CN107843522A - 聚合物溶液在多孔介质中拉伸特性测试系统与测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于油气开采技术领域，具体涉及到聚合物溶液在多孔介质中拉伸特性测试系统与测试方法，该系统主要包括注入系统，多孔介质渗流系统，采出液流量监控系统；测试方法包括S1、多孔介质渗透率测试；S2、聚合物溶液在多孔介质运移过程中渗透率和实际粘度测试；S3、聚合物溶液拉伸粘度的计算；S4、聚合物溶液在多孔介质中拉伸流变性测试，本发明可以真实准确地评价聚合物在多孔介质中产生的拉伸粘度和拉伸流变性，对于评价驱油用聚合物在地层中的实际拉伸性能具有重要指导意义。
Description
技术领域
本发明属于油气田开发技术领域，具体涉及到聚合物溶液在多孔介质中拉伸特性测试系统与测试方法，具体为驱油用聚合物溶液在多孔介质中拉伸粘度和拉伸流变性测试系统与测试方法。
背景技术
在油气田开发领域，聚合物驱具有良好的提高石油采收率的效果，油田对聚合物性能评价主要测试聚合物溶液的剪切粘度，但聚合物在地层中由孔隙向吼道运移过程中，由于孔径变化，具有粘弹性的聚合物分子链被拉伸，产生拉伸粘度，因此目前对聚合物剪切粘度的测试不能够反应聚合物在地层运移过程中的实际粘度，需要测试聚合物在地层运移过程中的拉伸粘度和拉伸流变，目前对驱油用聚合物拉伸粘度和拉伸流变的测试，实验室普遍采用热电公司制造生产的CaBER拉伸流变仪，它是采用毛细管断裂技术，测量由于流体表面张力拉伸导致的流体细丝直径的变化，从而表征流体的拉伸粘度和拉伸流变性。该拉伸流变性的表征有以下的缺点。
(1)CaBER拉伸流变仪测试的是聚合物宏观体相拉伸流变性，不能反映聚合物通过孔吼尺寸为微米级的多孔介质的拉伸粘度和拉伸流变性。
(2)CaBER拉伸流变仪测得的数据较大，所得数据和聚合物溶液的剪切粘度和剪切流变性无法比较，无法确定聚合物在地层多孔介质运移过程中拉伸粘度和剪切粘度所占比例，从而不能对聚合物结构设计提出指导。
由于聚合物在地层多孔介质由孔隙向吼道运移过程中产生的拉伸粘度对于提高石油采收率具有重要的意义，而现有聚合物拉伸流变仪测试装置无法真实准确评价聚合物在地层多孔介质运移过程中产生的拉伸粘度。因此设计能够评价聚合物在多孔介质运移过程中拉伸粘度和拉伸流变性的测试系统对于真实准确评价聚合物溶液在地层中所产生的拉伸粘度具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的之一是为了解决现有技术存在的不足，提供了一种聚合物溶液在多孔介质中拉伸特性测试系统，可以真实准确地评价聚合物在多孔介质中产生的拉伸粘度和拉伸流变性，目的之二是提供使用该聚合物溶液在多孔介质中拉伸特性测试系统的测试方法。
本发明的目的之一可以通过以下技术方案来实现：
聚合物溶液在多孔介质中拉伸特性测试系统，包括注入系统，多孔介质渗流系统，采出液流量监控系统；如附图1所示，
(1)所述注入系统包括：接受电脑(H)压力信号的空压机(A)和用于盛放聚合物溶液的储液杯(B)；空压机(A)和储液杯(B)通过密封胶皮管线相连接；
(2)所述的多孔介质渗流系统包括：多孔介质(E)和多孔介质的夹持器(D)；夹持器分上下两部分，下部(D1)设有放置多孔介质的不锈钢圆柱形槽，上部(D3)设有O型槽，在多孔介质上面垫上O型密封圈(D2)，O型密封圈(D2)装入夹持器上部的O型槽中；夹持器上下两部分用不锈钢锁(F)连接并拧紧；并且夹持器与储液杯通过设有控制阀(C)的管道连接；
(3)所述的采出液流量监控系统为自动记录采出液流量的电子天平(G)，并且向电脑(H)输出流量信号。
本发明的目的之一还可以通过以下技术方案来实现：
该测试系统中所述的多孔介质由不同目数的高硼硅玻璃或石英砂烧结而成，多孔介质外围由环形高棚硅玻璃包裹，厚度为0.5-0.7cm。
该测试系统中所述的多孔介质为圆柱形直径为3.8-4cm，厚度为0.8-1cm。
该测试系统中所述的不锈钢圆柱形槽直径为4-5cm，深度为0.9-1.1cm。
本发明的目的之二可以通过以下技术方案来实现：
一种采用权利要求上述聚合物溶液在多孔介质中拉伸特性测试系统的测试方法，包括以下步骤：
S1、多孔介质渗透率测试：空压机接受电脑压力信号，一定压力条件下，使甘油从储液杯通过多孔介质渗流系统，然后利用采出液流量监控系统记录甘油流量，计算多孔介质渗透率测试；
S2、聚合物溶液在多孔介质运移过程中渗透率和实际粘度测试：在一定压力下，使粘度为μg的甘油通过多孔介质，接着分别使聚合物溶液、与步骤S1同样粘度的甘油通过多孔介质渗流系统，利用采出液流量监控系统记录液体流量，利用达西公式计算得到一定流速条件下聚合物在多孔介质渗流过程中的渗透率和实际粘度；
S3、聚合物溶液拉伸粘度的计算：聚合物在多孔介质运移过程中的拉伸粘度的值为实际粘度减去剪切粘度；其中，所述的剪切粘度由流变仪测试并计算得到；
S4、聚合物溶液在多孔介质中拉伸流变性测试：使用多孔介质中拉伸粘度和拉伸流变性测试系统，测试不同压力条件下，聚合物溶液通过多孔介质时的拉伸粘度，得到聚合物溶液在多孔介质中的拉伸流变曲线。
其中，剪切粘度的测试方法为：第一步，聚合物溶液在多孔介质运移过程中剪切速率测试：利用流变仪测试聚合物溶液的剪切流变曲线，并用幂律函数拟合该曲线，得到聚合物溶液的剪切流变幂律指数n，把n值代入变形的Hirasaki剪切速率模型，计算聚合物溶液在多孔介质中运移过程的剪切速率；
第二步，聚合物溶液的剪切粘度测试：使用流变仪测试聚合物溶液在多孔介质运移过程中剪切速率条件下的剪切粘度。
该系统工作原理解释如下：
测试时利用电脑控制注入压力，分别使一定粘度的甘油、聚合物溶液、后续同样粘度的甘油通过多孔介质渗流系统，利用采出液流量监控系统监测三种液体流速，利用达西公式计算得到一定流速条件下聚合物溶液在多孔介质渗流过程中的渗透率和实际粘度；然后利用流变仪测试聚合物溶液剪切流变曲线，并用幂律函数拟合该曲线，得到聚合物剪切流变幂律指数n，把n代入变形的Hirasaki剪切速率模型，计算得到聚合物溶液以一定流速在多孔介质运移过程中的剪切速率；最后利用流变仪测试聚合物溶液在多孔介质运移过程中剪切速率条件下的剪切粘度，聚合物在多孔介质运移过程中的拉伸粘度为聚合物在多孔介质渗流过程中的实际粘度减去流变仪测得的剪切粘度。通过改变注入压力，测试不同压力条件下，聚合物溶液在多孔介质中的剪切速率，得到不同剪切速率条件下聚合物在多孔介质中的拉伸粘度，最终得到在一定渗透率的多孔介质中聚合物溶液拉伸流变曲线。
附图说明
图1表示聚合物在多孔介质中拉伸粘度和拉伸流变性测试系统；
A：空压机；B：储液杯；C：控制阀；D：夹持器；E：多孔介质；F：不锈钢锁；：
G：电子天平；H：；D1：夹持器下部分；D2：O型密封圈；D3：夹持器上部分；
图2表示5#聚合物溶液在多孔介质中流速和压力的关系；
图3表示5#聚合物在多孔介质中拉伸流变曲线和剪切流变曲线对比。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
(一)聚合物溶液在多孔介质中拉伸特性测试系统
聚合物溶液在多孔介质中拉伸粘度和拉伸流变性测试系统，包括注入系统，多孔介质渗流系统，采出液流量监控系统；如附图1所示，
(1)所述注入系统包括：接受电脑(H)压力信号的空压机(A)和用于盛放聚合物溶液的储液杯(B)；空压机(A)和储液杯(B)通过密封胶皮管线相连接；
(2)所述的多孔介质渗流系统包括：多孔介质(E)和多孔介质的夹持器(D)；多孔介质外围由环形高棚硅玻璃包裹，厚度为0.5-0.7cm；夹持器分上下两部分，下部(D1)设有放置多孔介质的不锈钢圆柱形槽，上部(D3)设有O型槽，在多孔介质上面垫上O型密封圈(D2)，O型密封圈(D2)装入夹持器上部的O型槽中；夹持器上下两部分用不锈钢锁(F)连接并拧紧；并且夹持器与储液杯通过设有控制阀(C)的管道连接；
(3)所述的采出液流量监控系统为自动记录采出液流量的电子天平(G)，并且向电脑(H)输出流量信号。
(二)具体测试步骤：采用(一)所述的测试系统
所述测试系统具体测试步骤包括：
S1、多孔介质渗透率测试；
在一定压力△P条件下，使粘度为μg的甘油通过面积为A，厚度为L的多孔介质渗流系统，采出液流量监控系统自动记录甘油流量Qg，利用达西定律测试多孔介质渗透率，计算公式如式(1-1)：
Kg＝QgμgL/(A△P) (1-1)
Kg：多孔介质渗透率；Qg：单位时间内的甘油流量；μg：甘油粘度；
L：多孔介质长度；A：多孔介质截面积；△P：压差。
S2、聚合物溶液在多孔介质运移过程中渗透率和实际粘度测试；
在压力为△P条件下，使粘度为μg的甘油通过多孔介质，接着使一定浓度的聚合物溶液通过多孔介质，在流量稳定之后，电脑自动记录聚合物溶液流量为QP，后续继续注入甘油，在甘油压力稳定之后，记录甘油的稳定流速为Qgf，则认为此时甘油通过多孔介质的渗透率等于聚合物溶液通过多孔介质的渗透率，计算公式如式(1-2)；
Kp＝Kgf＝QgfμgL/(A△P) (1-2)
Kp：聚合物溶液在多孔介质运移过程的渗透率；Qgf：单位时间内的甘油流量；μg：
甘油粘度；L：多孔介质长度；A：多孔介质截面积；△P：压差。
根据(1-1)和(1-2)得到式(1-3)：
Kp＝(Qgf/Qg)*Kg (1-3)
已知聚合物溶液通过多孔介质流量QP、渗透率Kp、压力为△P条件下，利用达西公式，计算聚合物溶液通过多孔介质实际粘度μp，计算公式如式(1-4)：
μp＝KpA△P/(QpL) (1-4)
S3、聚合物溶液拉伸粘度的计算；聚合物在多孔介质的实际粘度μp是由剪切粘度μs和拉伸粘度μe构成，因此聚合物在多孔介质运移过程中的拉伸粘度μe的值为，计算公式如式(1-5)：
μe＝μp-μs (1-5)
其中，聚合物溶液在多孔介质中剪切粘度μe测试计方法为：
第一步：聚合物溶液在多孔介质中剪切速率测试：
聚合物溶液的剪切速率测试，利用流变仪测试聚合物溶液的剪切流变曲线，并用幂律函数拟合该曲线，得到聚合物溶液的剪切流变幂律指数n，把n值代入变形的Hirasaki剪切速率模型，计算聚合物溶液在多孔介质中运移过程的剪切速率γp，计算公式如式(1-6)；
γp-多孔介质中聚合物溶液剪切速率；n-聚合物溶液剪切流变幂律指数C-多孔介质扭曲系数，取值为1.8；VP-聚合物在多孔介质中的达西流速Kp-聚合物在多孔介质中的渗透率；φ-多孔介质的孔隙度
第二步，使用流变仪测试聚合物溶液在多孔介质运移过程中剪切速率γp条件下的剪切粘度μs。
(三)通过(二)给出的测试方法进行具体的实施例试验
实施例1
该实施例主要测试聚合物溶液在多孔介质运移过程中某剪切速率条件下的拉伸粘度。
注入压力为0.01MPa，甘油粘度为53.8mPa·s，多孔介质为高硼硅玻璃，多孔介质厚度为1cm，直径为4.0cm，面积为12.6cm2，孔隙度为28％，聚合物类型为矿场在用四种常规部分水解聚丙酰胺，编号为1#，2#，3#，4#，特性粘数分别为2650mL/g，2780mL/g，2590mL/g，2760mL/g，聚合物溶液浓度都为1200mg/L，配制聚合物溶液水矿化度为2100mg/L，在通过多孔介质之前用10μm滤膜过滤，流变仪为安东帕MCR301型旋转流变仪，夹具为CC27，套筒测量模式。
装置记录的甘油流速为47.8mL/min，四种聚合物溶液通过多孔介质的流速分别为11.30mL/min，7.27mL/min，5.78mL/min，13.8mL/min，后续甘油通过多孔介质的流速分别为40.2mL/min，39.8mL/min，41.5mL/min，40.5mL/min。
由流变仪测试得到的四种聚合物的剪切流变曲线幂律指数n分别为0.59、0.51、0.49、0.62。
最终在0.01MPa压力条件下，得到的四种聚合物在多孔介质中产生的拉伸粘度实验结果，如表1所示：
表1四种聚合物在0.01MPa条件下在多孔介质中运移产生的粘度特性
由实验结果表1可知：四种聚合物在多孔介质中产生的拉伸粘度相对于剪切粘度高很多，且在相同的注入压力条件下，虽然四种聚合物特性粘数相当，剪切粘度也差别不大，但四种聚合物拉伸粘度有较大差别，3#聚合物拉伸粘度最高，4#聚合物拉伸粘度最低。
实施例2
该实施例主要测试聚合物溶液在多孔介质运移过程中不同剪切速率条件下的拉伸流变性。
该实施例中，注入压力为0.01-0.15MPa，甘油粘度为53.8mPa·s，多孔介质为高硼硅玻璃，多孔介质厚度为0.85cm，直径为3.8cm，面积为11.3cm2，孔隙度为22％，聚合物类型为矿场在用常规部分水解聚丙酰胺，编号为5#，特性粘数为2850mL/g，聚合物浓度为1200mg/L，配制聚合物水矿化度为2100mg/L，在通过多孔介质之前用3μm滤膜过滤，流变仪为安东帕MCR301型旋转流变仪，夹具为CC27，套筒测量模式。
装置记录的甘油在0.01MPa压力下流速为1.35mL/min，聚合物溶液在不同压力条件下，通过多孔介质的流速如图2所示。
由流变仪测试得到的5#聚合物的剪切流变曲线幂律指数n为0.70。
最终在0.01-0.15MPa压力条件下，得到5#聚合物在多孔介质中产生的拉伸流变性和剪切流变实验结果为图3和表2所示：
表2 5#聚合物在多孔介质中拉伸流变参数对比
由表2和图3实验结果可知：虽然在多孔介质中聚合物拉伸流变和剪切流变曲线都呈幂函数关系，但两者呈现不同的幂律特征，拉伸流变曲线幂律指数n＞1，表明随剪切速率增加，拉伸粘度逐渐增加，剪切流变曲线幂律指数n＜1，表明随剪切速率增加，剪切粘度逐渐降低。
综上所述，相比于现有技术，本发明实施例解决了目前实验室拉伸流变仪无法真实准确评价聚合物在多孔介质中产生的拉伸粘度和拉伸流变性的不足，对于评价驱油用聚合物在地层中的实际拉伸性能具有重要指导意义。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.聚合物溶液在多孔介质中拉伸特性测试系统，其特征在于，包括注入系统，多孔介质渗流系统，采出液流量监控系统；
（1）所述注入系统包括：接受电脑压力信号的空压机和用于盛放聚合物溶液的储液杯；空压机和储液杯通过密封胶皮管线相连接；
（2）所述的多孔介质渗流系统包括：多孔介质和多孔介质夹持器；夹持器分上下两部分，下部设有放置多孔介质的不锈钢圆柱形槽，上部设有O型槽，在多孔介质上面垫上O型密封圈，O型密封圈装入夹持器上部的O型槽中；夹持器上下两部分用不锈钢锁连接并拧紧；并且夹持器与储液杯通过设有控制阀的管道连接；
（3）所述的采出液流量监控系统为自动记录采出液流量的电子天平，并且向电脑输出流量信号。
2.根据权利要求1所述的聚合物溶液在多孔介质中拉伸特性测试系统，其特征在于，所述的多孔介质由不同目数的高硼硅玻璃或石英砂烧结而成，多孔介质外围由环形高棚硅玻璃包裹，厚度为0.5-0.7cm。
3.根据权利要求1所述的聚合物溶液在多孔介质中拉伸特性测试系统，其特征在于，所述的多孔介质为圆柱形直径为3.8-4cm，厚度为0.8-1cm。
4.根据权利要求1所述的聚合物溶液在多孔介质中拉伸特性测试系统，其特征在于，所述的不锈钢圆柱形槽直径为4-5cm，深度为0.9-1.1cm。
5.一种采用权利要求1-4任一的聚合物溶液在多孔介质中拉伸特性测试系统的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、多孔介质渗透率测试：空压机接受电脑压力信号，一定压力条件下，使一定粘度甘油从储液杯通过多孔介质渗流系统，然后利用采出液流量监控系统记录甘油流量，计算多孔介质渗透率；
S2、聚合物溶液在多孔介质运移过程中渗透率和实际粘度测试：在一定压力下，使粘度为μg的甘油通过多孔介质，接着注入聚合物溶液、然后注入与步骤S1同样粘度的甘油通过多孔介质渗流系统，利用采出液流量监控系统记录液体流量，利用达西公式计算得到一定流速条件下聚合物在多孔介质渗流过程中的渗透率和实际粘度；
S3、聚合物溶液拉伸粘度的计算：聚合物在多孔介质运移过程中的拉伸粘度的值为实际粘度减去剪切粘度；其中，所述的剪切粘度由流变仪测试并计算得到；
S4、聚合物溶液在多孔介质中拉伸流变性测试：使用多孔介质中拉伸特性测试系统，测试不同压力条件下，聚合物溶液通过多孔介质时的拉伸粘度，得到聚合物溶液在多孔介质中的拉伸流变曲线。
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