鐘會(huì)影 , 史博文 畢永斌 ,? 沈文霞 許嚴(yán)芮 尹洪軍 夏惠芬 趙 欣

* (東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江大慶 163318)

? (中國石油冀東油田公司南堡作業(yè)區(qū),河北唐山 063200)

** (中國石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院,黑龍江大慶 163414)

引言

聚合物驅(qū)是指在純水驅(qū)基礎(chǔ)上摻混水溶性高分子聚合物,增加水相黏度,降低水相與油相間的流度比,擴(kuò)大聚合物溶液的波及體積,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提高原油采收率的目的.目前,聚合物驅(qū)已然成為老油田挖潛穩(wěn)產(chǎn)、提高原油采收率的最成熟手段之一,并規(guī)?；瘧?yīng)用于中國、加拿大、阿曼和俄羅斯等國家[1-5].而大慶油田作為聚合物驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的成功案例,已從一類油層、二類油層逐步向三類油層拓展[6-7],截至2020 年,其在二類油層的應(yīng)用采收率可較水驅(qū)提高10% 以上,整體在水驅(qū)基礎(chǔ)上采收率提高約達(dá)13%.隨著聚合物驅(qū)在油田的不斷推廣,其應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大,從高滲透油藏到中低滲透油藏[8-9],從砂巖油藏拓展到礫巖油藏[10-11],從常溫油藏拓展到高溫高鹽油藏[12-13],從陸上油田拓展到海上油田[14-15],從常規(guī)原油拓展到稠油[16-17].應(yīng)用的聚合物類型也在不斷豐富,從高分子量到超高分子量、中低分子量[18-19],從低黏到高黏[20],從聚丙烯酰胺到疏水締合聚合物[21-22],從親水性聚合物拓展到兩親性聚合物[23].已有研究表明,中國陸上油田的地質(zhì)儲(chǔ)量為2.91×1012kg,聚合物驅(qū)可提高采收率9.7%,增加可采儲(chǔ)量2.81×1011kg[24-26].

聚合物驅(qū)提高采收率機(jī)理主要包括兩大方面,一方面,聚合物驅(qū)通過增加注入水的黏度,改善油水流度比,提高波及系數(shù),同時(shí)聚合物大分子能夠在孔隙中吸附和滯留,堵塞大孔道,調(diào)整吸剖面,進(jìn)而減小水相的有效滲透率,提高低滲透層動(dòng)用效果,達(dá)到提高原油采收率的目的[27-35].另一方面,聚合物溶液的黏彈性能夠?qū)λ?qū)后剩余油具有拉拽、剝離、拉絲及表觀增稠的作用,將水驅(qū)后殘余油滴拉伸成油柱,油柱再變成油珠,油珠相互碰撞聚并后被驅(qū)動(dòng),最終提高原油采收率[36].大量的實(shí)驗(yàn)及理論研究均已證實(shí)具有彈性聚合物溶液較同等黏度的純黏性溶液能夠明顯擴(kuò)大其在多孔介質(zhì)內(nèi)的微觀波及面積,從而提高原油的微觀驅(qū)油效率[29,37-43].聚合物溶液的彈性作用導(dǎo)致在多孔介質(zhì)中發(fā)生表觀增稠行為,由于高滲透層內(nèi)滲流速度的增加,表觀增稠行為更加明顯,進(jìn)而可提高低滲透層動(dòng)用程度,擴(kuò)大其在多孔介質(zhì)內(nèi)的微觀波及效率.近年來,人們發(fā)現(xiàn)高分子聚合物溶液在高彈性低流速條件下,易在多孔介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生彈性湍流現(xiàn)象,流態(tài)的變化可進(jìn)一步提高聚合物溶液的微觀驅(qū)油效率.因此,深化認(rèn)識(shí)黏彈性聚合物的驅(qū)油機(jī)理,對(duì)聚合物驅(qū)實(shí)施過程中聚合物分子設(shè)計(jì)、注聚方案的制定具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義.為此,本文在大量研究成果的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)地從聚合物溶液黏彈性表征、黏彈性對(duì)驅(qū)油作用的巖心實(shí)驗(yàn)研究、微觀可視化研究、理論研究及湍流對(duì)驅(qū)油的作用機(jī)理5 個(gè)方面進(jìn)行論述,多方面多角度闡述黏彈性聚合物溶液的滲流機(jī)理,為油田黏彈性聚合物驅(qū)的實(shí)施與未來研究方向提出建議.

1 聚合物溶液的黏彈特性

在引入聚合物溶液作為油田三次采油介質(zhì)初期,人們對(duì)于聚合物溶液彈性和流變性的認(rèn)識(shí),主要從聚合物溶液區(qū)別于純黏性黃原膠或甘油等溶液的簡單流變現(xiàn)象入手,如爬桿效應(yīng)、在旋轉(zhuǎn)的杯中的二次流、開渠流中液體表面略微凸起和擠出脹大等,均呈現(xiàn)出聚合物溶液與法向應(yīng)力相關(guān)的特征[44-45],從而證實(shí)了聚合物的彈性特征,其彈性主要表現(xiàn)為長鏈高分子在流動(dòng)過程中的拉伸特性,即總體上來說能表現(xiàn)出黏性流體及彈性固體的雙重特性.這也促使后續(xù)的研究主要集中于如何定量表征彈性的大小以及探索聚合物溶液在地層多孔介質(zhì)內(nèi)會(huì)不會(huì)表現(xiàn)出彈性.

1.1 聚合物溶液儲(chǔ)能模量與松弛時(shí)間

對(duì)于聚合物溶液黏彈性的測(cè)定,動(dòng)態(tài)剪切流動(dòng)(小振幅震蕩實(shí)驗(yàn))和穩(wěn)態(tài)剪切流動(dòng)實(shí)驗(yàn)成為主要研究手段.動(dòng)態(tài)剪切流動(dòng)主要是對(duì)流體施加正弦剪切應(yīng)變,從而引起應(yīng)力動(dòng)態(tài)響應(yīng),監(jiān)測(cè)儲(chǔ)能模量(G′)及耗能模量(G′′)與剪切速率的變化關(guān)系[46].其中儲(chǔ)能模量是衡量流體的彈性特征,表征能量被儲(chǔ)存的部分.而耗能模量則是表征流體的黏性,代表能量被耗散,動(dòng)態(tài)黏度與損耗模量及彈性黏度與儲(chǔ)存模量的關(guān)系可以用下式表示

式中,η′為彈性黏度,Pa·s;η′′為黏性黏度,Pa·s;G′為儲(chǔ)能模量,Pa·s;G′′為耗能模量,Pa·s;ω為角頻率,rad/s.

由于兩個(gè)模量均與振幅無關(guān),因此可稱作線性黏彈性模型.利用Maxwell 力學(xué)模型,動(dòng)態(tài)黏度與彈性黏度、損耗模量與儲(chǔ)存模量的關(guān)系可表示為下式[45].穩(wěn)態(tài)剪切流動(dòng)主要是測(cè)定黏度函數(shù)與第一法向應(yīng)力函數(shù),當(dāng)聚合物受到剪切作用時(shí),垂直于剪切應(yīng)力的方向會(huì)產(chǎn)生法向應(yīng)力

式中,λ為松弛時(shí)間,s.

從式(2)可以看出,儲(chǔ)能模量及耗能模量測(cè)試曲線的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)角頻率的倒數(shù),即為代表聚合物溶液彈性的定量表征參數(shù)松弛時(shí)間[41,45,47-49].具有彈性的聚合物溶液儲(chǔ)能模量及耗能模量的流變性測(cè)試曲線中,當(dāng)角頻率較低時(shí),耗能模量高于儲(chǔ)能模量,此時(shí)聚合物溶液的黏性作用貢獻(xiàn)較大,當(dāng)角頻率高于某個(gè)值后,儲(chǔ)能模量高于耗能模量,聚合物溶液的彈性作用貢獻(xiàn)較大[50].鄭曉松等[47,51]利用流變儀測(cè)試了分子量為1000 萬、1700 萬和1900 萬,濃度為500 mg/L 和1000 mg/L 的聚丙烯酰胺溶液在剪切速率為1～100 s-1時(shí),松弛時(shí)間在0.01～10 s 之間;孫懷宇[52]利用動(dòng)態(tài)剪切實(shí)驗(yàn)明確在同等剪切速率條件下,1800 mg/L 的疏水締合聚合物(HAPAM)的松弛時(shí)間是MO4000 松弛時(shí)間的4.5 倍,而濃度為98%的甘油溶液的松弛時(shí)間則為0,并借助松弛時(shí)間定量地評(píng)價(jià)了不同聚合物的彈性特征.大量的流變實(shí)驗(yàn)揭示了松弛時(shí)間隨著聚合物溶液的濃度增加及分子量增大而增大,聚合物溶液的彈性增強(qiáng)也證實(shí)了在高剪切速率條件下,分子量對(duì)聚合物溶液彈性的影響要更為顯著,遠(yuǎn)超濃度等因素的影響[53-54].松弛時(shí)間的準(zhǔn)確測(cè)定除定量評(píng)價(jià)不同聚合物的黏彈特性外,還可為數(shù)值模擬中彈性量化表征提供依據(jù).

1.2 聚合物溶液的表觀增稠現(xiàn)象

通過動(dòng)、靜態(tài)剪切等流變性實(shí)驗(yàn)證實(shí)了高分子聚合物溶液具有彈性,聚合物溶液注入地層后,在復(fù)雜的多孔介質(zhì)內(nèi)流動(dòng),其彈性如何體現(xiàn)也成為油藏工程技術(shù)人員和科研人員研究的重點(diǎn).聚合物溶液的彈性在不同的尺度、不同注入速度條件下的表現(xiàn)程度也不盡相同[55],因此為了統(tǒng)一表征多采用無因次參數(shù),如威森博格數(shù)(We)或德布拉數(shù)(De)也被相繼提出,二者均與松弛時(shí)間呈正相關(guān),能夠定量反映聚合物溶液彈性的大小,隨著彈性及注入速度的增加,二者均相應(yīng)增大[56-62]

式中,U為特征速度,m/s;L為流動(dòng)的特征長度,m.

多孔介質(zhì)內(nèi)孔隙大小、形狀及方向不斷變化,聚合物分子在其中不斷受到剪切與拉伸作用[63],在拉伸流動(dòng)中黏度的變化可以通過毛細(xì)管破裂拉伸流變儀進(jìn)行測(cè)定,該測(cè)定方法的原理是將黏彈性聚合物溶液置于純拉伸流場(chǎng)中,對(duì)聚合物液態(tài)絲拉伸變薄和破裂進(jìn)行分析.拉伸過程中應(yīng)變受毛細(xì)管力、黏性阻力和彈性力共同作用,通過對(duì)拉伸過程中的中間點(diǎn)直徑比變化[64]的測(cè)試,并結(jié)合拉伸流動(dòng)的Maxwell 基本理論可以獲得松弛時(shí)間、最大拉伸黏度及冪律指數(shù)等參數(shù),見下式

式中,Dmid(t)為中點(diǎn)直徑,mm;D0為樣品初始直徑,mm;G為彈性模量,Pa;τext為拉伸松弛時(shí)間,s;t為時(shí)間,s;σ 為界面張力,N/m.

式中,ηapp為表觀拉伸黏度,Pa·s;x為軸向變化修正系數(shù),0.7127.

通過上述公式,便可以獲得黏彈性聚合物溶液的拉伸黏度隨應(yīng)變的變化關(guān)系.通過該實(shí)驗(yàn)方法,可以研究不同分子量、濃度及礦化度的聚合物溶液的拉伸增稠時(shí)機(jī)及拉伸黏度的變化特征.從拉伸黏度的變化特征可以定量評(píng)價(jià)聚合物溶液的彈性特征及其對(duì)表觀黏度的貢獻(xiàn)[58,65-67].

聚合物溶液在巖心中的單相流動(dòng)或兩相驅(qū)替實(shí)驗(yàn)是測(cè)定其在巖心尺度內(nèi)表觀增稠行為的另一種常規(guī)實(shí)驗(yàn)手段.兩相驅(qū)替實(shí)驗(yàn)中,通過改變注入速度,測(cè)定不同驅(qū)替速度的穩(wěn)定驅(qū)替壓差,根據(jù)下式計(jì)算得到表觀黏度及表觀剪切速率,并繪制對(duì)應(yīng)的表觀黏度變化曲線

式中,ηb分別代表聚合物溶液在多孔介質(zhì)內(nèi)的表觀黏度及注入水黏度,Pa·s;RF和RRF分別為阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù);n為冪律指數(shù);Q為流量,m3/(d·m2);k為巖心滲透率,μm2;?為巖心的孔隙度;為剪切速率,s-1.

相較于剪切黏度計(jì)測(cè)試得到的剪切黏度隨剪切速率的增大而減小的規(guī)律而言,具有彈性的聚合物溶液在多孔介質(zhì)內(nèi)表現(xiàn)為當(dāng)剪切速率較低時(shí),呈現(xiàn)出剪切稀化的特性,而隨剪切速率的進(jìn)一步增大,則呈現(xiàn)出剪切增稠的特性[68-69],如圖1 和圖2 所示.對(duì)于純黏性的甘油和黃原膠溶液來說,在多孔介質(zhì)內(nèi)流動(dòng)并沒有該現(xiàn)象產(chǎn)生,主要是當(dāng)隨機(jī)自由卷曲的分子在巖心中遇到擴(kuò)張或收縮孔道時(shí),聚合物分子會(huì)不斷伸展或卷曲,進(jìn)而發(fā)生彈性效應(yīng).而這種構(gòu)象的變化可稱為彈性應(yīng)變,也被認(rèn)為是造成表觀增稠的主要原因[62,68,70-75].一旦伸展,彈性聚合物會(huì)保持構(gòu)象一定的松弛時(shí)間,這種現(xiàn)象叫做卷曲構(gòu)象.一些實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)隨著聚合物溶液分子量的變化,甚至?xí)尸F(xiàn)出表觀增稠的臨界剪切速率降低的趨勢(shì),這也從側(cè)面印證分子量越大,分子尺寸越大,彈性作用時(shí)機(jī)也會(huì)隨之提前[74-76].將黏彈性聚合物溶液在多孔介質(zhì)內(nèi)的流動(dòng)壓差分成彈性作用部分、黏性作用部分及紊流或其他作用部分,前兩部分可利用剪切流變儀及拉伸黏度計(jì)測(cè)定,而后者可通過壓降差得到.研究發(fā)現(xiàn)低流速時(shí)即流體在多孔介質(zhì)內(nèi)的流動(dòng)時(shí)剪切壓降為主,高流速(注入井與采出井附近)則以彈性壓降為主導(dǎo)[77-81].拉伸流變及聚合物溶液在多孔介質(zhì)內(nèi)的單相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)均揭示了黏彈性在受到較高的剪切速率時(shí)會(huì)發(fā)揮作用,在擴(kuò)孔介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生附加的彈性壓降,因而流動(dòng)阻力因子增加,并產(chǎn)生表觀增稠現(xiàn)象[76].

圖1 不同濃度聚合物溶液表觀增稠特性[68]Fig.1 Onset of shear thickening vs.HPAM concentration[68]

圖2 黏彈性聚合物溶液表觀黏度與剪切速率的關(guān)系圖(5120 mD)[69]Fig.2 Relationship between apparent viscosity and shear rate of viscoelastic polymer solution (5120 mD)[69]

2 黏彈性對(duì)驅(qū)油效率影響的巖心實(shí)驗(yàn)研究

明確了松弛時(shí)間能夠表征聚合物的彈性大小,并通過單相巖心流動(dòng)證實(shí)了多孔介質(zhì)中彈性能夠引起表觀增稠現(xiàn)象后,其彈性是否會(huì)對(duì)驅(qū)油效率產(chǎn)生影響也成為了焦點(diǎn)問題.因而,通過與等黏度的流體對(duì)比的巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)是間接確定黏彈性對(duì)驅(qū)油效率作用的有效方法[82].

考察彈性對(duì)驅(qū)油效率的影響的巖心實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案是在飽和原油的巖心進(jìn)行水驅(qū)-甘油驅(qū)-聚合物驅(qū)及水驅(qū)-聚合物驅(qū)-甘油驅(qū),為了體現(xiàn)彈性單一因素的影響,實(shí)驗(yàn)過程中純黏性甘油與聚合物溶液等黏,二者與原油界面張力也基本相同,實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同巖心樣本聚合物驅(qū)比甘油驅(qū)采收率提高6%～8%[83-87].為了盡量減少其他因素的影響,在保證驅(qū)替速度低于臨界毛管數(shù)條件下,通過設(shè)計(jì)分子量、聚合物濃度及注入速度,利用德布拉數(shù)表征聚合物溶液綜合彈性的大小,對(duì)比聚合物驅(qū)與甘油驅(qū)驅(qū)油效果,也是實(shí)現(xiàn)彈性對(duì)提高采收率作用的實(shí)驗(yàn)方法,同時(shí)通過觀察聚合物驅(qū)及甘油驅(qū)后CT 掃描剩余油飽和度圖,進(jìn)一步證實(shí)了具有小松弛時(shí)間的低濃度聚合物在高注入速度條件下即高德布拉數(shù)條件下,也能夠在甘油驅(qū)基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低殘余油飽和度,相反在低注入速度即低德布拉數(shù)條件下不能在甘油驅(qū)基礎(chǔ)上降低殘余油飽和度[88].實(shí)驗(yàn)結(jié)果也為現(xiàn)場(chǎng)注聚方案設(shè)計(jì)提供了一定的建議,即低濃度低分子量的低松弛時(shí)間的聚合物溶液可以通過提高注入速度達(dá)到提高彈性的作用,常規(guī)注入速度條件要想達(dá)到較高的德布拉數(shù)可以采用較高彈性的聚合物分子.考慮到小巖心的局限性,填砂管徑向流動(dòng)實(shí)驗(yàn)更符合油田開發(fā)實(shí)際,通過前緣監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn),同等驅(qū)替條件下,聚合物溶液的彈性越大,其前緣突破時(shí)間越晚,采收率越高[89].盡管彈性能夠提高原油采收率,但對(duì)于不同黏度原油的作用也成為研究的重點(diǎn),考慮到甘油溶液對(duì)溫度及礦化度的敏感性因素,為更精確地考察彈性對(duì)提高采收率的作用,實(shí)驗(yàn)研究中設(shè)計(jì)不同彈性聚合物驅(qū)的方案來代替甘油溶液,通過分子量及濃度的不同組合,考察相同黏度不同彈性的聚合物驅(qū)對(duì)不同黏度的原油采收率的影響[40].

Vermolen 等[51]通過驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),針對(duì)低黏度原油(9 cP),保持同等黏度、注入速度及毛管數(shù)條件下,高彈性的聚合物溶液能夠明顯提高原油采收率,如圖3 所示.然而對(duì)于高黏度原油(300 cP),保持流度比1:1 條件,即使提高注入速度,高彈性的聚合物溶液仍然不能提高原油采收率,也進(jìn)一步說明了原油黏度越大,彈性發(fā)揮的作用越小,證實(shí)了聚合物溶液的彈性對(duì)稠油很難發(fā)揮提高采收率的作用[40].不同實(shí)驗(yàn)方法的巖心實(shí)驗(yàn)證實(shí)了聚合物溶液的彈性作用能夠提高水驅(qū)后原油采收率,且其貢獻(xiàn)隨著原油黏度的增大而減小,對(duì)稠油幾乎不發(fā)揮作用.

圖3 高黏和低黏原油Bentheimer 巖心注入一系列黏彈性聚合物溶液時(shí)壓力剖面和產(chǎn)量變化Fig.3 Pressure profile and production during injection of a series of polymer solutions with increasing visco-elasticity in a Bentheimer core with high-viscous crude and low-viscous crude

3 黏彈性對(duì)滲流機(jī)理影響的微觀實(shí)驗(yàn)研究

大量的巖心實(shí)驗(yàn)明確了聚合物溶液在多孔介質(zhì)中表現(xiàn)出表觀增稠現(xiàn)象,進(jìn)而證實(shí)了聚合物溶液的彈性能夠貢獻(xiàn)于聚合物驅(qū)原油采收率,但其對(duì)原油的作用機(jī)理還需要依托于微觀可視化實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)更直觀的研究[90].

3.1 可視化實(shí)驗(yàn)研究

微觀可視化實(shí)驗(yàn)主要是通過光學(xué)刻蝕玻璃等方法再現(xiàn)不同孔滲級(jí)別的簡化或復(fù)雜孔道來模擬地層多孔介質(zhì)[83-85].其實(shí)驗(yàn)步驟可以總結(jié)為:首先對(duì)微觀模型飽和油,然后進(jìn)行水驅(qū),水驅(qū)后分別利用純黏性的甘油或黃原膠及同等黏度的聚丙烯酰胺溶液,對(duì)比彈性對(duì)水驅(qū)后殘余油分布的影響,進(jìn)而說明彈性對(duì)殘余油的作用機(jī)理.以Sochi 等[73]和王德民等[77-80,86-87]為代表的學(xué)者先后在收縮孔道和復(fù)雜仿真孔道開展黏彈性聚合物微觀機(jī)理實(shí)驗(yàn).如圖4 所示,對(duì)于水驅(qū)后殘余油,甘油驅(qū)后,盲端內(nèi)殘余油飽和度沒有明顯降低,但對(duì)于同等的黏彈性聚合物驅(qū)后,盲端內(nèi)殘余油明顯降低,同時(shí)從動(dòng)態(tài)驅(qū)替過程也可以發(fā)現(xiàn)依靠聚合物溶液彈性的“拉”、“拽”作用,能夠使得前緣的可動(dòng)油對(duì)邊部及后續(xù)的不可動(dòng)油聚并后變成可動(dòng)油,從而提高盲端的驅(qū)油效率,通過不同仿真微觀實(shí)驗(yàn)對(duì)比,高黏度的聚合物溶液比同等黏度甘油溶液微觀驅(qū)油效率高達(dá)17.8%.

圖4 隨聚合物濃度的增加的盲端內(nèi)殘余油分布[83]Fig.4 Flooding of a dead-end residual oil with continuously increasing polymer concentration [83]

Guo 等[91]在前人實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,針對(duì)HPAM與不同單體交聯(lián)聚合物合成的HNT-0 與HNT-2.2聚合物,在分子結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行了微觀可視化實(shí)驗(yàn),模型采用隨機(jī)分布的刻蝕盲端孔道,孔道深度16 μm,孔道寬度范圍為80～240 μm.實(shí)驗(yàn)對(duì)比了黏度相同的甘油、HNT-0 與HNT-2.2 室溫條件下的驅(qū)油結(jié)果,能夠直觀觀察到無彈性的甘油溶液只能驅(qū)替主流道內(nèi)的原油,無法動(dòng)用盲端內(nèi)的原油.具有彈性兩種聚合物溶液都能夠同時(shí)動(dòng)用主流道及盲端內(nèi)的原油,但彈性較高的HNT-2.2 聚合物溶液其降低盲端內(nèi)原油飽和度更明顯.

Zhong 等[92]在常規(guī)原油微觀仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,針對(duì)海上普通稠油黏彈性聚合物驅(qū)的微觀滲流機(jī)理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,分別采用同等黏度黏彈性聚合物及甘油溶液驅(qū)替黏度為70 mPa·s 的普通稠油,開展了盲端模型內(nèi)彈性對(duì)原油的作用機(jī)理及不同濃度聚合物驅(qū)的復(fù)雜仿真模型實(shí)驗(yàn),如圖5 所示.研究結(jié)果揭示了聚合物的彈性使得盲端內(nèi)兩相界面成不規(guī)則的U 型,同時(shí)定量計(jì)算仿真模型的微觀波及效率,通過與常規(guī)原油聚合物驅(qū)的微觀實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn),針對(duì)稠油聚合物驅(qū)彈性對(duì)微觀驅(qū)油效率的貢獻(xiàn)要小于其對(duì)常規(guī)原油的貢獻(xiàn).該觀點(diǎn)也與很多研究成果相吻合.Seright 等[4]通過微觀可視化及巖心實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)原油黏度高于300 mPa·s 時(shí),聚合物溶液的彈性對(duì)降低殘余油飽和度幾乎沒有作用,原油黏度超過990～1610 mPa·s,殘余油驅(qū)替效果微乎其微或會(huì)阻礙驅(qū)油進(jìn)程.

圖5 甘油驅(qū)和黏彈性聚合物驅(qū)后盲端剩余油分布特征Fig.5 Distribution characteristics of residual oil at dead ends after glycerin flooding and viscoelastic polymer flooding

3.2 高速動(dòng)態(tài)粒子成像(PIV)湍流實(shí)驗(yàn)研究

黏彈性聚合物溶液在一定流速下能夠顯現(xiàn)出表觀增稠行為,一直以來對(duì)聚合物的“表觀增稠”僅局限于其本身分子層面的解釋:在一定流速下,拉伸流動(dòng)中孔隙結(jié)構(gòu)的變化引起分子間擴(kuò)張、伸縮的變化頻率加快,以至于聚合物分子沒有時(shí)間松弛到原始結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)變化的結(jié)果就是所謂的彈性應(yīng)變,也被認(rèn)為是造成增稠的原因.而油藏孔隙介質(zhì)中滲流的松弛過程雖然有關(guān)于聚合物本身的分子量和濃度,但對(duì)二者的依賴性并不等同,原因在于孔隙單元之間還存在著流態(tài)的分布、變化與疊合.特別地,非線性彈性應(yīng)力的存在導(dǎo)致黏彈性流體流動(dòng)中發(fā)生一些由彈性不穩(wěn)定性誘發(fā)的特殊流動(dòng)現(xiàn)象,并給聚合物在多孔介質(zhì)中流動(dòng)時(shí)“表觀增稠”的誘發(fā)及其形成機(jī)制的充分解釋提供了可能[93].彈性湍流在傳質(zhì)換熱、流體微混合等領(lǐng)域已被人們所認(rèn)識(shí),而這一特殊流動(dòng)現(xiàn)象往往是黏彈性流體在較小的流動(dòng)雷諾數(shù)(Re甚至低于10-3)下所發(fā)生[94-96],在不同的時(shí)間和空間尺度上造成“混亂”和“擾動(dòng)”后,相應(yīng)的流動(dòng)特征會(huì)發(fā)生變化而產(chǎn)生湍流流態(tài),也就是彈性湍流[97-101].同時(shí),較小的流動(dòng)雷諾數(shù)又恰恰相關(guān)于油藏的滲流速度.黏彈性聚合物溶液在地層多孔介質(zhì)內(nèi)流動(dòng)時(shí),其具有彈性大、流速小的特點(diǎn),這也引起了從事油藏滲流工作的研究者的廣泛關(guān)注.在微觀實(shí)驗(yàn)的脈線中,彈性湍流的流場(chǎng)特征主要表現(xiàn)為渦流、流線交叉、流向轉(zhuǎn)變、改變流動(dòng)寬度及流線深入小角隅處等現(xiàn)象[102].Clarke 等[103]利用PIV 方法針對(duì)甘油、黃原膠及不同分子量、不同濃度的聚合物溶液在微觀可視化孔道內(nèi)再現(xiàn)了脈線分布圖,對(duì)比脈線可以得出,具有無彈的甘油及黃原膠的脈線呈現(xiàn)規(guī)則的層流狀態(tài),而黏彈性的聚合物溶液其脈線呈現(xiàn)不規(guī)則紊亂的湍流特征,如圖6 所示.同時(shí)通過任一點(diǎn)的速度對(duì)比,發(fā)現(xiàn)當(dāng)湍流發(fā)生時(shí),速度波動(dòng)幅度大.

圖6 微觀孔道內(nèi)不同溶液流動(dòng)的脈線圖(q=12 μL/min)Fig.6 Streak photographs of flow of different fluids within the micromodel channel network (q=12 μL/min)

在此基礎(chǔ)上進(jìn)行不同注入速度條件下的聚合物溶液微觀孔道內(nèi)實(shí)驗(yàn),直觀脈線圖可以觀察出,隨著注入速度的增加,湍流特征越明顯.同時(shí)通過定量計(jì)算表觀黏度與注入量之間的關(guān)系,隨著注入量增大,表觀黏度增加,二者對(duì)比發(fā)現(xiàn),發(fā)生表觀增稠的臨界流量與發(fā)生湍流的流量是相同的,從流態(tài)的角度揭示了彈性湍流的發(fā)生是表觀增稠的本質(zhì)原因.以此機(jī)理為基礎(chǔ),通過聚合物單相巖心中的流動(dòng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步揭示,濃度的變化對(duì)彈性湍流發(fā)生的時(shí)機(jī)影響較小,分子量越大,發(fā)生彈性湍流的時(shí)機(jī)也越早,并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸發(fā)現(xiàn)分子量與發(fā)生彈性湍流的時(shí)機(jī)呈線性關(guān)系.最后利用單相流動(dòng)發(fā)生彈性湍流的臨界流速設(shè)計(jì)了兩組聚合物驅(qū)油巖心實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了發(fā)生彈性湍流時(shí)高分子量低黏度聚合物溶液比不發(fā)生湍流的低分子量高黏度的聚合物溶液的驅(qū)油效率要高,證明了湍流作用能夠提高多孔介質(zhì)內(nèi)原油的采收率.隨后的可視化微觀實(shí)驗(yàn)及巖心實(shí)驗(yàn)中得到了發(fā)生彈性湍流的臨界流量及特征時(shí)間與聚合物溶液的濃度及分子量及多孔介質(zhì)的滲透率及孔隙度間的定量關(guān)系[75,104]

式中,Qcrit為發(fā)生彈性湍流的臨界流量,m3/s;k為地層的滲透率,m2;?為地層的孔隙度,%;λ為聚合物溶液的松弛時(shí)間,s;λcore為聚合物溶液在巖心內(nèi)的湍流發(fā)生的特征時(shí)間,s.繼而,很多學(xué)者也給出了黏彈性聚合物溶液相較于純黏性溶液提高原油采收率幅度更大的主要原因是彈性湍流的影響[105-106].通過設(shè)計(jì)具有彈性的HPAM 溶液與同等黏度的PEO 溶液驅(qū)油結(jié)果發(fā)現(xiàn),低速層流時(shí),HPAM 比PEO 驅(qū)降低含油飽和度4.43%,湍流條件下,前者比后者降低含油飽和度達(dá)到21.95%,在單相流動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步證實(shí)了HPAM 驅(qū)彈性湍流的產(chǎn)生提高了孔隙內(nèi)原油的動(dòng)用程度,從而提高原油采收率,大量的微觀可視化實(shí)驗(yàn)均驗(yàn)證了該結(jié)論的正確性[102,107].何源媛[108]也利用對(duì)數(shù)構(gòu)象方法解決了數(shù)值模擬中由于高彈性造成的非線性數(shù)值發(fā)散問題,成功模擬了彈性湍流發(fā)生的臨界We,并揭示了彈性湍流強(qiáng)度越高,驅(qū)油效率越大.

4 黏彈性對(duì)微觀滲流機(jī)理作用的理論研究

微觀可視化實(shí)驗(yàn)及巖心實(shí)驗(yàn)從孔隙尺度到巖心尺度均證實(shí)了聚合物溶液的彈性會(huì)誘發(fā)流動(dòng)的不穩(wěn)定,即彈性湍流現(xiàn)象,并能夠擴(kuò)大其在孔隙內(nèi)的微觀波及效率及巖心內(nèi)原油的采收率.近幾年,隨著對(duì)黏彈性聚合物溶液流變特性的不斷認(rèn)識(shí),其滿足于剪切稀化、第一法向應(yīng)力差占優(yōu)、應(yīng)力與應(yīng)變的非線性關(guān)系等流變特性的非線性黏彈性本構(gòu)理論也不斷發(fā)展,考慮黏彈性對(duì)聚合物在多孔介質(zhì)內(nèi)的流動(dòng)機(jī)制的理論研究主要采用基于N-S 方程的計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法和基于達(dá)西滲流的數(shù)值模擬方法[109].

以CFD 理論為基礎(chǔ),建立黏彈性聚合物溶液單相在微觀孔道內(nèi)流動(dòng)的無因次控制方程,包括連續(xù)性方程、運(yùn)動(dòng)方程及本構(gòu)方程,見下式.輔以不同物理模型的邊界條件,利用有限差分方法[106-111]、有限元方法[112-113]及有限體積方法[114-116]對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行離散求解.

連續(xù)性方程

動(dòng)量方程

Maxwell 本構(gòu)方程

式中,U為無因次速度矢量;Re為雷諾數(shù);T為流體的應(yīng)力張量;Tp為黏彈性聚合物的應(yīng)力張量.

通過建立不同微觀孔道模型,包括簡化的收縮孔道、擴(kuò)張孔道、盲端孔道及復(fù)雜孔道模型可以計(jì)算不同黏性、彈性的聚合物溶液在多孔介質(zhì)內(nèi)的流場(chǎng)特征,從而探討彈性(λ或We)對(duì)流動(dòng)特征及微觀波及效率的影響.作者課題組先后研究了黏彈性流體在擴(kuò)張孔道[110,114,117]、收縮孔道[114,118]及盲端[81,111,119]內(nèi)的流動(dòng)特征,揭示了油藏條件下(Re較小),隨著彈性的增大(We),在模型的凸角和盲端位置的渦流增大,速度等值線向凸角擴(kuò)展.如圖7 所示,隨滲流速度增加、波及面積增大,可以使得殘余油變成可動(dòng)油,降低殘余油滯留面積,同時(shí)經(jīng)研究也發(fā)現(xiàn)在油藏條件下,雷諾數(shù)對(duì)微觀波及效率的影響較小.目前,ANSYS POLYFLOW,COMOSOL Multiphysics 二次開發(fā)均能模擬黏彈性聚合物驅(qū)油過程,研究聚合物溶液的彈性對(duì)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)油滴的作用,揭示出具有彈性的聚合物溶液能夠產(chǎn)生較大的法向應(yīng)力,隨著彈性的增加,法向應(yīng)力增大,同時(shí)油滴越接近孔道的收縮位置,法向應(yīng)力越大[120-122].彈性產(chǎn)生的法向應(yīng)力加劇了對(duì)殘余油滴的拉拽作用,但若使油滴脫離并流動(dòng)需要遠(yuǎn)高于現(xiàn)有聚合物的彈性或遠(yuǎn)高于目前的注入速度,從而筆者得出黏彈性聚合物溶液提高采收率機(jī)理除了拉拽作用外還應(yīng)考慮其他的作用機(jī)理.盡管這些研究中考慮了油滴變形,但受到軟件的計(jì)算條件限制,其對(duì)連續(xù)油相無法進(jìn)行準(zhǔn)確模擬[123-127].作者課題組借助OpenFOAM 開源平臺(tái)模擬確定具有彈性的聚合物溶液比無彈性流體可以提高微觀孔道內(nèi)的微觀驅(qū)油效率,其中松弛時(shí)間為0.09s 的聚合物溶液彈性對(duì)采收率的貢獻(xiàn)達(dá)到1%.由于采用對(duì)數(shù)構(gòu)象方法解決了計(jì)算高We的問題,在聚合物驅(qū)油多孔介質(zhì)內(nèi)流動(dòng)時(shí),當(dāng)We超過某個(gè)臨界值,會(huì)出現(xiàn)彈性湍流現(xiàn)象,從流場(chǎng)中的速度分布可以識(shí)別彈性湍流的發(fā)生,同時(shí)發(fā)現(xiàn)彈性湍流的產(chǎn)生會(huì)造成流場(chǎng)不穩(wěn)定、流線交叉,從而影響原油微觀驅(qū)油效率,但若湍流強(qiáng)度進(jìn)一步增大,驅(qū)油效率呈略微下降趨勢(shì).

圖7 不同彈性聚合物溶液的速度等值線圖(Re=10-5)[115]Fig.7 Velocity contours of different viscoelastic polymer flow (Re=10-5)[115]

微觀滲流數(shù)值模擬能夠從微觀的角度揭示黏彈性驅(qū)油的作用機(jī)制,從受力的角度闡述彈性對(duì)油滴的拖拽等作用,但其在油藏尺度內(nèi)發(fā)揮作用也是需要研究的重點(diǎn),同時(shí)也是對(duì)微觀作用的佐證.采用達(dá)西滲流理論進(jìn)行數(shù)值模擬能夠從宏觀上研究彈性對(duì)提高原油采收率的作用,對(duì)于聚合物溶液的彈性主要從3 個(gè)角度進(jìn)行考慮.

第1 種方法是將流體流動(dòng)的阻力系數(shù)進(jìn)行修正,將彈性引起的阻力系數(shù)納入綜合阻力系數(shù)[128-129],如下式

式中,Re為雷諾數(shù);NDeb為德布拉數(shù);f,C,y為回歸系數(shù).

第2 種方法是將聚合物溶液的黏度視作由彈性黏度和黏性黏度兩部分組成[130-133],從而建立黏度與松弛時(shí)間的關(guān)系,見下式

式中,θf為松弛時(shí)間,s;γ為剪切速率,s-1;μv為黏性黏度,Pa·s.

第3 種是從殘余油飽和度出發(fā)[134],建立殘余油飽和度與第一法向應(yīng)力差之間的關(guān)系

式中,Sor為殘余油飽和度;為高彈性和高毛管數(shù)理想情況下聚合物驅(qū)后殘余油飽和度的極限值;為水驅(qū)后殘余油飽和度值;Np1為第一法向應(yīng)力差Np1與聚合物濃度和相對(duì)分子質(zhì)量的關(guān)系,由實(shí)驗(yàn)室測(cè)定給出;Nc為毛管數(shù).

3 種理論方法中均描述了數(shù)值模擬參數(shù)與彈性的關(guān)系[135],并建立了滲流方程,得到考慮黏彈性的聚合物驅(qū)數(shù)值模擬計(jì)算方法.前兩種方法是從聚合物擴(kuò)大波及體積的角度出發(fā),后一種方法則是從聚合物提高驅(qū)油效率的角度.Wang 等[136]同時(shí)考慮兩種因素,并成為了新的黏彈性聚合物驅(qū)數(shù)值模擬方法,該方法更全面地揭示黏彈性聚合物驅(qū)油機(jī)理,成為聚合物驅(qū)數(shù)值模擬的有力工具.Lotfollahi 等[137]在傳統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上,建立了德布拉數(shù)與等效剪切速率的關(guān)系,從而建立了黏彈性聚合物驅(qū)數(shù)值模擬方法,并通過實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的擬合驗(yàn)證了模型的正確性.

Cao 等[132,138]通過第2 種方法建立了考慮聚合物溶液彈性的數(shù)值模擬方法,結(jié)果表明,隨著松弛時(shí)間的增加,注采井間壓力梯度逐漸增大,與同等黏度的純黏性聚合物驅(qū)相比,黏彈性(θf)聚合物溶液能夠起到明顯的降低含水率、提高原油采收率的作用,針對(duì)于5 點(diǎn)法井網(wǎng),松弛時(shí)間為0.3 s 的聚合物溶液比純黏性聚合物提高4.3%的采收率,如圖8 所示.

圖8 5 點(diǎn)法井網(wǎng)不同驅(qū)替方式下含水率與原油采收率曲線Fig.8 The curves of water content and oil recovery under different displacement modes of five well pattern

黏彈性聚合物驅(qū)油的理論研究能夠進(jìn)一步解釋及補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)對(duì)黏彈性聚合物溶液滲流機(jī)理的揭示,聚合物溶液的彈性能夠擴(kuò)大其在多孔介質(zhì)內(nèi)的波及面積,彈性產(chǎn)生的第一法向應(yīng)力差對(duì)殘余油產(chǎn)生“拉”“拽”作用,加劇殘余油變形,從而提高驅(qū)油效率.

5 結(jié)論與展望

黏彈性聚合物溶液在水驅(qū)的基礎(chǔ)上能夠大幅度提高原油采收率,改善流度比和降低水相滲透率是聚合物驅(qū)的重要驅(qū)油機(jī)理,聚合物溶液彈性能夠擴(kuò)大其在多孔介質(zhì)的微觀波及面積,法向應(yīng)力能夠加大對(duì)水驅(qū)后殘余油的“拉”“拽”作用,加劇殘余油的變形,從而提高原油采收率.彈性湍流產(chǎn)生速度波動(dòng),進(jìn)一步挖潛角隅處剩余油,成為黏彈性聚合物驅(qū)另一個(gè)驅(qū)油機(jī)理.該綜述研究能夠?yàn)檫M(jìn)一步豐富黏彈性聚合物驅(qū)滲流機(jī)理及為提高聚合物驅(qū)采收率提供重要的技術(shù)支持.針對(duì)黏彈性滲流機(jī)理的研究未來可以著重以下幾個(gè)方面:

(1)彈性湍流在油藏真實(shí)滲流條件下能否發(fā)生,為進(jìn)一步深化彈性湍流對(duì)原油采收率的作用,還需要從地層孔喉特征出發(fā),深入研究彈性湍流與地層孔喉特征的匹配關(guān)系,能夠更好地指導(dǎo)礦場(chǎng)聚合物驅(qū)聚合物分子設(shè)計(jì)及注入速度的確定;

(2)聚合物在多孔介質(zhì)內(nèi)的表觀增稠并不是黏度增加,而是由于彈性引起的附加壓差增大,表觀增稠與彈性湍流的關(guān)系目前研究還較薄弱,研究結(jié)果也能完全一致,從巖心實(shí)驗(yàn)出發(fā)驗(yàn)證表觀增稠與彈性湍流、分子構(gòu)型的關(guān)系能更好地發(fā)揮表觀增稠的作用;

(3)彈性能夠擴(kuò)大聚合物溶液的波及體積,其法向應(yīng)力及微觀力能夠有效動(dòng)用殘余油,其與多孔介質(zhì)表面的潤濕性的作用是否具有協(xié)同作用,不同潤濕條件下彈性對(duì)驅(qū)油效率的作用也有待于進(jìn)一步深入研究;

(4)從微觀實(shí)驗(yàn)到巖心尺度實(shí)驗(yàn)、從微觀滲流機(jī)理到宏觀數(shù)值模擬均證實(shí)了黏彈性能夠提高原油采收率,但彈性發(fā)揮作用的多孔介質(zhì)的尺度范圍、孔滲的尺度范圍及原油特性的尺度范圍還需要進(jìn)一步量化研究.