黏弹性聚合物调驱剂溶液在微裂缝中的流动特征

吴 伟， 李江涛， 林冬萍， 陆天瑜

(1中国石油天然气股份有限公司吉林油田分公司勘探开发研究院 2东北石油大学陆相页岩油气成藏及高效开发教育部重点实验室 3中国石油天然气股份有限公司吉林油田分公司新立采油厂)

裂缝性油藏在我国已开发的油田中占有重大比重，在该类油藏中，不仅天然的微裂缝发育，而且后期注水过程中也会出现因注水导致的诱导裂缝。在注水开发过程中，油井的含水率呈“台阶式”、“陡峭式”上升，水窜水淹后的油井产量大幅下降，油田高效开发受到严重制约[1-3]。针对此问题，国内开展了大量的增油降水技术研究，其中聚合物调驱剂最具优势[4-10]。

聚合物调驱剂由聚合物和交联剂组成[11]。由模拟地层水配制好之后，在地层条件下通过交联反应形成凝胶，封堵水窜通道。从其组成可知，调驱剂初始态的性质决定了其注入能力和运移位置。因此，研究初始态调驱剂(调驱剂溶液)在微裂缝中的运移特征对筛选调驱剂、分析调驱剂的注入性能以及提高使用效果都具有重要的意义。由于流体在微裂缝中的运移不仅受流体物性的影响，也受裂缝尺度的影响，因此本文利用裂缝性岩心驱替实验分析黏弹性调驱剂溶液在微裂缝中的流动特征，为提高裂缝性油藏深部调驱的高效应用提供理论基础。此外，调驱剂溶液中的聚合物是油田常用的化学剂，不仅可作为调驱/调剖剂的主剂，还可作为压裂液主剂、化学驱主剂等，认识其流动机理对提高聚合物在石油开采领域的应用具有重大的促进作用。

一、实验

1. 实验原料及仪器

实验用调驱剂由1 200 mg/L聚合物与150 mg/L醋酸铬组成。调驱剂组分中的聚合物为部分水解聚丙烯酰胺，分子量为800×104，水解度25%。醋酸铬为实验室自制。模拟地层水由蒸馏水和浓度为10 000 mg/L的NaCl配制。实验用岩心为方岩心，岩心尺寸为4.5×4.5×30 cm3。实验仪器：Anton Paar 302流变仪(奥地利Anton Paar公司)、Brookfield粘度计(美国Brookfield公司)。裂缝性岩心由渗透率为50 mD的方岩心加工制得，待方岩心抽真空、饱和水后沿长度方向切割即可形成。裂缝开度为50 μm、100 μm和200 μm的裂缝性岩心(基质水测渗透率50 mD),水测渗透率分别为500 mD、1 600 mD和3 800 mD。为了利于实验对比，选取与裂缝性岩心渗透率一致的人造方岩心(岩心基质水测渗透率分别为500 mD、1 600 mD和3 800 mD)用于驱替实验,如图1所示。

图1 裂缝性岩心驱替装置

2. 实验方法

2.1 调驱剂溶液配制及性能测试

利用模拟地层水配制调驱剂溶液，聚合物浓度1 200 mg/L的调驱剂溶液黏度为22 mPa·s(剪切速率为7.34 s-1)。在常温下，利用流变仪测定调驱剂溶液的应力松弛曲线。

2.2 测试调驱剂溶液在裂缝性岩心中的注入压力

实验要求流量精度低至10-3mL/min，传统驱替用平流泵已不能满足要求，改用微流控驱替中使用的微量泵。设定某一注入速度后开始驱替调驱剂溶液，在出口端计量流量，当出口端调驱剂溶液流速稳定后，该组驱替实验结束，然后换下一组实验。

2.3 测试调驱剂溶液在微裂缝与多孔介质中的注入压力

测试调驱剂溶液在三种不同微裂缝岩心中的注入压力，注入速度均为0.5 mL/min。测试调驱剂溶液在常规岩心中注入压力，注入速度也均为0.5 mL/min。对比调驱剂溶液在相同水测渗透率的裂缝性岩心和常规岩心中的注入压力，评价其流动差异。

二、结果与讨论

1. 调驱剂溶液流动特征

在裂缝性岩心中，调驱剂溶液注入压力与注入速率的关系曲线如图2所示。从图2可知，随着注入速率的不断降低，曲线接近于原点。这说明在裂缝的流动过程中，调驱剂溶液的启动压力非常低。文献研究表明，在低渗多孔介质岩心中，启动压力是明显存在。因此，两者差异明显。启动压力源于界面之间的摩擦力和分子间作用力，比如流体与流体、流体与岩石表面的相互作用。相比多孔介质的表面，裂缝表面要小得多，表面作用力弱，因此启动压力不同。

图2可知，在一定流速范围内，调驱剂溶液注入速率与压差呈正比，呈现牛顿流体的性质。然而，现有的室内实验研究结果认为，调驱剂溶液是黏弹性流体。这种差异主要在调驱剂溶液的黏弹性在剪切速率高于一定值后才明显体现。低剪切速率下，调驱剂溶液近似牛顿流体。随着流量增加，剪切速率增加，聚合物的黏弹性显现，调驱剂溶液的流动形态逐渐呈非线性流动。速率越高，偏离线性程度越大。

图2 调驱剂溶液在裂缝性岩心中注入曲线

2. 调驱剂溶液在裂缝与多孔介质中流动差异分析

调驱剂溶液在裂缝与多孔介质中的流动阻力如图3所示。图3可知，二者存在较大差异。在相同水测渗透率下，调驱剂溶液在裂缝中的流动阻力要比在多孔介质中的流动阻力小。渗透率越小，差异越明显。差异随着渗透率的增加而降低。如渗透率为500 mD时，差异程度为35%；渗透率为1 600 mD时，差异程度接近20%；渗透率为3 800 mD时，差异程度接近11%。

图3 调驱剂溶液在裂缝性岩心与常规岩心中流动差异

这种差异是由于聚合物分子在裂缝和多孔介质中的运移方式不同所导致的。在裂缝中运移时，聚合物分子只在注入过程中的端口处发生形变，进入裂缝后由于裂缝尺度恒定，因而聚合物形状保持不变。然而，在多孔介质中运移时，聚合物分子不仅在注入过程中的入口端发生形变，更重要的是喉孔结构导致调驱剂分子在每一个孔隙和喉道处移动时均发生形变，该过程一直持续至出口端。在运移时，调驱剂分子产生形变的原因主要源于一个与流动方向相反的剪切应力作用。黏弹性材料由于其特殊性而不同于其他材料，如应力松弛特性，导致其流变特征不同于常规材料，因而对其流动和形变产生影响。在维持恒定变形的材料中，应力随时间增长而减小的现象称为应力松弛。调驱剂分子在裂缝和多孔介质中运移时的受力情况如图4所示。由于裂缝尺度恒定，调驱剂分子在裂缝中运移时的形状几乎可以保持恒定，即在裂缝中调驱剂分子受到的剪切应力因聚合物的应力松弛特性而会随着时间增加而逐渐降低。但是在多孔介质中运移时，由于孔-喉尺寸是一直变化的，因而调驱剂形变是一直变化的，这使得调驱剂分子受到的剪切应力会一直存在[12-14]。

图4 调驱剂分子在裂缝和多孔介质中运移时的剪切应力随时间变化情况

调驱剂溶液的应力松弛曲线如图5所示。从图5中可知，在给定形变后，因为应力松弛作用，调驱剂溶液受到的应力会快速消除。因此，调驱剂分子在裂缝中运移只会在入口端附近受到剪切应力的作用。当进入裂缝后，流动过程中的聚合物分子的运移阻力会小于在多孔介质中的流动阻力。当渗透率高于一定值后，剪切对流动的影响变小，因此两者的差异程度降低。

图5 调驱剂溶液的实际应力松弛曲线

三、结论

(1)在含微米级裂缝的特低渗岩心中，在一定流速范围内调驱剂溶液呈线性流。

(2)由于应力松弛作用，在相同水测渗透率的裂缝和多孔介质中运移时，调驱剂溶液在裂缝中的流动阻力小于在多孔介质中。在水测渗透率越低时，这种差异程度越高。