【ISCO】黃原膠與HPAM溶液在貝雷砂巖中的流變學比較

一、引言

流變學在多孔介質中對增強石油回收（EOR）項目具有重要影響，其中使用了聚合物溶液。如果在靠近注入井的高速度下聚合物溶液的有效粘度較大，則可能會降低聚合物的注入速率和石油產量。另一方面，如果在儲層深處經歷的低速度下聚合物溶液的有效粘度過低，油的置換可能效率不高。在本報告中，我們使用Teledyne ISCO 1000X注射泵來檢查在兩種蕞常用于EOR的聚合物——黃原膠和部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）的溶液中，有效粘度（即阻力因子）如何隨流速（實際上是隨通量或表觀速度）在貝雷砂巖中變化。

二、實驗步驟

黃原膠的分子量為1500萬道爾頓，而部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）的分子量為2100萬道爾頓，水解度約為30%。兩種聚合物均在合成海水中制備（蒸餾水中含4.195%的海鹽）。兩種情況下的聚合物濃度均為0.1%。

貝雷砂巖巖心被鑄造在金屬合金中，每個都有兩個內部壓力表——一個位于入口砂面2厘米處，另一個位于出口砂面2厘米處。巖心分為三部分，中央部分長度為10厘米。巖心的滲透率相當均勻，平均約為550毫達西。巖心橫截面積為11.34平方厘米，孔隙率為0.217，孔隙體積（PV）為36立方厘米。

四臺Teledyne ISCO 1000X注射泵并聯（見圖1）。這些泵非常適合本研究，因為它們提供了穩定的流動和廣泛的速率范圍。壓力用石英傳感器測量。實驗在室溫下進行。

使用一系列不同的速率注入聚合物溶液，以確定多孔介質中的流變學特性。對于兩種聚合物，幾升溶液被迫通過一個巖心（每種聚合物使用不同的核心），以139英尺/天的通量模擬現場應用中井筒附近的剪切情況。然后將流出物以各種速率重新注入同一巖心，以模擬流體從井筒向外徑向流動時經歷的通量值。

圖1：泵和巖心配置示意圖

黃原膠溶液

對于黃原膠溶液（圖2中的實心圓），再注入速率從0.5到32,000立方厘米/小時，轉換為通量從0.035到2,222英尺/天，前沿速度從0.16到10,240英尺/天。對于低于10英尺/天的通量值，黃原膠阻力因子（多孔介質中相對于水的表觀粘度）很好地符合冪律模型，冪律指數為0.54（即對數-對數圖中的斜率為-0.46）。隨著通量增加到10英尺/天以上，阻力因子接近一個固定值2.5（即在“第二牛頓區"）。我們的速率沒有足夠低到可以觀察到“第一牛頓區"。

HPAM溶液

對于預剪切的HPAM溶液，聚合物再注入速率從2到8,000立方厘米/小時，轉換為通量從0.14到555英尺/天，前沿速度從0.64到2,550英尺/天。圖2中的空心圓點繪制了這種預剪切HPAM溶液的阻力因子。它們顯示了非常輕微的剪切稀化行為，斜率為-0.085（冪律指數為0.915）。因此，這種HPAM溶液在多孔介質中的流變學幾乎是牛頓流體。

在同一個核心中（預剪切HPAM被注入的地方），我們使用通量值范圍從0.14到1,110英尺/天注入了新制備的HPAM溶液。圖2中的空心三角形繪制了這種未剪切聚合物的HPAM阻力因子。阻力因子顯示出非常輕微的剪切稀化行為，斜率為-0.2（冪律指數為0.8）。這種行為比預剪切HPAM稍微剪切稀化一些，但比黃原膠溶液要少得多。

在蕞低流速（即0.14英尺/天的通量）下，未剪切HPAM的阻力因子是預剪切HPAM的2.9倍，但仍比黃原膠少2.4倍。在低通量下的較大阻力因子是理想的，因為在儲層的大部分區域流體速度較低，大多數石油將在低速度下被置換。

圖2：核心部分2中阻力因子與通量的關系

在注入井周圍，流體速度通常較高，因此高速度下的阻力因子會直接影響可注入性。在通量為550英尺/天時，未剪切HPAM的阻力因子與預剪切HPAM的阻力因子基本相同，但比黃原膠的阻力因子高出35%。

三、結論

使用Teledyne ISCO 1000X注射泵，我們以廣泛的速率注入黃原膠和HPAM溶液，以確定多孔介質中的流變特性。黃原膠溶液在多孔介質中表現出剪切稀化流變特性，而HPAM溶液則表現出輕微的剪切稀化。在地層深處通常經歷的低速度下，黃原膠提供的有效粘度（多孔介質中的阻力因子）比未剪切HPAM高2.4倍，比先通過核心以典型的近井筒通量（139英尺/天）強制通過的HPAM高約7倍。