CN105021497A - 一种聚合物溶液视粘度的定量表征方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种聚合物溶液视粘度的定量表征方法，包括以下步骤：1)确定聚合物溶液在岩石多孔介质内渗流时的有效剪切速率；2)确定聚合物溶液在岩石多孔介质内渗流时的剪切稀化视粘度；3)确定聚合物溶液在岩石多孔介质内渗流时的剪切增稠视粘度；4)确定聚合物溶液在岩石多孔介质内渗流时全流速范围内统一的聚合物溶液视粘度。本发明可以广泛应用于油田开发研究领域中聚合物溶液在岩石多孔介质内渗流时视粘度的确定，或应用于其它与渗流有关的研究领域中。本发明适用于聚合物溶液在岩石多孔介质内渗流时的全部流动速率范围，克服了现有表征方法聚合物溶液视粘度无限增大的缺点，能更准确地确定聚合物溶液视粘度，可操作性更强，成本更低。

Description

一种聚合物溶液视粘度的定量表征方法

技术领域

本发明涉及一种聚合物溶液视粘度的定量表征方法，尤其涉及一种聚合物溶液在岩石多孔介质中渗流时全流速范围内统一的聚合物溶液视粘度的定量表征方法。

背景技术

应用于聚合物驱油田开发领域的聚合物溶液属于非牛顿流体，油层属于岩石多孔介质，聚合物溶液视粘度是描述聚合物溶液在岩石多孔介质内真实流动行为的关键，关系着聚合物驱注入能力及开发效果的准确评价。在研究非牛顿流体在多孔介质内的流变行为时，一般将非牛顿流体假定为幂率流体。但近年来的研究发现，聚合物溶液在地下岩石多孔介质中流动时表现出了复杂的流变行为，随着流动速率的增加，进行着从牛顿流体到剪切稀化再到剪切增稠流变行为的转变，即不仅表现出粘性效应，还表现出一定的弹性效应。目前对于视粘度的研究主要集中在描述低速条件下的剪切稀化流动特性，而对于描述近井地带高速渗流时表现出的剪切增稠特性的视粘度定量表征方法研究较少，仅有的文献中，其剪切增稠视粘度随着剪切速率的增加呈现无限增大现象，与实际情况不符。现有技术中，聚合物溶液视粘度的定量表征需要进行费时费力的大量岩心驱替实验，准确性低，成本高，效率低。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种聚合物溶液视粘度的定量表征方法，适用于在岩石多孔介质中渗流时全部流动速率范围内统一的聚合物溶液视粘度的预测估计，可操作性强，准确性高，成本低。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种聚合物溶液视粘度的定量表征方法，其包括以下步骤：

1)确定聚合物溶液在岩石多孔介质内渗流时的有效剪切速率；

2)确定聚合物溶液在岩石多孔介质内渗流时的剪切稀化视粘度；

3)确定聚合物溶液在岩石多孔介质内渗流时的剪切增稠视粘度；

4)确定聚合物溶液在岩石多孔介质内渗流时全流速范围内统一的聚合物溶液视粘度。

所述步骤1)中的有效剪切速率的转化公式为：

式中,为聚合物溶液在岩石多孔介质内渗流时的有效剪切速率；c为聚合物溶液有效剪切速率常数，与岩石多孔介质的渗透率和孔隙度相关，一般取6；n₁为聚合物溶液剪切稀化经验指数；u_w为聚合物溶液在岩石多孔介质内的渗流速度；k为岩石多孔介质渗透率；k_rw为聚合物溶液相对渗透率；S_w为聚合物溶液饱和度；为岩石多孔介质孔隙度。

所述步骤2)中聚合物溶液在岩石多孔介质内渗流时的剪切稀化视粘度表征为：

${\mathrm{\μ}}_{sh}={\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\∞}}+({\mathrm{\μ}}_0-{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\∞}}){(1+{\left({\mathrm{\λ}}_1{\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}}_{eff}\right)}^{\mathrm{\α}})}^{(n_1-1)/\mathrm{\α}}$

式中，μ_sh为聚合物溶液在岩石多孔介质内渗流时的剪切稀化视粘度；μ_∞为聚合物溶液极限剪切粘度；μ₀为聚合物溶液零剪切粘度；为聚合物溶液剪切速率；λ₁为聚合物溶液剪切稀化常数；α为经验常数，一般取2。

所述步骤3)中聚合物溶液在岩石多孔介质内渗流时的剪切增稠视粘度表征为：

${\mathrm{\μ}}_{el}={\mathrm{\μ}}_{max}(1-e^{\{-{\left({\mathrm{\τ}}_r{\mathrm{\λ}}_2{\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}}_{eff}\right)}^{n_2-1}\}})$

式中，μ_el为聚合物溶液在岩石多孔介质内渗流时的剪切增稠视粘度；μ_max为剪切降解发生前聚合物溶液粘度的最高值；τ_r为聚合物分子的松弛时间；λ₂为聚合物溶液剪切增稠常数；n₂为聚合物溶液剪切增稠经验指数。

所述步骤4)中聚合物溶液在岩石多孔介质内渗流时全流速范围内统一的聚合物溶液视粘度表征为：

${\mathrm{\μ}}_{app}={\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\∞}}+({\mathrm{\μ}}_0-{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\∞}}){(1+{\left({\mathrm{\λ}}_1{\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}}_{eff}\right)}^{\mathrm{\α}})}^{(n_1-1)/\mathrm{\α}}+{\mathrm{\μ}}_{max}(1-e^{\{-{\left({\mathrm{\τ}}_r{\mathrm{\λ}}_2{\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}}_{eff}\right)}^{n_2-1}\}})$

式中，μ_app为聚合物溶液在岩石多孔介质中渗流时全流速范围内统一的聚合物溶液视粘度，也称为聚合物溶液的粘弹性视粘度。

所述聚合物溶液是聚丙烯酰胺溶液。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明通过分别确定剪切稀化视粘度和剪切增稠视粘度，提出适用于在岩石多孔介质内渗流时全部流动速率范围内统一的聚合物溶液视粘度定量表征方法，考虑了聚合物溶液在岩石多孔介质内渗流时所有的流变行为——牛顿、剪切稀化和剪切增稠特性，克服了现有表征方法聚合物溶液视粘度无限增大的缺点，从而可以更准确地确定聚合物溶液视粘度。2、本发明的聚合物溶液视粘度定量表征方法只依据聚合物溶液的流变测量数据和多孔介质的物性特征参数进行预测估计，无需进行费时费力的大量岩心驱替实验，可操作性更强，成本更低。3、本发明不仅可以广泛应用于油田开发研究领域中聚合物溶液在岩石多孔介质内渗流时视粘度的确定，还可以广泛应用于其它与渗流有关的研究领域中或作为参考，比如地下水运移研究等。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细的描述。

本发明提供的聚合物溶液视粘度的定量表征方法，其包括以下步骤：

1)确定有效剪切速率：

由于聚合物溶液在岩石多孔介质内渗流时的剪切速率不同于流变测量实验中的剪切速度，故需要将其转化为适用于岩石多孔介质内渗流时的有效剪切速率，其转化公式为：

式中,为聚合物溶液在岩石多孔介质内渗流时的有效剪切速率；c为聚合物溶液有效剪切速率常数，与岩石多孔介质的渗透率和孔隙度相关，一般取6；n₁为聚合物溶液剪切稀化经验指数；u_w为聚合物溶液在岩石多孔介质内的渗流速度；k为岩石多孔介质渗透率；k_rw为聚合物溶液相对渗透率；S_w为聚合物溶液饱和度；为岩石多孔介质孔隙度。

2)确定剪切稀化视粘度：

聚合物溶液在低速流动时表现出剪切稀释行为，其剪切稀化视粘度可采用Carreau(卡罗)方法表征：

${\mathrm{\μ}}_{sh1}={\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\∞}}+({\mathrm{\μ}}_0-{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\∞}}){(1+{\left({\mathrm{\λ}}_1\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}\right)}^{\mathrm{\α}})}^{(n_1-1)/\mathrm{\α}}\mathrm{---}\left(2\right)$

式中，μ_sh1为聚合物溶液低速流动时的剪切稀化视粘度；μ_∞为聚合物溶液极限剪切粘度；μ₀为聚合物溶液零剪切粘度；为聚合物溶液剪切速率；λ₁为聚合物溶液剪切稀化常数；α为经验常数，一般取2。

Carreau方法最初是用来表征粘度计测量粘度的，需要将聚合物溶液剪切速率转化为适用于聚合物溶液在岩石多孔介质内渗流时的有效剪切速率Carreau方法才是适用的，故聚合物溶液在岩石多孔介质内渗流时的剪切稀化视粘度μ_sh修正为：

${\mathrm{\μ}}_{sh}={\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\∞}}+({\mathrm{\μ}}_0-{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\∞}}){(1+{\left({\mathrm{\λ}}_1{\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}}_{eff}\right)}^{\mathrm{\α}})}^{(n_1-1)/\mathrm{\α}}\mathrm{---}\left(3\right)$

3)确定剪切增稠视粘度：

聚合物溶液高速流经收缩-发散流动通道的岩石多孔介质时的剪切增稠视粘度μ_el表征为：

${\mathrm{\μ}}_{el}={\mathrm{\μ}}_{max}(1-e^{\{-{\left({\mathrm{\τ}}_r{\mathrm{\λ}}_2{\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}}_{eff}\right)}^{n_2-1}\}})\mathrm{---}\left(4\right)$

式中，μ_max为剪切降解发生前聚合物溶液粘度的最高值；τ_r为聚合物分子的松弛时间；λ₂为聚合物溶液剪切增稠常数；n₂为聚合物溶液剪切增稠经验指数。

4)确定聚合物溶液视粘度：

在整个剪切速率范围内，聚合物溶液统一的视粘度模型由剪切稀化视粘度和剪切增稠视粘度组成，则聚合物溶液在岩石多孔介质内渗流时全流速范围内统一的聚合物溶液视粘度表征为：

${\mathrm{\μ}}_{app}={\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\∞}}+({\mathrm{\μ}}_0-{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\∞}}){(1+{\left({\mathrm{\λ}}_1{\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}}_{eff}\right)}^{\mathrm{\α}})}^{(n_1-1)/\mathrm{\α}}+{\mathrm{\μ}}_{max}(1-e^{\{-{\left({\mathrm{\τ}}_r{\mathrm{\λ}}_2{\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}}_{eff}\right)}^{n_2-1}\}})---\left(5\right)$

式中，μ_app为聚合物溶液在岩石多孔介质中渗流时全流速范围内统一的聚合物溶液视粘度，由于聚合物溶液在地下岩石多孔介质中流动时不仅表现出粘性效应，还表现出一定的弹性效应，故μ_app也称为聚合物溶液的粘弹性视粘度。

上述实施例中，聚合物溶液是聚丙烯酰胺(Hydrolyzed Polyacryamide，缩写HPAM)溶液。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、设置位置、及其连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种聚合物溶液视粘度的定量表征方法，其包括以下步骤：

1)确定聚合物溶液在岩石多孔介质内渗流时的有效剪切速率；

2)确定聚合物溶液在岩石多孔介质内渗流时的剪切稀化视粘度；

3)确定聚合物溶液在岩石多孔介质内渗流时的剪切增稠视粘度；

4)确定聚合物溶液在岩石多孔介质内渗流时全流速范围内统一的聚合物溶液视粘度。

2.如权利要求1所述的一种聚合物溶液视粘度的定量表征方法，其特征在于，所述步骤1)中的有效剪切速率的转化公式为：

式中,为聚合物溶液在岩石多孔介质内渗流时的有效剪切速率；c为聚合物溶液有效剪切速率常数，与岩石多孔介质的渗透率和孔隙度相关，一般取6；n₁为聚合物溶液剪切稀化经验指数；u_w为聚合物溶液在岩石多孔介质内的渗流速度；k为岩石多孔介质渗透率；k_rw为聚合物溶液相对渗透率；S_w为聚合物溶液饱和度；为岩石多孔介质孔隙度。

3.如权利要求1或2所述的一种聚合物溶液视粘度的定量表征方法，其特征在于，所述步骤2)中聚合物溶液在岩石多孔介质内渗流时的剪切稀化视粘度表征为：

${\mathrm{\μ}}_{sh}={\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\∞}}+({\mathrm{\μ}}_0-{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\∞}}){(1+{\left({\mathrm{\λ}}_1{\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}}_{eff}\right)}^{\mathrm{\α}})}^{(n_1-1)/\mathrm{\α}}$

式中，μ_sh为聚合物溶液在岩石多孔介质内渗流时的剪切稀化视粘度；μ_∞为聚合物溶液极限剪切粘度；μ₀为聚合物溶液零剪切粘度；为聚合物溶液剪切速率；λ₁为聚合物溶液剪切稀化常数；α为经验常数，一般取2。

4.如权利要求1或2所述的一种聚合物溶液视粘度的定量表征方法，其特征在于，所述步骤3)中聚合物溶液在岩石多孔介质内渗流时的剪切增稠视粘度表征为：

${\mathrm{\μ}}_{el}={\mathrm{\μ}}_{max}(1-e^{\{-{\left({\mathrm{\τ}}_r{\mathrm{\λ}}_2{\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}}_{eff}\right)}^{n_2-1}\}})$

式中，μ_el为聚合物溶液在岩石多孔介质内渗流时的剪切增稠视粘度；μ_max为剪切降解发生前聚合物溶液粘度的最高值；τ_r为聚合物分子的松弛时间；λ₂为聚合物溶液剪切增稠常数；n₂为聚合物溶液剪切增稠经验指数。

5.如权利要求3所述的一种聚合物溶液视粘度的定量表征方法，其特征在于，所述步骤3)中聚合物溶液在岩石多孔介质内渗流时的剪切增稠视粘度表征为：

${\mathrm{\μ}}_{el}={\mathrm{\μ}}_{max}(1-e^{\{-{\left({\mathrm{\τ}}_r{\mathrm{\λ}}_2{\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}}_{eff}\right)}^{n_2-1}\}})$

式中，μ_el为聚合物溶液在岩石多孔介质内渗流时的剪切增稠视粘度；μ_max为剪切降解发生前聚合物溶液粘度的最高值；τ_r为聚合物分子的松弛时间；λ₂为聚合物溶液剪切增稠常数；n₂为聚合物溶液剪切增稠经验指数。

6.如权利要求1或2或5所述的一种聚合物溶液视粘度的定量表征方法，其特征在于，所述步骤4)中聚合物溶液在岩石多孔介质内渗流时全流速范围内统一的聚合物溶液视粘度表征为：

${\mathrm{\μ}}_{app}={\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\∞}}+({\mathrm{\μ}}_0-{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\∞}}){(1+{\left({\mathrm{\λ}}_1{\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}}_{eff}\right)}^{\mathrm{\α}})}^{(n_1-1)/\mathrm{\α}}+{\mathrm{\μ}}_{max}(1-e^{\{-{\left({\mathrm{\τ}}_r{\mathrm{\λ}}_2{\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}}_{eff}\right)}^{n_2-1}\}})$

式中，μ_app为聚合物溶液在岩石多孔介质中渗流时全流速范围内统一的聚合物溶液视粘度，也称为聚合物溶液的粘弹性视粘度。

7.如权利要求3所述的一种聚合物溶液视粘度的定量表征方法，其特征在于，所述步骤4)中聚合物溶液在岩石多孔介质内渗流时全流速范围内统一的聚合物溶液视粘度表征为：

${\mathrm{\μ}}_{app}={\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\∞}}+({\mathrm{\μ}}_0-{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\∞}}){(1+{\left({\mathrm{\λ}}_1{\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}}_{eff}\right)}^{\mathrm{\α}})}^{(n_1-1)/\mathrm{\α}}+{\mathrm{\μ}}_{max}(1-e^{\{-{\left({\mathrm{\τ}}_r{\mathrm{\λ}}_2{\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}}_{eff}\right)}^{n_2-1}\}})$

式中，μ_app为聚合物溶液在岩石多孔介质中渗流时全流速范围内统一的聚合物溶液视粘度，也称为聚合物溶液的粘弹性视粘度。

8.如权利要求4所述的一种聚合物溶液视粘度的定量表征方法，其特征在于，所述步骤4)中聚合物溶液在岩石多孔介质内渗流时全流速范围内统一的聚合物溶液视粘度表征为：

${\mathrm{\μ}}_{app}={\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\∞}}+({\mathrm{\μ}}_0-{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\∞}}){(1+{\left({\mathrm{\λ}}_1{\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}}_{eff}\right)}^{\mathrm{\α}})}^{(n_1-1)/\mathrm{\α}}+{\mathrm{\μ}}_{max}(1-e^{\{-{\left({\mathrm{\τ}}_r{\mathrm{\λ}}_2{\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}}_{eff}\right)}^{n_2-1}\}})$

式中，μ_app为聚合物溶液在岩石多孔介质中渗流时全流速范围内统一的聚合物溶液视粘度，也称为聚合物溶液的粘弹性视粘度。

9.如权利要求1或2或5或7或8所述的一种聚合物溶液视粘度的定量表征方法，其特征在于，所述聚合物溶液是聚丙烯酰胺溶液。

10.如权利要求6所述的一种聚合物溶液视粘度的定量表征方法，其特征在于，所述聚合物溶液是聚丙烯酰胺溶液。