度是進(jìn)行VES驅(qū)油藏數(shù)值模擬、方案設(shè)計和動態(tài)預(yù)測的重要參數(shù)。通過分析不同孔徑、不同注入速度下VES溶液在多孔介質(zhì)中的等效剪切速率-有效黏度關(guān)系曲線，觀察流變性變化趨勢，同時分析不同影響因素下等效剪切速率以及有效黏度的變化差異。結(jié)果表明：不同孔徑、不同濃度VES溶液在多孔介質(zhì)中的等效剪切速率-有效黏度曲線均為“U”形，存在一個臨界剪切速率；VES溶液在多孔介質(zhì)中的等效剪切速率隨濃度、注入速度、配制水礦化度的增大而增大，隨孔喉半徑增大而降低；VES溶液在多孔介質(zhì)中的有效黏度隨著濃度增大呈現(xiàn)先增加后平緩的趨勢，隨著注入速度及孔喉半徑的增大呈“U”形，隨著配制水礦化度的增大略有下降。

黏彈性表面活性劑 多孔介質(zhì) 等效剪切速率 有效黏度 流變性

黏彈性表面活性劑（VES）在多孔介質(zhì)中的有效黏度是進(jìn)行VES驅(qū)油藏數(shù)值模擬、方案設(shè)計和動態(tài)預(yù)測的重要參數(shù)［1］。由于VES溶液在多孔介質(zhì)中的流變性能［2］與宏觀流變性能有很大差異，用流變儀測得的流變特性并不能準(zhǔn)確反映VES溶液在地下的流變特性［3］。因此，研究VES溶液在多孔介質(zhì)中的流變性能對于認(rèn)識VES溶液滲流規(guī)律具有重要意義。

VES溶液的黏度與剪切速率密切相關(guān)，但是在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(yīng)的剪切速率。目前還沒有精確描述多孔介質(zhì)中剪切速率的模型，一方面是多孔介質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，尚無理論模式可以精確描述；另一方面是注入流體分子與多孔介質(zhì)之間的相互作用極為復(fù)雜。許多學(xué)者對黏彈性流體提出了多孔介質(zhì)中的剪切速率簡化模型［4-5］，本研究采用計算冪律流體的等效剪切速率模型［6-7］來計算，具體見式（1）。

式中：為等效剪切速率，1/s；為達(dá)西速度，cm/s；p為VES溶液在巖心中的相滲透率，μm2；為孔隙度。

根據(jù)式（2）計算VES溶液在多孔介質(zhì)中的有效黏度

式中：為流體流過巖心的體積流量，cm3/s；Δ為巖心兩端壓差，atm；為巖心橫截面積，cm2；為巖心長度，cm；p為VES溶液在巖心中的相滲透率，μm2；eff為流體的有效黏度，mPa·s。

1　實驗流程與步驟

1.1　實驗流程

實驗流程如圖1所示。

圖1 驅(qū)替物模擬實驗流程

1.2　實驗步驟

①以一定的流量開始進(jìn)行滲流實驗，記錄該流量條件下的穩(wěn)定壓力，得到流量-壓差關(guān)系曲線，在穩(wěn)定壓力下同時取樣測VES的流變參數(shù)； ②以相同流速進(jìn)行注水驅(qū)替，直到巖心兩端壓差穩(wěn)定，根據(jù)達(dá)西公式近似計算得到VES相滲透率； ③按從大到小的順序改變實驗流量，繼續(xù)步驟①和步驟②，計算有效黏度；④按照實驗方案改變實驗參數(shù)，進(jìn)行影響因素研究實驗。

2　實驗結(jié)果與分析

2.1　不同孔喉半徑（滲透率）巖心中的流變性

為便于觀察流變性變化趨勢，設(shè)計實驗所用VES質(zhì)量濃度為10 g/L，研究VES溶液在不同孔喉半徑（滲透率）多孔介質(zhì)中的等效剪切速率-有效黏度關(guān)系曲線，巖心中的流變測試結(jié)果如圖2所示。

圖2　不同孔喉半徑巖心中的流變曲線

由圖2可知：VES溶液在不同孔喉半徑（滲透率）多孔介質(zhì)中的等效剪切速率-有效黏度曲線均呈現(xiàn)出隨剪切速率增大先降低后增大的“U”形，存在一個臨界剪切速率。這是因為在低于臨界剪切速率的時候，VES溶液在多孔介質(zhì)中的有效黏度主要由剪切黏度構(gòu)成，隨著等效剪切速率增大，VES聚集體分子受剪切作用增強，有效黏度降低；在高于臨界剪切速率的時候，VES溶液在多孔介質(zhì)中的有效黏度主要由拉伸黏度構(gòu)成，隨等效剪切速率增大，VES聚集體分子受拉伸作用增強，有效黏度增大。隨著巖心孔喉半徑增大，臨界剪切速率值降低，有效黏度值整體增大。

2.2　不同質(zhì)量濃度下的流變性

當(dāng)巖心氣測滲透率水平0.1 μm2時，研究不同質(zhì)量濃度下VES溶液在巖心中的等效剪切速率-有效黏度關(guān)系，巖心中的流變測試結(jié)果如圖3所示。

圖3　不同質(zhì)量濃度VES溶液流變曲線

由圖3可知：不同質(zhì)量濃度的VES溶液在巖心中的等效剪切速率-有效黏度關(guān)系曲線均為“U”形，且隨VES初始濃度增大，“U”形越明顯，有效黏度值整體越大，存在一個臨界剪切速率。該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因：等效剪切速率低于臨界剪切速率時，有效黏度主要由剪切黏度構(gòu)成；等效剪切速率高于臨界剪切速率時，有效黏度主要由拉伸黏度構(gòu)成。

2.3　各因素對VES流變參數(shù)的影響

2.3.1VES質(zhì)量濃度的影響

不同質(zhì)量濃度VES溶液以0.5 cm3/min流過相同滲透率水平巖心（氣測滲透率0.1 μm2），其質(zhì)量濃度-剪切速率關(guān)系如圖4所示，質(zhì)量濃度-有效黏度關(guān)系如圖5所示。

圖4　VES質(zhì)量濃度對等效剪切速率的影響

圖5　VES質(zhì)量濃度對有效黏度的影響

由圖4和圖5可知：隨VES濃度增大，其在多孔介質(zhì)中的等效剪切速率增大，反映出VES濃度越高，在多孔介質(zhì)中所受剪切作用越強。在同等條件下，隨VES溶液初始濃度增大，其在多孔介質(zhì)中的有效黏度先增大后降低，然后再增大，最后趨于平穩(wěn)趨勢；VES質(zhì)量濃度大于4 g/L后，在同等條件下有效黏度值不再發(fā)生顯著增大。

2.3.2注入速度的影響

研究5 g/L的VES溶液以不同速度流過相同滲透率水平的巖心（氣測滲透率0.1 μm2）后的流速-等效剪切速率關(guān)系、流速-有效黏度關(guān)系，結(jié)果如圖6～7所示。

圖6　不同注入速度下的等效剪切速率變化

圖7　不同注入速度下的有效黏度變化

由圖6和圖7可知：同等條件下，注入速度越大，VES溶液在多孔介質(zhì)中的等效剪切速率越大，所受剪切作用越強。有效黏度隨注入速度增大呈“U”形，反映出VES溶液的有效黏度在低速注入時以剪切黏度為主，高速注入時以拉伸黏度為主。

2.3.3孔喉半徑大小的影響

研究5 g/L的VES溶液以0.5 cm3/min流速流過不同孔喉半徑巖心后的孔喉半徑-剪切速率、孔喉半徑-有效黏度關(guān)系，結(jié)果如圖8～9所示。

圖8　不同孔喉半徑巖心中的等效剪切速率變化

圖9　不同孔喉半徑巖心中的有效黏度變化

由圖8和圖9可知：在同等條件下，VES溶液在多孔介質(zhì)中的等效剪切速率隨孔喉半徑增大而降低，孔喉半徑大于2 μm后，VES溶液所受剪切作用變化較小。有效黏度隨孔喉半徑增大呈“U”形變化，其原因是隨孔喉半徑增大，VES溶液拉伸作用顯著降低；在較大孔喉中，有效黏度以剪切黏度為主，隨孔喉半徑增大，剪切作用減弱，有效黏度增加。

2.3.4礦化度的影響

研究不同礦化度水配制的5 g/L的VES溶液以0.5 cm3/min流過相同滲透率水平巖心（氣測滲透率0.1 μm2）的濃度-剪切速率關(guān)系、濃度-有效黏度關(guān)系，結(jié)果如圖10～11所示。

圖10　不同礦化度下等效剪切速率變化

圖11　不同礦化度下有效黏度變化

由圖10和圖11可知：同等條件下，隨配制水礦化度增大，VES溶液在多孔介質(zhì)中所受等效剪切速率增大，對應(yīng)的有效黏度略有下降。配制水礦化度增大使VES聚集體結(jié)構(gòu)更加緊密和穩(wěn)定，通過多孔介質(zhì)時流動能力降低，因此表現(xiàn)為同等條件下所受等效剪切速率增大，有效黏度主要表現(xiàn)為剪切黏度相應(yīng)降低。

3　結(jié)論

1）VES溶液在不同孔喉半徑巖心、不同注入濃度注入巖心中的等效剪切速率-有效黏度曲線均為“U”形，存在一個臨界剪切速率。在低于臨界剪切速率的時候，有效黏度主要由剪切黏度構(gòu)成，在高于臨界剪切速率的時候，有效黏度主要由拉伸黏度構(gòu)成。VES濃度越高、配制水礦化度越大、注入速度越大，在多孔介質(zhì)中所受剪切作用越強；隨孔喉半徑增大，剪切作用減弱。

2）對于VES溶液來說，在多孔介質(zhì)中其流變性受到不同因素的影響，通過對VES溶液流變性的研究，為應(yīng)用黏彈性表面活性劑VES驅(qū)油技術(shù)提供指導(dǎo)。

［1］ 張星，李兆敏，徐林靜. 聚合物在多孔介質(zhì)中的流變性研究［J］.石油鉆探技術(shù)，2010，38（1）：8-10.

［2］ 劉陽，李科星，李渝波，等. 驅(qū)油黏彈性表面活性劑溶液的流變性質(zhì)研究［J］.精細(xì)石油化工進(jìn)展，2017，18（1）：17-20.

［3］ 李圣濤，陳馥，陳建設(shè)，等. 黏彈性表面活性劑溶液流變性及評價方法［J］.精細(xì)石油化工進(jìn)展，2005，6（12）：26-28.

［4］ 佟曼麗. 聚合物稀溶液在多孔介質(zhì)中的粘彈效應(yīng)［J］.天然氣工業(yè)，1987，7（1）：64-71.

［5］ 王德民，程杰成，楊清彥. 粘彈性聚合物溶液能夠提高巖心的微觀驅(qū)油效率［J］.石油學(xué)報，2000，21（5）：45-51.

［6］ 夏惠芬. 黏彈性聚合物溶液的滲流理論及其應(yīng)用［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2002：53-55.

［7］ 夏惠芬，岳湘安，曹廣勝，等 . 滲流過程中聚合物溶液的流變性［J］.大慶石油學(xué)院學(xué)報，2000，24（3）：26-29.

Rheological properties of viscoelastic surfactants in porous media

SHI Guanlan，YU Xiaoling

，225001，

The effective viscosity of viscoelastic surfactant（VES） in porous media is an important parameter for numerical simulation， scheme design and dynamic prediction of VES flooding reservoir. By analyzing the relationship curve between equivalent shear rate and effective viscosity of VES solution in porous media under different pore sizes and injection speeds， the change trend of rheological properties was observed， and the changes of equivalent shear rate and effective viscosity under different influencing factors were analyzed. Results showed that the equivalent shear rate effective viscosity curves of VES solutions with different pore sizes and concentrations in porous media were "U" shape， and there was a critical shear rate. The equivalent shear rate of VES solution in porous media increased with the increase of concentration， injection rate and salinity of configured water， and decreased with the increase of pore throat radius. The effective viscosity of VES solution in porous media increased first and then flattened with the increase of concentration. With the increase of injection speed and pore waiting radius， it showed a "U" shape， and decreased slightly with the increase of salinity of prepared water.

viscoelastic surfactant； porous media； equivalent shear rate； effective viscosity； rheology

2021-08-12

時冠蘭，工程師；研究方向：提高油田采收率；Email：shigl.jsyt@sinopec.com

［責(zé)任編輯 管珺］