黏弹性表面活性剂在多孔介质中的流变性能研究

时冠兰，余晓玲

黏弹性表面活性剂在多孔介质中的流变性能研究

时冠兰，余晓玲

中国石化江苏油田分公司石油工程技术研究院，江苏 扬州 225001

黏弹性表面活性剂（VES）在多孔介质中的有效黏度是进行VES驱油藏数值模拟、方案设计和动态预测的重要参数。通过分析不同孔径、不同注入速度下VES溶液在多孔介质中的等效剪切速率-有效黏度关系曲线，观察流变性变化趋势，同时分析不同影响因素下等效剪切速率以及有效黏度的变化差异。结果表明：不同孔径、不同浓度VES溶液在多孔介质中的等效剪切速率-有效黏度曲线均为“U”形，存在一个临界剪切速率；VES溶液在多孔介质中的等效剪切速率随浓度、注入速度、配制水矿化度的增大而增大，随孔喉半径增大而降低；VES溶液在多孔介质中的有效黏度随着浓度增大呈现先增加后平缓的趋势，随着注入速度及孔喉半径的增大呈“U”形，随着配制水矿化度的增大略有下降。

黏弹性表面活性剂 多孔介质 等效剪切速率 有效黏度 流变性

黏弹性表面活性剂（VES）在多孔介质中的有效黏度是进行VES驱油藏数值模拟、方案设计和动态预测的重要参数［1］。由于VES溶液在多孔介质中的流变性能［2］与宏观流变性能有很大差异，用流变仪测得的流变特性并不能准确反映VES溶液在地下的流变特性［3］。因此，研究VES溶液在多孔介质中的流变性能对于认识VES溶液渗流规律具有重要意义。

VES溶液的黏度与剪切速率密切相关，但是在物理模拟实验中直接用到的是渗流速度，因而需要将渗流速度换算为对应的剪切速率。目前还没有精确描述多孔介质中剪切速率的模型，一方面是多孔介质的孔隙结构异常复杂，尚无理论模式可以精确描述；另一方面是注入流体分子与多孔介质之间的相互作用极为复杂。许多学者对黏弹性流体提出了多孔介质中的剪切速率简化模型［4-5］，本研究采用计算幂律流体的等效剪切速率模型［6-7］来计算，具体见式（1）。

式中：为等效剪切速率，1/s；为达西速度，cm/s；p为VES溶液在岩心中的相渗透率，μm2；为孔隙度。

根据式（2）计算VES溶液在多孔介质中的有效黏度

式中：为流体流过岩心的体积流量，cm3/s；Δ为岩心两端压差，atm；为岩心横截面积，cm2；为岩心长度，cm；p为VES溶液在岩心中的相渗透率，μm2；eff为流体的有效黏度，mPa·s。

1　实验流程与步骤

1.1　实验流程

实验流程如图1所示。

图1 驱替物模拟实验流程

1.2　实验步骤

①以一定的流量开始进行渗流实验，记录该流量条件下的稳定压力，得到流量-压差关系曲线，在稳定压力下同时取样测VES的流变参数； ②以相同流速进行注水驱替，直到岩心两端压差稳定，根据达西公式近似计算得到VES相渗透率； ③按从大到小的顺序改变实验流量，继续步骤①和步骤②，计算有效黏度；④按照实验方案改变实验参数，进行影响因素研究实验。

2　实验结果与分析

2.1　不同孔喉半径（渗透率）岩心中的流变性

为便于观察流变性变化趋势，设计实验所用VES质量浓度为10 g/L，研究VES溶液在不同孔喉半径（渗透率）多孔介质中的等效剪切速率-有效黏度关系曲线，岩心中的流变测试结果如图2所示。

图2　不同孔喉半径岩心中的流变曲线

由图2可知：VES溶液在不同孔喉半径（渗透率）多孔介质中的等效剪切速率-有效黏度曲线均呈现出随剪切速率增大先降低后增大的“U”形，存在一个临界剪切速率。这是因为在低于临界剪切速率的时候，VES溶液在多孔介质中的有效黏度主要由剪切黏度构成，随着等效剪切速率增大，VES聚集体分子受剪切作用增强，有效黏度降低；在高于临界剪切速率的时候，VES溶液在多孔介质中的有效黏度主要由拉伸黏度构成，随等效剪切速率增大，VES聚集体分子受拉伸作用增强，有效黏度增大。随着岩心孔喉半径增大，临界剪切速率值降低，有效黏度值整体增大。

2.2　不同质量浓度下的流变性

当岩心气测渗透率水平0.1 μm2时，研究不同质量浓度下VES溶液在岩心中的等效剪切速率-有效黏度关系，岩心中的流变测试结果如图3所示。

图3　不同质量浓度VES溶液流变曲线

由图3可知：不同质量浓度的VES溶液在岩心中的等效剪切速率-有效黏度关系曲线均为“U”形，且随VES初始浓度增大，“U”形越明显，有效黏度值整体越大，存在一个临界剪切速率。该现象产生的原因：等效剪切速率低于临界剪切速率时，有效黏度主要由剪切黏度构成；等效剪切速率高于临界剪切速率时，有效黏度主要由拉伸黏度构成。

2.3　各因素对VES流变参数的影响

2.3.1VES质量浓度的影响

不同质量浓度VES溶液以0.5 cm3/min流过相同渗透率水平岩心（气测渗透率0.1 μm2），其质量浓度-剪切速率关系如图4所示，质量浓度-有效黏度关系如图5所示。

图4　VES质量浓度对等效剪切速率的影响

图5　VES质量浓度对有效黏度的影响

由图4和图5可知：随VES浓度增大，其在多孔介质中的等效剪切速率增大，反映出VES浓度越高，在多孔介质中所受剪切作用越强。在同等条件下，随VES溶液初始浓度增大，其在多孔介质中的有效黏度先增大后降低，然后再增大，最后趋于平稳趋势；VES质量浓度大于4 g/L后，在同等条件下有效黏度值不再发生显著增大。

2.3.2注入速度的影响

研究5 g/L的VES溶液以不同速度流过相同渗透率水平的岩心（气测渗透率0.1 μm2）后的流速-等效剪切速率关系、流速-有效黏度关系，结果如图6～7所示。

图6　不同注入速度下的等效剪切速率变化

图7　不同注入速度下的有效黏度变化

由图6和图7可知：同等条件下，注入速度越大，VES溶液在多孔介质中的等效剪切速率越大，所受剪切作用越强。有效黏度随注入速度增大呈“U”形，反映出VES溶液的有效黏度在低速注入时以剪切黏度为主，高速注入时以拉伸黏度为主。

2.3.3孔喉半径大小的影响

研究5 g/L的VES溶液以0.5 cm3/min流速流过不同孔喉半径岩心后的孔喉半径-剪切速率、孔喉半径-有效黏度关系，结果如图8～9所示。

图8　不同孔喉半径岩心中的等效剪切速率变化

图9　不同孔喉半径岩心中的有效黏度变化

由图8和图9可知：在同等条件下，VES溶液在多孔介质中的等效剪切速率随孔喉半径增大而降低，孔喉半径大于2 μm后，VES溶液所受剪切作用变化较小。有效黏度随孔喉半径增大呈“U”形变化，其原因是随孔喉半径增大，VES溶液拉伸作用显著降低；在较大孔喉中，有效黏度以剪切黏度为主，随孔喉半径增大，剪切作用减弱，有效黏度增加。

2.3.4矿化度的影响

研究不同矿化度水配制的5 g/L的VES溶液以0.5 cm3/min流过相同渗透率水平岩心（气测渗透率0.1 μm2）的浓度-剪切速率关系、浓度-有效黏度关系，结果如图10～11所示。

图10　不同矿化度下等效剪切速率变化

图11　不同矿化度下有效黏度变化

由图10和图11可知：同等条件下，随配制水矿化度增大，VES溶液在多孔介质中所受等效剪切速率增大，对应的有效黏度略有下降。配制水矿化度增大使VES聚集体结构更加紧密和稳定，通过多孔介质时流动能力降低，因此表现为同等条件下所受等效剪切速率增大，有效黏度主要表现为剪切黏度相应降低。

3　结论

1）VES溶液在不同孔喉半径岩心、不同注入浓度注入岩心中的等效剪切速率-有效黏度曲线均为“U”形，存在一个临界剪切速率。在低于临界剪切速率的时候，有效黏度主要由剪切黏度构成，在高于临界剪切速率的时候，有效黏度主要由拉伸黏度构成。VES浓度越高、配制水矿化度越大、注入速度越大，在多孔介质中所受剪切作用越强；随孔喉半径增大，剪切作用减弱。

2）对于VES溶液来说，在多孔介质中其流变性受到不同因素的影响，通过对VES溶液流变性的研究，为应用黏弹性表面活性剂VES驱油技术提供指导。

［1］ 张星，李兆敏，徐林静. 聚合物在多孔介质中的流变性研究［J］.石油钻探技术，2010，38（1）：8-10.

［2］ 刘阳，李科星，李渝波，等. 驱油黏弹性表面活性剂溶液的流变性质研究［J］.精细石油化工进展，2017，18（1）：17-20.

［3］ 李圣涛，陈馥，陈建设，等. 黏弹性表面活性剂溶液流变性及评价方法［J］.精细石油化工进展，2005，6（12）：26-28.

［4］ 佟曼丽. 聚合物稀溶液在多孔介质中的粘弹效应［J］.天然气工业，1987，7（1）：64-71.

［5］ 王德民，程杰成，杨清彦. 粘弹性聚合物溶液能够提高岩心的微观驱油效率［J］.石油学报，2000，21（5）：45-51.

［6］ 夏惠芬. 黏弹性聚合物溶液的渗流理论及其应用［M］.北京：石油工业出版社，2002：53-55.

［7］ 夏惠芬，岳湘安，曹广胜，等 . 渗流过程中聚合物溶液的流变性［J］.大庆石油学院学报，2000，24（3）：26-29.

Rheological properties of viscoelastic surfactants in porous media

SHI Guanlan，YU Xiaoling

，225001，

The effective viscosity of viscoelastic surfactant（VES） in porous media is an important parameter for numerical simulation， scheme design and dynamic prediction of VES flooding reservoir. By analyzing the relationship curve between equivalent shear rate and effective viscosity of VES solution in porous media under different pore sizes and injection speeds， the change trend of rheological properties was observed， and the changes of equivalent shear rate and effective viscosity under different influencing factors were analyzed. Results showed that the equivalent shear rate effective viscosity curves of VES solutions with different pore sizes and concentrations in porous media were "U" shape， and there was a critical shear rate. The equivalent shear rate of VES solution in porous media increased with the increase of concentration， injection rate and salinity of configured water， and decreased with the increase of pore throat radius. The effective viscosity of VES solution in porous media increased first and then flattened with the increase of concentration. With the increase of injection speed and pore waiting radius， it showed a "U" shape， and decreased slightly with the increase of salinity of prepared water.

viscoelastic surfactant； porous media； equivalent shear rate； effective viscosity； rheology

2021-08-12

时冠兰，工程师；研究方向：提高油田采收率；Email：shigl.jsyt@sinopec.com

［责任编辑 管珺］