高速剪切对聚合物溶液流变性的影响

高速剪切对聚合物溶液流变性的影响

在地层过程中，聚合物溶液的高速剪切将对聚合物溶液的性能产生重大影响。矿场试验研究发现,注入系统和射孔炮眼的粘度损失最严重。据统计,从注入井口到检测井聚合物溶液粘度总损失可为66.7%;返排实验表明,聚合物溶液粘度损失可大于90%;射孔炮眼的粘度损失可大于28.8%。射孔炮眼剪切后,聚合物分子链断裂,相对分子质量、粘度、残余阻力系数下降。矿场试验条件不同、试验费用高且周期长,其结果不能在同一水平上对比分析;室内模拟研究的剪切速率固定,剪切方式与地层孔隙的剪切有着本质的差别,而单节点模拟研究又不能反映聚合物溶液进入地层的过程。因此,室内研究近井地带的高速剪切对聚合物溶液性能的影响就显得十分必要和迫切。在总结已有方法的基础上,按速率相同、介质相同或相似设计近井地带速率剪切模拟实验装置,为系统研究近井地带对聚合物溶液性能的影响程度和探索建立地层条件下聚合物溶液的评价技术奠定基础。1单井注入的聚合物溶液的吸水特征根据套管射孔砾石充填完井聚合物溶液进入地层的过程,在近井地带分为绕丝筛管、砾石充填层、射孔孔眼、压实带及近井地带地层5个部分8个关键节点,聚合物溶液通过各节点的速率、介质及流动情况各不相同,各节点的速率与吸水强度和过流面积相关。海上某油田注聚区块的单井注入量为300~600m3/d。统计2000—2003年A08井和J03井的吸水剖面资料可知,吸水强度小于等于20m3/(m·d)的吸水量占吸水总量的85.2%;吸水强度小于等于50m3/(m·d)的吸水量占吸水总量的97.25%;吸水强度小于等于70m3/(m·d)的吸水量占吸水总量的100%。1.1df1式假设聚合物溶液均匀通过绕丝筛管的缝隙,速率相同。根据速率与吸水强度和过流面积的关系,则聚合物溶液通过绕丝筛管的速率为Vk=QAk=QπDwdfN(1)Vk=QAk=QπDwdfΝ(1)式中:Vk为聚合物溶液通过绕丝筛管的速率,m/d;Q为吸水强度,m3/(d·m);Ak为单位厚度绕丝筛管的过流面积,m2/m;Dw为绕丝筛管外径,m;df为绕丝筛管缝宽,m;N为绕丝筛管单位长度上缝隙的条数,条/m。对于外径为0.1397m的绕丝筛管来说,其缝隙宽度为0.1524mm,1m长的绕丝筛管有420条缝隙。当吸水强度为5~70m3/(m·d)时,聚合物溶液通过绕丝筛管的速率为178~2493m/d;其中,吸水强度为20m3/(m·d)时,聚合物溶液通过绕丝筛管的速率为712m/d。1.2过流规律和孔隙度砾石充填层对聚合物溶液的剪切强度与吸水强度密切相关。取聚合物溶液通过砾石充填层内外缘速率的算术平均值为通过砾石充填层的速率,则聚合物溶液通过砾石充填层的速率为Vl=12(QAl1+QAl2)=Q2πϕl(1Dl1+1Dl2)(2)Vl=12(QAl1+QAl2)=Q2πϕl(1Dl1+1Dl2)(2)式中:Vl为聚合物溶液通过砾石充填层的速率,m/d;Al1为单位厚度砾石充填层内缘的过流面积,m2/m;Al2为单位厚度砾石充填层外缘的过流面积,m2/m;ϕl为砾石充填层的孔隙度,%;Dl1为砾石充填层的内径,m;Dl2为砾石充填层的外径,m。砾石充填层外径为0.2244m,内径为0.1397m,孔隙度为37%。当吸水强度为5~70m3/(m·d)时,聚合物溶液通过砾石充填层的速率为25~350m/d,其中,吸水强度为20m3/(m·d)时,聚合物溶液通过砾石充填层的速率为100m/d。1.3聚合物充填的孔眼强度聚合物溶液经过砾石充填层后,通过射孔孔眼穿过套管和水泥环进入地层。假设聚合物溶液通过射孔孔眼时,只沿孔眼方向流动,不向其他方向流动,无速度梯度,则聚合物溶液流经射孔孔眼的速率只与射孔密度、孔眼直径和吸水强度有关。聚合物溶液通过射孔孔眼的速率为Vp=QAp=4QπnϕpDp2(3)Vp=QAp=4QπnϕpDp2(3)式中:Vp为聚合物溶液通过射孔孔眼的速率,m/d;Ap为单位厚度射孔孔眼的过流面积,m2/m;n为射孔密度,孔/m;ϕp为射孔孔眼的孔隙度,%;Dp为射孔孔眼直径,m。油层套管外径为0.2445m,油层套管内径为0.2244m,壁厚为0.0105m;水泥环厚度为0.045m,井筒外径为0.3345m。射孔密度为39孔/m,射孔孔径一般大于等于0.021m,计算时取0.021m;射孔深度大于等于0.170m,计算时取0.180m。孔眼内充填砾石,孔隙度为37%。当吸水强度为5~70m3/(m·d)时,聚合物溶液通过射孔孔眼的速率为1001~14013m/d,其中,吸水强度为20m3/(m·d)时,聚合物溶液通过射孔孔眼的速率为4004m/d。1.4压实带孔隙度的计算聚合物溶液通过压实带的流线复杂,速率不同。聚合物溶液通过压实带的速率与压实带的厚度、孔隙度、形状以及吸水强度等密切相关。假设压实带是一个带半圆帽的圆柱环,各处的速率相同,流动方向垂直环的外缘。取聚合物溶液通过压实带内外缘速率的算术平均值为通过压实带的速率,则聚合物溶液通过压实带的速率为Vs=12(QAs1+QAs2)=Q2πnϕs×[1Dp(l−τ−Dp6)+1(Dp+2δ)(l−τ−Dp+2δ6)](4)Vs=12(QAs1+QAs2)=Q2πnϕs×[1Dp(l-τ-Dp6)+1(Dp+2δ)(l-τ-Dp+2δ6)](4)式中:Vs为聚合物溶液通过压实带的速率,m/d;As1为单位厚度压实带内缘的过流面积,m2/m;As2为单位厚度压实带外缘的过流面积,m2/m;ϕs为压实带的孔隙度,%;l为射孔孔眼深度,m;τ为射孔孔眼不渗透段长度,m;δ为压实带厚度,m。压实带的孔隙度比地层原始孔隙度平均下降13.06%~21.79%,取压实带的孔隙度为地层原始孔隙度的78.21%,则研究区块的压实带孔隙度为23.1%。压实带的平均厚度为12~13mm,压实带厚度取上限为13mm。孔眼不渗透段长度取80mm。当吸水强度为5~70m3/(m·d)时,聚合物溶液通过压实带的速率为64~896m/d,其中,吸水强度为20m3/(m·d)时,聚合物溶液通过压实带的速率为256m/d。1.5井筒中心距离及吸水强度的测量近井地带地层的剪切程度与吸水强度、地层孔隙度、距井筒中心的距离有关。假设近井地带地层的流动为径向流,则聚合物溶液通过近井地带地层的速率为Vr=QAr=QπDrϕr(5)Vr=QAr=QπDrϕr(5)式中:Vr为聚合物溶液通过距井筒中心的距离为Dr处的速率,m/d;Ar为单位厚度距井筒中心的距离为Dr处的过流面积,m2/m;Dr为距井筒中心的距离,m;ϕr为地层孔隙度,%。研究区地层孔隙度为29.5%,得到距井筒中心距离为0.2,0.4,0.8,1.6m处不同吸水强度的速率(表1)。由表1可知,对于近井地带地层,当孔隙度和吸水强度确定后,距井筒中心某一距离处的速率仅与该距离有关,距离增加一倍,速率降低一半。2近井区速度法测试器按距离相等、介质相同或相似、节点速率相同的原则设计室内模拟实验装置。2.1绕丝筛管剪切模拟实验室内在绕丝筛管上割一个直径为0.0084m的圆片,放在内径为0.0086m的圆管中,构成绕丝筛管剪切模拟实验装置。在圆管出口取样,模拟绕丝筛管对聚合物溶液的剪切,根据聚合物溶液通过绕丝筛管的速率计算实验排量。当吸水强度为20m3/(m·d)时,实验排量为1.86mL/min。2.2砾石充填层剪切模拟实验室内用长度为0.0463m、内径为0.0096m的填砂管,充填砾石的孔隙度为37%,构成砾石充填层剪切模拟实验装置。在填砂管出口取样,模拟砾石充填层对聚合物溶液的剪切。吸水强度为20m3/(m·d)的实验排量为1.86mL/min。2.3孔眼不渗透段的质量评定在孔眼深度方向约为80mm内几乎没有流体流出,称该段为孔眼不渗透段。研究表明,孔眼越深,孔眼不渗透段越长;孔眼不渗透段的渗流量为整段的0.35%。射孔孔眼不渗透段长度为80mm。室内用内径为0.01m、长度为0.080m的填砂管,充填砾石的孔隙度为37%,构成射孔孔眼剪切模拟实验装置。在填砂管出口取样,模拟射孔孔眼对聚合物溶液的剪切。吸水强度为20m3/(m·d)时实验排量为80.76mL/min。2.4压实带剪切模拟实验装置室内采用长度为0.013m、内径为0.00768m的填砂管,充填石英砂的孔隙度为23.1%,构成压实带剪切模拟实验装置。在填砂管端部取样,模拟压实带对聚合物溶液的剪切。吸水强度为20m3/(m·d)时实验排量为1.90mL/min。2.5地层对聚合物的剪切聚合物溶液在近井地带的速率是连续变化的,实验模拟速率连续变化对聚合物溶液的剪切非常困难。因此,利用特殊点的速率来分段模拟近井地带不同距离地层的速率变化对聚合物溶液的剪切。室内用长度/内径分别为0.066m/0.0148m,0.334m/0.02093m,0.466m/0.0296m,1.134m/0.04185m的串联填砂管,充填石英砂的孔隙度为29.5%,构成近井地带地层剪切模拟实验装置。在填砂管中部取样,模拟距井筒中心距离为0.2,0.4,0.8,1.6m处地层对聚合物溶液的剪切。当吸水强度为20m3/(m·d)时,实验排量为1.90mL/min。在该条件下,串联填砂管各段的速率与表1中吸水强度为20m3/(m·d)的速率一一对应。根据节点设计结果,将实验排量相同的部分组合在一起,形成近井地带速率剪切模拟实验装置,即绕丝筛管—砾石充填层剪切模拟实验装置、射孔孔眼剪切模拟实验装置、压实带—近井地带地层剪切模拟实验装置(表2)3部分,减少聚合物溶液流态变化对模拟结果的影响。不同浓度、不同矿化度下的聚合物溶液经近井地带速率剪切模拟实验装置剪切后的流变特性及渗流特性实验结果表明,该装置比较全面地考虑了聚合物溶液从井筒进入地层的流动过程,将其分解为几个剪切关键点,更加近似地反映了聚合物溶液在进入地层过程中的速率。