于海洋，劉向軍，徐彬彬，紀文娟，王業(yè)飛

（1.中國石化勝利油田分公司河口采油廠，山東 東營 257200；2.中國石油長慶油田分公司采氣一廠，陜西 榆林 718500；3.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東 青島 266580）

聚合物凍膠廣泛應用于調剖堵水，其動態(tài)成膠與靜態(tài)成膠存在著較大差別，不能簡單地用靜態(tài)成膠來描述多孔介質中的動態(tài)成膠過程。為此，中外學者采用不同的物理模型對多孔介質中聚合物凍膠的動態(tài)成膠過程進行了研究，認為該過程可分為誘導、成膠和穩(wěn)定3個階段，且動態(tài)成膠時間遠長于靜態(tài)成膠時間[1-10]。當滲透率和注入速度改變時，多孔介質中聚合物凍膠受到的剪切程度不同[11-15]，對成膠過程產(chǎn)生的影響亦不同。目前，對此方面的研究較少，因此筆者采用循環(huán)流動裝置，深入研究了不同滲透率和注入速度下酚醛樹脂凍膠在多孔介質中的動態(tài)成膠過程，分析了滲透率和注入速度對動態(tài)成膠時間和凍膠強度的影響，建立了不同滲透率下注入速度和剪切速率的關系，以期為不同滲透率地層選擇合適的注入速度提供理論依據(jù)。

1 實驗器材及方法

實驗試劑包括普通部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），其相對分子質量為1.2×107，水解度為22%，固含量為90%；交聯(lián)劑酚醛樹脂預聚體（PFR）；氯化鈉、氯化鈣和六水合氯化鎂，均為分析純。實驗儀器主要包括Brookfield DV（II）粘度計、RW20 digital頂置式機械攪拌器、DY-III型多功能物理模擬裝置。填砂管直徑為2.5 cm，長度為100 cm；其填充介質為不同目數(shù)的玻璃微珠；用a點表示注入端，在距注入端30和70 cm處有測壓點，分別用b和c點表示，用d點表示出口端。實驗溫度為75℃；地層模擬水總礦化度為19334 mg/L，其中鈉—鉀離子、鈣離子和鎂離子的質量濃度分別為6921，412和148 mg/L，陰離子為氯離子。酚醛樹脂凍膠的成膠時間較長，若凍膠流出多孔介質的時候仍未成膠，將不能準確地反映凍膠在多孔介質中的成膠情況，因此應用循環(huán)流動裝置。

實驗方法參見文獻[16]。

2 酚醛樹脂凍膠動態(tài)成膠過程

2.1 不同滲透率下動態(tài)成膠過程

Carman-Kozeny公式給出了滲透率與孔喉半徑的關系[17]，即滲透率越大，孔喉半徑越大，在相同作用下越有利于流體的流動。在相同滲透率條件下，相對分子質量大的流體注入壓差高，巖心滲透率越小，篩網(wǎng)系數(shù)和粘度的損失越大[18]。用不同目數(shù)的玻璃微珠填制滲透率分別為0.55，2.13，8.08和13.58 μm2的填砂管巖心。在注入速度為0.5 mL/min的條件下，根據(jù)多孔介質中酚醛樹脂凍膠動態(tài)成膠實驗方法，考察滲透率的影響。由實驗結果（圖1）可知，隨著時間的延長，注入端壓差（Δpad）先是基本不變，然后迅速增大至穩(wěn)定，說明在不同滲透率下酚醛樹脂凍膠動態(tài)成膠均經(jīng)歷了誘導、成膠和穩(wěn)定3個階段[19-20]（圖1a）。第1測壓點壓差（Δpbd）有不同程度的增大，但存在明顯的時間滯后，說明多孔介質中酚醛樹脂凍膠在動態(tài)成膠過程中可產(chǎn)生深部運移（圖1b）。隨著滲透率的增大，動態(tài)成膠穩(wěn)定階段Δpad逐漸減小，其原因是多孔介質孔喉半徑增大，滲流阻力減??；而Δpbd先減小后增大，這是此時酚醛樹脂凍膠更容易運移的結果。當滲透率較小時，誘導階段聚合物結構單元可運移至深部，但是在成膠階段受到孔喉半徑的限制形成的聚集體不易發(fā)生運移，在地層深部滯留產(chǎn)生封堵。因此，在滲透率較低的條件下，酚醛樹脂凍膠動態(tài)成膠時也可在地層深部產(chǎn)生封堵。

圖1 不同滲透率下酚醛樹脂凍膠在多孔介質中動態(tài)成膠過程

根據(jù)達西公式，由Δpad可計算出酚醛樹脂凍膠的粘度，用其來表征多孔介質中的動態(tài)成膠過程，考察滲透率對酚醛樹脂凍膠動態(tài)成膠時粘度的影響（圖2）。根據(jù)Mokhtari等的研究結果，將成膠時間分為初始成膠時間和最終成膠時間，初始成膠時間是誘導階段和成膠階段的分界點；最終成膠時間是成膠階段和穩(wěn)定階段的分界點[21]。由多孔介質中酚醛樹脂凍膠動態(tài)成膠的實驗方法[16]可知，多孔介質中動態(tài)成膠時間為整個成膠過程所用時間的1/2。由圖2可以看出，隨著滲透率的增大，酚醛樹脂在多孔介質中動態(tài)初始成膠時間和最終成膠時間略微縮短，酚醛樹脂凍膠粘度先是基本不變然后逐漸增大至穩(wěn)定，當滲透率分別為0.55，2.13，8.08和13.58 μm2時，所對應的單位孔隙體積下的粘度分別為21.08，70.03，223.03和356.46 mPa·s。

圖2 不同滲透率下多孔介質中動態(tài)成膠酚醛樹脂凍膠粘度隨時間的變化

酚醛樹脂凍膠在多孔介質中動態(tài)成膠時所承受的剪切速率[12-14]為

式中：γ為剪切速率，s-1；n為流體的冪律指數(shù)；v為注入速度，cm/s；C′為與迂曲度有關的系數(shù)，通常取值為25/12～2.5；K為滲透率，μm2；?為孔隙度，其取值為飽和水體積與總體積的比值。

當滲透率分別為0.55，2.13，8.08和 13.58 μm2時，對應剪切速率分別為14.22，7.23，3.71，2.86 s-1。表明多孔介質中酚醛樹脂凍膠的動態(tài)成膠過程存在2種作用力：①有利于形成網(wǎng)狀結構的交聯(lián)作用；②破壞網(wǎng)狀結構的剪切作用。因此酚醛樹脂凍膠在多孔介質中動態(tài)成膠的初始和最終成膠時間均比安瓿瓶內和多孔介質中靜態(tài)成膠的初始和最終成膠時間長。

當滲透率無限小至趨于0時，酚醛樹脂凍膠在多孔介質中不能成膠，粘度值為0；當滲透率無限大時，根據(jù)式（1）可知，剪切速率趨于0，因此可近似看作是靜態(tài)成膠，根據(jù)達西公式求解動態(tài)成膠后單位孔隙體積凍膠的粘度，建立了多孔介質中酚醛樹脂凍膠動態(tài)成膠的粘度與滲透率之間的關系（圖3），其中a反映多孔介質中酚醛樹脂凍膠動態(tài)成膠后的粘度，其值越大反映凍膠粘度越大；b反映剪切速率對酚醛樹脂凍膠粘度的影響，可側面反映酚醛樹脂凍膠的抗剪切能力，其值越大，凍膠粘度受剪切速率影響越大，凍膠的抗剪切能力越差。隨著滲透率的增大，多孔介質中酚醛樹脂凍膠動態(tài)成膠后的穩(wěn)定粘度增大，當注入速度為0.5 mL/min，滲透率大于3 μm2時，多孔介質中酚醛樹脂凍膠動態(tài)成膠后的粘度值較大。

圖3 滲透率對動態(tài)成膠后凍膠粘度的影響

2.2 不同注入速度下動態(tài)成膠過程

剪切作用對聚合物凍膠的成膠有較大的影響，隨著注入速度的增大，剪切速率增大，聚合物凍膠通過巖心后的粘度損失增大?？疾熳⑷胨俣葘Χ嗫捉橘|中酚醛樹脂凍膠動態(tài)成膠的影響，實驗方法如下：用相同目數(shù)的玻璃微珠填制滲透率為5～8 μm2的填砂管巖心，研究注入速度分別為0.125，0.25，0.5，0.75，1，1.5和2 mL/min時，多孔介質中酚醛樹脂凍膠的動態(tài)成膠過程，記錄壓差隨時間的變化（圖4）。

由圖4可知，在實驗條件下的滲透率對成膠影響較小。隨著時間的延長，不同注入速度下動態(tài)成膠過程相似，Δpad先是基本不變，然后迅速增大至穩(wěn)定階段，表明酚醛樹脂凍膠經(jīng)歷了誘導、成膠和穩(wěn)定3個階段。Δpbd有不同程度的增大，但是存在明顯的時間滯后現(xiàn)象，表明酚醛樹脂凍膠在多孔介質中動態(tài)成膠時可發(fā)生運移，在地層深部產(chǎn)生封堵。當注入速度較小時，剪切速率也較小，動態(tài)成膠后酚醛樹脂凍膠粘度較大，因此表現(xiàn)為較高的壓差；當注入速度較大時，剪切速率較大，動態(tài)成膠后形成酚醛樹脂凍膠的粘度較低，但是此時酚醛樹脂凍膠通過巖心孔喉時滲流阻力較大，亦表現(xiàn)為較高的壓差，因此不論注入速度如何，第1測壓點壓差Δpbd增長的幅度均較大。

圖4 不同注入速度下多孔介質中酚醛樹脂凍膠動態(tài)成膠過程

用Δpad可計算多孔介質中酚醛樹脂凍膠動態(tài)成膠過程中的粘度，根據(jù)其隨時間的變化，分析注入速度對動態(tài)成膠的影響（圖5）。隨著注入速度的增大，酚醛樹脂凍膠動態(tài)初始成膠時間先縮短后延長，最終成膠時間略微延長，且穩(wěn)定階段的粘度隨著注入速度的增大逐漸降低。在實驗滲透率下，注入速度分別為0.125，0.25，0.5，0.75，1，1.5和2 mL/min時，對應單位孔隙體積的粘度分別為470.7，339.35，223.03，131，99，48.5和36 mPa·s。

圖5 不同注入速度下多孔介質中動態(tài)成膠酚醛樹脂凍膠粘度隨時間的變化

當注入速度過低時，剪切速率較小，對凍膠的破壞作用較小，同時形成的結構單元碰撞幾率降低，初始成膠時間延長；當注入速度過高時，剪切速率較大，對凍膠的破壞作用較大，同時也增加了結構單元相互碰撞的幾率，但是結構單元所形成的較大聚集體在剪切作用下又被破壞，因此初始成膠時間延長。初始成膠時間的變化規(guī)律與剪切破環(huán)和加速交聯(lián)2種作用有關。由于剪切作用的存在，形成的聚集體遭到破壞，延長了最終成膠時間，降低了成膠后凍膠的粘度。根據(jù)式（1）計算得出，注入速度分別為0.125，0.25，0.5，0.75，1，1.5和2 mL/min時，對應的剪切速率分別為1.26，2.23，3.71，6.02，8.71，12.83和18.69 s-1。

根據(jù)動態(tài)成膠后單位孔隙體積酚醛樹脂凍膠的粘度與計算的剪切速率，建立了粘度與剪切速率的關系（圖6），隨著剪切速率增大，動態(tài)成膠后酚醛樹脂凍膠的粘度逐漸減小。在滲透率為5～8 μm2，剪切速率大于10 s-1時，動態(tài)成膠后酚醛樹脂凍膠粘度較低。對比實際數(shù)據(jù)和擬合曲線，當剪切速率較小時，實驗過程中穩(wěn)定階段壓差變化幅度平緩，實際值和擬合值相差不大；但隨著注入速度的增大，酚醛樹脂凍膠待成膠液在多孔介質中循環(huán)次數(shù)增多，導致擬合值大于實際值，動態(tài)成膠后粘度偏小。

圖6 酚醛樹脂凍膠動態(tài)成膠后粘度與剪切速率的關系

3 滲透率和注入速度與剪切速率的關系

由滲透率和注入速度對多孔介質中酚醛樹脂凍膠動態(tài)成膠的影響分析可知，式（1）可反映出滲透率和注入速度對多孔介質中剪切速率的貢獻，滲透率越大，注入速度越小，其剪切速率越小，動態(tài)成膠后凍膠的粘度越大。因此，在酚醛樹脂凍膠實際應用時應考慮滲透率和注入速度的影響，在現(xiàn)場條件允許時盡量降低注入速度以獲得較高的成膠粘度。

由式（1）可建立不同滲透率下注入速度和剪切速率之間的關系（圖7）。對于質量分數(shù)為0.2%的HPAM與質量分數(shù)為0.6%的酚醛樹脂復配而成的溶液，當滲透率不變時，多孔介質中酚醛樹脂凍膠動態(tài)成膠時的剪切速率隨注入速度的增大而增大；在注入速度一定的條件下，剪切速率隨滲透率的增大而降低。動態(tài)成膠實驗結果表明，當剪切速率大于10 s-1時，酚醛樹脂凍膠動態(tài)成膠后粘度較低；當剪切速率小于10 s-1時，隨著滲透率的增大，注入速度的選擇范圍增大。由圖7可得到不同滲透率下酚醛樹脂凍膠動態(tài)成膠后粘度值較高的注入速度范圍。同時可以看出，聚合物凍膠在應用時，地層滲透率越低對其注入速度的要求就越高。

圖7 不同滲透率下注入速度和剪切速率的關系

4 結論

研究了在75℃、不同滲透率和注入速度下，多孔介質中酚醛樹脂凍膠的動態(tài)成膠過程。隨著滲透率的增大，動態(tài)成膠時間縮短，成膠后凍膠強度增大，建立了凍膠粘度和滲透率的定量關系；隨著注入速度增大，酚醛樹脂凍膠動態(tài)初始成膠時間先縮短后延長，最終成膠時間延長，凍膠強度降低，建立了聚合物凍膠粘度與剪切速率的定量關系。在此基礎上，建立了不同滲透率下注入速度與剪切速率的關系，根據(jù)剪切速率與動態(tài)成膠后凍膠粘度的關系可選擇不同滲透率下合適的注入速度。

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