聚丙烯酰胺溶液在渗流过程中的流变性实验研究

夏惠芬，马蒋平，冯海潮，殷代印，张九然，马文国

（1.东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆 163318；2.大庆油田采油八厂，黑龙江大庆 163318）

聚丙烯酰胺溶液在渗流过程中的流变性实验研究

夏惠芬1，马蒋平1，冯海潮1，殷代印1，张九然2，马文国1

（1.东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆 163318；2.大庆油田采油八厂，黑龙江大庆 163318）

通过岩心渗流实验，研究了不同相对分子质量、不同质量浓度的聚丙烯酰胺（聚合物）溶液在多孔介质中的渗流特性；根据不同渗流速度下的渗流压力变化，计算了不同聚合物溶液在多孔介质渗流过程的有效粘度；分析了不同质量浓度和相对分子质量的聚合物溶液在多孔介质中的流变性变化。结果表明：在达西渗流速度范围内，聚合物溶液在渗流过程中岩心两端的压差随流量的增加表现出先上升后上翘的趋势；聚合物溶液在多孔介质中的有效粘度随剪切速率的增加先减小后增大；溶液的相对分子质量越大、质量浓度越大，有效粘度越大。

聚丙烯酰胺溶液；多孔介质；流变性；有效粘度；粘弹性

聚合物溶液驱油是三次采油技术中最常用的一种提高原油采收率的方法。在聚合物驱油过程中，聚合物溶液的地下流变性直接影响其渗流特性及其驱油效果。聚合物溶液在地层孔隙介质中的流变特性是极为复杂的，它不但取决于聚合物溶液本身的性质，油层多孔介质的孔隙结构，还取决于聚合物分子与孔隙介质之间的相互作用。这是因为多孔介质的孔道结构极其复杂，不断出现收缩、发散的流道，因而聚合物溶液在孔隙介质中的流动既有剪切流动，也有拉伸流动。当聚合物溶液在一定速度范围内通过孔隙介质时，以剪切流动为主，大分子在剪切力场作用下沿流动方向定向伸展，粘度随速度的增加而下降，流体呈现拟塑性流变特性；当流速增加到一定程度后，孔喉处的流速和拉伸速率都显著增加，此时流体显示出剪切增稠特性。传统的牛顿流体的渗流力学不能解释上述所说的特殊现象，因此研究聚合物溶液在多孔介质中的流变性是正确进行聚合物驱油藏工程计算与分析、并指导矿场试验的前提和基础［1］。叶仲斌等［2-4］通过研究表明聚合物分子通过多孔介质剪切后，在一定程度上破坏了聚合物的分子链，从而影响了聚合物溶液的性能；夏惠芬等［5-8］研究了聚合物溶液的粘弹性，给出了粘弹性聚合物溶液的表观粘度的表达式和表现出弹性时的临界剪切速率；陈铁龙［9-10］通过研究得出了三元复合体系在多孔介质中出现粘弹流变特征的临界剪切速率随着聚合物浓度的升高而减小，随着表面活性剂和碱浓度的增加而增大；张星［11］等利用岩心驱替装置系统分析了不同渗透率、不同质量浓度聚合物溶液的剪切流变性；还有许多学者通过实验研究了聚合物溶液的粘弹特性［12-16］，但是系统地研究不同相对分子质量、不同质量浓度的聚合物溶液在多孔介质中粘弹性的文章还少有报道。我们通过岩心渗流实验研究了聚丙烯酰胺（聚合物）溶液在渗流过程中的流变性，给出了不同渗流速度条件下的粘度变化规律，分析了聚合物溶液的质量浓度和相对分子质量对多孔介质中聚合物溶液流变性的影响。

1 实验部分

1.1 实验设备及材料

人造岩心：直径2.5cm，单根长度10cm左右，气测渗透率2 000×10-3μm2。

模拟盐水：矿化度分别为508mg／L、3 700mg／L，用来配制母液、测水，测渗透率和稀释聚合物用。

化学剂：部分水解聚丙烯酰胺，大庆炼化公司生产，相对分子质量分别为1 200×104、1 620×104和2 500×104；用清水（矿化度508mg／L）配制浓度为5 000mg／L的母液，然后用污水（矿化度3 700mg／L）稀释为实验浓度。

实验设备：恒温箱、平流泵、岩心夹持器、手摇泵、管线压力表若干。

实验温度：45℃。

1.2 实验步骤

（1）抽真空，45℃条件下饱和盐水（3 700mg／L），记录不同流量条件下该岩心的稳定压力，计算岩心水，测渗透率；

（2）以256mL／h的流量开始进行渗流实验，记录该流量条件下的稳定压力；

（3）压力稳定后在出口取样，测量聚合物体系的流变参数；

（4）上一个流量实验结束后，按照180、128、64、32、16、8、4、2mL／h的顺序依次改变注入速度，继续步骤（2）和（3）；

（5）后续水驱，记录各流量下后续水驱的稳定压力，计算阻力系数和残余阻力系数；

（6）按照实验方案修改实验参数进行影响因素对比实验。

1.3 实验方案

为研究质量浓度和相对分子质量对多孔介质中聚合物溶液流变性的影响，设计实验方案如表1所示。

表1 短岩心渗流实验方案

2 实验结果

2.1 聚合物溶液在多孔介质中的渗流特性

图1给出了直角坐标系和双对数坐标系下水在岩心15～18中渗流时的流量和压差的关系曲线。由图1可以看出，随流量增加，压差呈直线上升的趋势，完全符合达西定律。

图1 水在岩心15～18中的渗流曲线

应用Ergun公式［17］计算了水在岩心15～18中渗流时的雷诺数Re。在2～256mL／h的流速范围内，在岩心15～18中，Re的变化范围为4.05×10-5到5.18×10-3之间。说明水在岩心中渗流时是不存在惯性效应的。因此，粘度高于水的聚合物溶液在以上渗透率级别的岩心中渗流时，在实验流量范围内不存在惯性渗流。

2.1.1 聚合物溶液质量浓度对渗流特性的影响

图2给出了双对数坐标系下不同质量浓度的聚合物溶液在岩心中渗流时的流量和压差的关系曲线。由图2可以看出，聚合物溶液在渗流过程中，在双对数坐标系下，岩心两端的压差随流量的增加表现出先上升而后上翘的趋势。这种现象出现的可能原因有两种，一是聚合物溶液在渗流过程中出现了惯性非达西流动现象，二是聚合物溶液出现了弹性效应。根据前文计算的雷诺数，我们排除了惯性渗流的影响，因此，聚合物溶液渗流曲线上出现的上翘现象是聚丙烯酰胺溶液的弹性所致。在其它条件相同的情况下，聚合物溶液的质量浓度越高，粘弹性越强，渗流压差越大，上翘现象越明显。这是因为随着聚合物溶液质量浓度的增加，聚合物分子之间相互吸引和相互缠结的能力增强，使得渗流阻力增加。

图2 不同质量浓度聚合物溶液的渗流曲线

2.1.2 聚合物溶液相对分子质量对渗流特性的影响

图3给出了双对数坐标系下不同相对分子质量的聚合物溶液在岩心中渗流时的流量和压差的关系曲线。可以看出，在其它条件相同的情况下，聚合物溶液的相对分子质量越高，渗流压差越大。这是因为聚合物溶液的相对分子质量越大，聚丙烯酰胺分子的回旋半径越大，重复链节越多，并且由于吸附、滞留，使得岩心的渗透率下降，从而使渗流阻力增大，渗流特性变差。

图3 不同相对分子质量的聚合物溶液的渗流曲线

2.2 聚合物溶液在多孔介质中的弹性效应

2.2.1 多孔介质中的等效剪切速率

在聚合物驱油过程中，聚合物溶液的粘度与剪切速率密切相关。但是在聚合物驱油物理模拟实验中直接用到的是渗流速度，因而需要将渗流速度换算为对应的剪切速率。目前还没有精确描述多孔介质中剪切速率的模型。一方面是由于多孔介质的孔隙结构异常复杂，目前尚无理论模式可以精确描述；另一方面则是由于聚合物分子与多孔介质之间的相互作用极为复杂。许多学者提出了聚合物溶液在多孔介质中剪切速率的简化模型［18］，本文中采用如下模型

2.2.2 聚合物溶液在多孔介质中的有效粘度

聚合物溶液在多孔介质中渗流的基本方程是达西方程

式中Q为流体流过岩心的体积流量，cm3／s；ΔP为岩心两端的压差，MPa；A为岩心的横截面积，cm2；L为岩心的长度，cm；μ为流体的粘度，mPa·s。

对于聚合物溶液，其粘度与流速有关，不再是一常量，流量与压差之间的线性关系已不成立，但是可根据聚合物溶液渗流时岩心两端压差和流量的关系用上式计算聚合物溶液的粘度，所求出的粘度是聚合物溶液通过孔隙介质时的实际粘度，也称为有效粘度，用μeff表示

由于聚合物分子在岩心中的吸附滞留，使得岩心的渗透率降低，因此压降不仅受流量和流体粘度的影响，同时还受到岩心渗透率的影响，在用上式计算有效粘度时，应用残余阻力系数对渗透率进行修正。

2.2.3 聚合物溶液在多孔介质中流变性的影响因素

根据上述岩心的实验数据，利用式（1）计算不同注入速度对应的等效剪切速率，利用式（3）计算不同注入速度时岩心中聚合物溶液的有效粘度，可得到聚合物溶液在多孔介质中的流变曲线。影响多孔介质中聚合物溶液流变性的因素主要有以下几种。

（1）质量浓度的影响。图4给出了不同质量浓度的聚合物溶液在多孔介质中的流变曲线。可以看出，有效粘度随剪切速率的增加而下降，达到一定值（称为临界流变流速）后，有效粘度随着剪切速率的增加而升高。在相同剪切速率条件下，随着质量浓度的升高，聚合物溶液的有效粘度增加。

图4 不同质量浓度的聚合物溶液在多孔介质中的流变曲线

（2）相对分子质量的影响。图5给出了不同相对分子质量的聚合物溶液在多孔介质中的流变曲线。与质量浓度升高的情况类似，相对分子质量的升高也能使孔隙介质中的有效粘度增加。

图5 不同相对分子质量的聚合物溶液在多孔介质中的流变曲线

3 结论

（1）聚合物溶液在岩心中渗流时，岩心两端压差随聚合物溶液质量浓度的增加而增大；随聚合物溶液相对分子质量的增加而增大；

（2）聚合物溶液在多孔介质中的有效粘度可以通过渗流过程的实验数据利用达西定律来反算求得。随渗流速度的增加，聚合物溶液在多孔介质中的有效粘度下降，达到临界流变流速后，有效粘度随着剪切速率的增加而升高；

（3）聚合物溶液在多孔介质中的有效粘度随溶液质量浓度的增加、相对分子质量的增大而增大。

（References）

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［10］陈铁龙.ASP三元复合体系在多孔介质中流变性［J］.西南石油学院学报，1998，20（3）：23-25.

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［17］夏惠芬.粘弹性聚合物溶液的渗流理论及其应用［M］.石油工业出版社，2002.

［18］王新海，赵郭平.幂律流体在多孔介质中的剪切速率［J］.新疆石油地质，1998，19（4）：312-314.

Investigation of polyacrylamide solution rheology in seepage process

Xia Huifen1，Ma Jiangping1，Feng Haichao1，Yin Daiyin1，Zhang Jiuran2，Ma Wenguo1
（1.Petroleum Engineering College，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China；2.Eighth Plant of Daqing Oilfield，Daqing 163318，China）

Though the flow experiment in core，the seepage characteristics of polyacrylamide（polymer）solutions with different molecular weight and mass concentration in porous media are studied；based on the pressure change under different seepage velocities，the effective viscosities of different polymer solutions in porous media are calculated；the change of rheological behaviour of polymer solutions with different molecular weight and mass concentration in porous media is analyzed.It is indicated the pressure difference that the polymer solution flows through the core increases first and then increases sharply with the increase in the Darcy velocity.With the increase of shear rate，the effective viscosity of polymer solution in porous media reduces first and then increases.The greater molecular weight and mass concentration of polymer solution，the greater effective viscosity.

polyacrylamide solution；porous media；rheological behaviour；effective viscosity；viscoelasticity

TE357.431

A

1002-4956（2013）03-0031-04

2012-06-13 修改日期：2012-10-22

黑龙江省高等教育教学改革项目（JG2012010098）；国家科技重大专项项目（2011ZX05009-004）

夏惠芬（1962—），女，辽宁丹东，博士，教授，主要从事提高采收率原理与技术研究.

E-mail：xiahuifen1948＠126.com