聚合物微球渗流实验研究

王齐禄 陈晓宇 王尤富

摘 要：实验通过用微管中的渗流模型方法，替代传统的填砂模型方法，研究聚合物微球在不同压差情况下在不同直径微管中的流动情况。实验表明：流量与压力梯度存在着正比例关系，如果压力梯度增加，流量也会跟着增大；驱替压力设置成0.6 MPa，温度相等时，流体速度会随着溶液浓度的增加而越来越慢；纯水在5 m和10 m直径的微管里流动的时候，存在启动压力梯度，加入一点聚合物就能很好地消除；通过实验和理论研究表明：使用Kozeny-Carman模型来计算多孔介质的渗透率是可行的；品质好的聚合物微球应该在多孔介质中表现出一定的流动性，进入大孔道后与地层相互作用，最终堵塞大孔道。因此从渗流特征上，好的聚合物微球应该有以下三个标准：微球进入水中以后，其稳定性和分散性都要求表现良好；溶液在5微米及以上微管中具有良好的流动性，不宜堵塞； 微球聚合短时间内膨胀（或者变性），起到在大孔道中的封堵效果。

关 键 词：聚合物微球；渗流；微管；非均质

中图分类号：TE 357 文献标识码： A 文章编号： 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

由于我國大部分油田都是陆相沉积，油藏的非均质性较大，并且目前油田大多已经进入开发中后期，含水率已经变得很高。聚合物驱是提高采收率最简单的一种方法。从聚合物驱工业化应用几十年里我们认识到：聚合物驱可以降低水相流度，改善流度比，提高波及系数，在一定程度上还可以提高驱油效率。在聚合物乳液封堵地层作业中，封堵效果的好坏程度是会受聚合物微球注入孔径分布，注入深度和微球具体堵塞情况的影响。同时，研究表明Darcy定律用来描述低渗透油藏并不精确。实验通过微管，研究聚合物微球溶液的渗流规律，发现其特征，为油田具体施工提供理论指导[1-8]。

1 实验部分

1.1 实验材料

YG-370-5型聚合物微球；YG-370-E型聚合物微球；注入水，矿化度为918.36 mg/L；粘度为2.09 mPa·s的原油；直径为2、5、10μm，长度为4 cm的石英圆微管。

1.2 实验方法

1.2.1 实验装置

实验器材如图1，高压氮气从氮气瓶出来，经过减压阀后流入缓冲罐中，然后由缓冲罐提供平稳的动力去驱动储液罐中流体进入试验微管。使用位移法来计算试验中流量。试验微管出口端跟流量计量毛细管相连，计量累积的流量[9-13]。

1.2.2 实验关键步骤

（1）压力与温度的测量：通过压力-温度测量器可以直接得到压力和温度的读数，记录时压力要精准到0.001 MPa，温度精准到0.1 ℃。

（2）液体流量的测量：位移管内液体流量计算由气泡端面位移距离和所需时间决定。光电位移检测仪测出的位移结果可以精准到0.01 mm，时间则可精准到0.01 s。根据稳态流动连续性定律，实验段流量跟位移管流量是等值的，所以可以间接得到试验段中液体的流量，试验中的流量范围在0.001～0.01 L/s（标准升/秒）。

（3）压力调节的方式：在实验中先高压再低压，压力从高到低进行调节，其中每个压力点都要测5次，最后的读数取平均值。

（4）将蒸馏水和质量分数分别是1‰、2‰、3‰、4‰和5‰的溶液压入直径为2、5和10 m的微管中，记录相关数据[14]。

在实验过程中，压力的控制有两种途径：（1）恒压法：在大量的微管单根实验和微管束试验中，采用压差0.6 MPa；（2）变压法：在研究聚合物微球溶液随压力变化的渗流特征时，采用典型溶液、典型温度下的多压差实验方法。

2 聚合物微球溶胀老化试验研究

2.1 时间对流动性的影响

为了得出保养时间对溶液渗流特征产生的影响，将370-5和370-E在5和10 m石英微管中不同保养时间、不同温度下的平均流量見图2。

对于370-5的聚合物微球溶液，保温6月后，10 m微管的流量下降，说明聚合物微球溶可能发生团聚，65 ℃的时候，流量是最小的，则说明65℃不利于聚合物微球注入。而对于370-E的聚合物微球溶液，只有在75 ℃的时候，10 m微管中流量变化才不大。

对于5 m直径的微管中的流量，两种聚合物溶液表现出流量前后高，中间低的状态，原因可能是前期聚合物微球没有充分膨胀，后期观察到聚合物溶液出现团聚现象，这表现出高分子能够减小流体流动阻力。而10 m直径微管的流量，微球粒径产生的影响较小。

2.2 温度对流动性的影响

温度的影响主要表现在聚合物溶液的微球变性快慢上，即在不同的温度下，聚合物微球的变化速度不同，而造成了不同的流动速度，温度对聚合物微球的影响见图3。

总体上讲，在聚合物微球溶液注入时，应该选择短时间内将溶液注入，不适于将溶液长期保存后注入，让聚合物微球的膨胀、变性等在地层中进行。

3 不同压差下聚合物微球溶液渗流的特征

在流体力学理论中：滑移长度是正数表明流体在边界流速不为零，滑移长度可以近似地看作是圆管直径增大的大小，而滑移长度是负数则表示不流动的流体厚度，即在低渗透率空隙介质中所提到的边界层的厚度。由图4知，当压力为0～1 MPa时，纯水和质量分数分别为3‰、5‰的溶液在直径为5和10 m的微管内滑移长度值都是负数，这就说明5m和10 m微管内均有外层液体不流动的现象，即存在边界层，而这又是启动压力梯度存在的物理基础。而聚合物微球溶液在微管中流动时，不存在启动压力，可能是聚合物微球的存在，降低了溶液和固体壁面的相互作用力。

4 不同渗透率下聚合物微球溶液渗流特点

实验中用三种直径的微管（2、5和10 m），分别代表低渗透、中渗透和高渗透三种介质，因此实验选取的微管具有典型的代表性（商品微管也只有这三种）。选取了3种非均匀微管束模型，其分均质性逐渐减小。在0.6 MPa的压差下，质量浓度为0.3%的溶液在微管束中流动。

实验结果：表1分别为370-5和370-E聚合物溶液在毛管束模型1-3中的实验结果（压差0.6 MPa，微管长度40 mm）。

通过实验结果与理论结合研究发现，在非均匀管中，多孔介质的渗透率可以用Kozeny-Carman模型计算，并且计算结果证实：实验结果跟理论值基本一致，也表明用该模型来计算是可行的。

5 结 论

（1）流量与压力梯度存在着正比例关系，如果压力梯度增加，流量也会跟着增大；驱替压力设置成0.6 MPa，温度设置成一样的时候，流体速度会随着溶液浓度的增加而越来越慢。

（2）纯水在5和10 m直径的微管里流动的时候，存在启动压力梯度，加入一点聚合物就能很好地消除。

（3）通过实验和理论研究表明：使用Kozeny- Carman模型来计算多孔介质的渗透率是可行的。

（4）品质好的聚合物微球应该在多孔介质中具有一定的流动性，进入大孔道后与地层相互作用，最终堵塞大孔道，因此从渗流特征上，好的聚合物微球应该有以下三个标准：微球进入水中以后，其稳定性和分散性都要求表现良好；b 溶液在5 m及以上微管中具有良好的流动性，不宜堵塞；c 微球聚合短时间内膨胀（或者变性），起到在大孔道中的封堵效果。

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