渗透率和注入速度对多孔介质中酚醛树脂冻胶动态成胶的影响

于海洋，刘向军，徐彬彬，纪文娟，王业飞

（1.中国石化胜利油田分公司河口采油厂，山东 东营 257200；2.中国石油长庆油田分公司采气一厂，陕西 榆林 718500；3.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东 青岛 266580）

聚合物冻胶广泛应用于调剖堵水，其动态成胶与静态成胶存在着较大差别，不能简单地用静态成胶来描述多孔介质中的动态成胶过程。为此，中外学者采用不同的物理模型对多孔介质中聚合物冻胶的动态成胶过程进行了研究，认为该过程可分为诱导、成胶和稳定3个阶段，且动态成胶时间远长于静态成胶时间[1-10]。当渗透率和注入速度改变时，多孔介质中聚合物冻胶受到的剪切程度不同[11-15]，对成胶过程产生的影响亦不同。目前，对此方面的研究较少，因此笔者采用循环流动装置，深入研究了不同渗透率和注入速度下酚醛树脂冻胶在多孔介质中的动态成胶过程，分析了渗透率和注入速度对动态成胶时间和冻胶强度的影响，建立了不同渗透率下注入速度和剪切速率的关系，以期为不同渗透率地层选择合适的注入速度提供理论依据。

1 实验器材及方法

实验试剂包括普通部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），其相对分子质量为1.2×107，水解度为22%，固含量为90%；交联剂酚醛树脂预聚体（PFR）；氯化钠、氯化钙和六水合氯化镁，均为分析纯。实验仪器主要包括Brookfield DV（II）粘度计、RW20 digital顶置式机械搅拌器、DY-III型多功能物理模拟装置。填砂管直径为2.5 cm，长度为100 cm；其填充介质为不同目数的玻璃微珠；用a点表示注入端，在距注入端30和70 cm处有测压点，分别用b和c点表示，用d点表示出口端。实验温度为75℃；地层模拟水总矿化度为19334 mg/L，其中钠—钾离子、钙离子和镁离子的质量浓度分别为6921，412和148 mg/L，阴离子为氯离子。酚醛树脂冻胶的成胶时间较长，若冻胶流出多孔介质的时候仍未成胶，将不能准确地反映冻胶在多孔介质中的成胶情况，因此应用循环流动装置。

实验方法参见文献[16]。

2 酚醛树脂冻胶动态成胶过程

2.1 不同渗透率下动态成胶过程

Carman-Kozeny公式给出了渗透率与孔喉半径的关系[17]，即渗透率越大，孔喉半径越大，在相同作用下越有利于流体的流动。在相同渗透率条件下，相对分子质量大的流体注入压差高，岩心渗透率越小，筛网系数和粘度的损失越大[18]。用不同目数的玻璃微珠填制渗透率分别为0.55，2.13，8.08和13.58 μm2的填砂管岩心。在注入速度为0.5 mL/min的条件下，根据多孔介质中酚醛树脂冻胶动态成胶实验方法，考察渗透率的影响。由实验结果（图1）可知，随着时间的延长，注入端压差（Δpad）先是基本不变，然后迅速增大至稳定，说明在不同渗透率下酚醛树脂冻胶动态成胶均经历了诱导、成胶和稳定3个阶段[19-20]（图1a）。第1测压点压差（Δpbd）有不同程度的增大，但存在明显的时间滞后，说明多孔介质中酚醛树脂冻胶在动态成胶过程中可产生深部运移（图1b）。随着渗透率的增大，动态成胶稳定阶段Δpad逐渐减小，其原因是多孔介质孔喉半径增大，渗流阻力减小；而Δpbd先减小后增大，这是此时酚醛树脂冻胶更容易运移的结果。当渗透率较小时，诱导阶段聚合物结构单元可运移至深部，但是在成胶阶段受到孔喉半径的限制形成的聚集体不易发生运移，在地层深部滞留产生封堵。因此，在渗透率较低的条件下，酚醛树脂冻胶动态成胶时也可在地层深部产生封堵。

图1 不同渗透率下酚醛树脂冻胶在多孔介质中动态成胶过程

根据达西公式，由Δpad可计算出酚醛树脂冻胶的粘度，用其来表征多孔介质中的动态成胶过程，考察渗透率对酚醛树脂冻胶动态成胶时粘度的影响（图2）。根据Mokhtari等的研究结果，将成胶时间分为初始成胶时间和最终成胶时间，初始成胶时间是诱导阶段和成胶阶段的分界点；最终成胶时间是成胶阶段和稳定阶段的分界点[21]。由多孔介质中酚醛树脂冻胶动态成胶的实验方法[16]可知，多孔介质中动态成胶时间为整个成胶过程所用时间的1/2。由图2可以看出，随着渗透率的增大，酚醛树脂在多孔介质中动态初始成胶时间和最终成胶时间略微缩短，酚醛树脂冻胶粘度先是基本不变然后逐渐增大至稳定，当渗透率分别为0.55，2.13，8.08和13.58 μm2时，所对应的单位孔隙体积下的粘度分别为21.08，70.03，223.03和356.46 mPa·s。

图2 不同渗透率下多孔介质中动态成胶酚醛树脂冻胶粘度随时间的变化

酚醛树脂冻胶在多孔介质中动态成胶时所承受的剪切速率[12-14]为

式中：γ为剪切速率，s-1；n为流体的幂律指数；v为注入速度，cm/s；C′为与迂曲度有关的系数，通常取值为25/12～2.5；K为渗透率，μm2；ϕ为孔隙度，其取值为饱和水体积与总体积的比值。

当渗透率分别为0.55，2.13，8.08和 13.58 μm2时，对应剪切速率分别为14.22，7.23，3.71，2.86 s-1。表明多孔介质中酚醛树脂冻胶的动态成胶过程存在2种作用力：①有利于形成网状结构的交联作用；②破坏网状结构的剪切作用。因此酚醛树脂冻胶在多孔介质中动态成胶的初始和最终成胶时间均比安瓿瓶内和多孔介质中静态成胶的初始和最终成胶时间长。

当渗透率无限小至趋于0时，酚醛树脂冻胶在多孔介质中不能成胶，粘度值为0；当渗透率无限大时，根据式（1）可知，剪切速率趋于0，因此可近似看作是静态成胶，根据达西公式求解动态成胶后单位孔隙体积冻胶的粘度，建立了多孔介质中酚醛树脂冻胶动态成胶的粘度与渗透率之间的关系（图3），其中a反映多孔介质中酚醛树脂冻胶动态成胶后的粘度，其值越大反映冻胶粘度越大；b反映剪切速率对酚醛树脂冻胶粘度的影响，可侧面反映酚醛树脂冻胶的抗剪切能力，其值越大，冻胶粘度受剪切速率影响越大，冻胶的抗剪切能力越差。随着渗透率的增大，多孔介质中酚醛树脂冻胶动态成胶后的稳定粘度增大，当注入速度为0.5 mL/min，渗透率大于3 μm2时，多孔介质中酚醛树脂冻胶动态成胶后的粘度值较大。

图3 渗透率对动态成胶后冻胶粘度的影响

2.2 不同注入速度下动态成胶过程

剪切作用对聚合物冻胶的成胶有较大的影响，随着注入速度的增大，剪切速率增大，聚合物冻胶通过岩心后的粘度损失增大。考察注入速度对多孔介质中酚醛树脂冻胶动态成胶的影响，实验方法如下：用相同目数的玻璃微珠填制渗透率为5～8 μm2的填砂管岩心，研究注入速度分别为0.125，0.25，0.5，0.75，1，1.5和2 mL/min时，多孔介质中酚醛树脂冻胶的动态成胶过程，记录压差随时间的变化（图4）。

由图4可知，在实验条件下的渗透率对成胶影响较小。随着时间的延长，不同注入速度下动态成胶过程相似，Δpad先是基本不变，然后迅速增大至稳定阶段，表明酚醛树脂冻胶经历了诱导、成胶和稳定3个阶段。Δpbd有不同程度的增大，但是存在明显的时间滞后现象，表明酚醛树脂冻胶在多孔介质中动态成胶时可发生运移，在地层深部产生封堵。当注入速度较小时，剪切速率也较小，动态成胶后酚醛树脂冻胶粘度较大，因此表现为较高的压差；当注入速度较大时，剪切速率较大，动态成胶后形成酚醛树脂冻胶的粘度较低，但是此时酚醛树脂冻胶通过岩心孔喉时渗流阻力较大，亦表现为较高的压差，因此不论注入速度如何，第1测压点压差Δpbd增长的幅度均较大。

图4 不同注入速度下多孔介质中酚醛树脂冻胶动态成胶过程

用Δpad可计算多孔介质中酚醛树脂冻胶动态成胶过程中的粘度，根据其随时间的变化，分析注入速度对动态成胶的影响（图5）。随着注入速度的增大，酚醛树脂冻胶动态初始成胶时间先缩短后延长，最终成胶时间略微延长，且稳定阶段的粘度随着注入速度的增大逐渐降低。在实验渗透率下，注入速度分别为0.125，0.25，0.5，0.75，1，1.5和2 mL/min时，对应单位孔隙体积的粘度分别为470.7，339.35，223.03，131，99，48.5和36 mPa·s。

图5 不同注入速度下多孔介质中动态成胶酚醛树脂冻胶粘度随时间的变化

当注入速度过低时，剪切速率较小，对冻胶的破坏作用较小，同时形成的结构单元碰撞几率降低，初始成胶时间延长；当注入速度过高时，剪切速率较大，对冻胶的破坏作用较大，同时也增加了结构单元相互碰撞的几率，但是结构单元所形成的较大聚集体在剪切作用下又被破坏，因此初始成胶时间延长。初始成胶时间的变化规律与剪切破环和加速交联2种作用有关。由于剪切作用的存在，形成的聚集体遭到破坏，延长了最终成胶时间，降低了成胶后冻胶的粘度。根据式（1）计算得出，注入速度分别为0.125，0.25，0.5，0.75，1，1.5和2 mL/min时，对应的剪切速率分别为1.26，2.23，3.71，6.02，8.71，12.83和18.69 s-1。

根据动态成胶后单位孔隙体积酚醛树脂冻胶的粘度与计算的剪切速率，建立了粘度与剪切速率的关系（图6），随着剪切速率增大，动态成胶后酚醛树脂冻胶的粘度逐渐减小。在渗透率为5～8 μm2，剪切速率大于10 s-1时，动态成胶后酚醛树脂冻胶粘度较低。对比实际数据和拟合曲线，当剪切速率较小时，实验过程中稳定阶段压差变化幅度平缓，实际值和拟合值相差不大；但随着注入速度的增大，酚醛树脂冻胶待成胶液在多孔介质中循环次数增多，导致拟合值大于实际值，动态成胶后粘度偏小。

图6 酚醛树脂冻胶动态成胶后粘度与剪切速率的关系

3 渗透率和注入速度与剪切速率的关系

由渗透率和注入速度对多孔介质中酚醛树脂冻胶动态成胶的影响分析可知，式（1）可反映出渗透率和注入速度对多孔介质中剪切速率的贡献，渗透率越大，注入速度越小，其剪切速率越小，动态成胶后冻胶的粘度越大。因此，在酚醛树脂冻胶实际应用时应考虑渗透率和注入速度的影响，在现场条件允许时尽量降低注入速度以获得较高的成胶粘度。

由式（1）可建立不同渗透率下注入速度和剪切速率之间的关系（图7）。对于质量分数为0.2%的HPAM与质量分数为0.6%的酚醛树脂复配而成的溶液，当渗透率不变时，多孔介质中酚醛树脂冻胶动态成胶时的剪切速率随注入速度的增大而增大；在注入速度一定的条件下，剪切速率随渗透率的增大而降低。动态成胶实验结果表明，当剪切速率大于10 s-1时，酚醛树脂冻胶动态成胶后粘度较低；当剪切速率小于10 s-1时，随着渗透率的增大，注入速度的选择范围增大。由图7可得到不同渗透率下酚醛树脂冻胶动态成胶后粘度值较高的注入速度范围。同时可以看出，聚合物冻胶在应用时，地层渗透率越低对其注入速度的要求就越高。

图7 不同渗透率下注入速度和剪切速率的关系

4 结论

研究了在75℃、不同渗透率和注入速度下，多孔介质中酚醛树脂冻胶的动态成胶过程。随着渗透率的增大，动态成胶时间缩短，成胶后冻胶强度增大，建立了冻胶粘度和渗透率的定量关系；随着注入速度增大，酚醛树脂冻胶动态初始成胶时间先缩短后延长，最终成胶时间延长，冻胶强度降低，建立了聚合物冻胶粘度与剪切速率的定量关系。在此基础上，建立了不同渗透率下注入速度与剪切速率的关系，根据剪切速率与动态成胶后冻胶粘度的关系可选择不同渗透率下合适的注入速度。

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