射孔參數對注聚溶液黏度影響研究

張 翼，王杰祥，冉雪玲

(1.中國石油大學(華東)石油工程學院，山東 青島 266580；2.遼河油田勘探開發研究院，遼寧 盤錦 124010)

注聚井聚合物溶液在整個注入過程中，其黏度會受地面管線與設備、注聚工藝、井下管柱、配注設備、完井方式及近井地帶的剪切作用而大幅度降低，尤其是射孔孔眼附近的高速剪切會使聚合物溶液發生機械降解從而黏度損失嚴重[1-2]。礦場試驗表明，聚合物溶液的黏度在地面注入系統和射孔孔眼附近的損失最為嚴重[3-5]。據統計，從注入井口到檢測井聚合物溶液黏度損失可達66.7%[6]，而射孔孔眼處的黏度損失大于28.8%[7]。本文重點研究射孔參數對聚合物溶液孔眼處黏度的影響規律，為射孔完井參數合理選定提供依據。

1 聚合物溶液在射孔孔眼處的黏度損失機理

聚合物溶液是一種高分子非牛頓流體，對剪切作用十分敏感，溶液黏度隨剪切速率的增大而降低，屬于假塑性流體。黏度是液體分子運動時分子間內摩擦力的體現，在剪切作用下，聚合物溶液互相靠近的卷曲的大分子線團被分離、拉伸，溶液黏度降低；低剪切速率下，大分子線團變形程度低、拉伸取向小，溶液可保持較高的黏度；隨著剪切速率增加，大分子線團被拆散，卷曲的分子鏈被拉直從而有利于分子間的相互滑動而黏度降低。當剪切作用消失后，大分子鏈又重新抱團、卷曲恢復原有黏度，此現象即為假塑性流體的剪切變稀。當剪切速率極大，聚合物溶液內的大分子鏈將被剪斷，剪切作用消失后，分子鏈無法恢復如初，溶液黏度永久性損失，即為機械剪切降解。剪切變稀與機械降解本質區別為前者只是受力后分子形態改變，外力消失后形態恢復，黏度如初；后者為分子鏈斷裂為小分子，外力消失后無法恢復，黏度損失[8]。

圖1為注聚管柱及射孔完井近井地帶示意圖。聚合物溶液從配聚器流出后，經油套環空過射孔孔眼注入地層。孔眼前端的套管壁與水泥環為不滲透帶，聚合物溶液在其中流動可視為冪律流體圓管流動，之后經壓實帶滲流入近井地帶地層。經過孔眼時的高速剪切造成聚合物溶液大分子鏈斷裂，溶液黏度大幅度下降，過低的溶液黏度將影響聚驅效果。為研究進入地層前溶液黏度的影響因素，將上述流動過程簡化為圖2所示的流動狀態示意圖。

由圖2可以看出，聚合物溶液流出配聚器后進入油套環空，流至2-2截面后進入孔眼。在2-2截面的縮徑處，流體速度突然增大引起溶液高速剪切，其與截面處的尖銳倒角共同作用導致溶液大分子鏈斷裂，產生黏度機械降解；在1-1截面后，流體與壁面發生碰撞而改變方向，主流外形成渦流區，增大了剪切速率；截面3-3之后為孔眼壓實帶部分，聚合物溶液滲流進入地層。

圖1 注聚管柱及射孔完井近井地帶示意圖Fig.1 Schematic diagram of polymer injection stringand perforation hole near well bore

圖2 射孔孔眼處流動示意圖Fig.2 Flow diagram at perforation hole

2 射孔孔眼內聚合物溶液黏度分析

聚合物溶液這種非牛頓假塑性流體的黏度較大，流動中雷諾數較小，因此圓管中冪律流體層流理論在工程上更實用。聚合物溶液在孔眼內未進入地層時，應用冪律流體圓管層流理論研究其表觀黏度。冪律流體的本構方程見式(1)。

τ=Kγn

(1)

式中：τ為剪切應力，N；γ為剪切速率，s-1；K為稠度系數，mPa·sn；n為冪律流體的流變指數。

冪律流體圓管層流表觀黏度見式(2)[9]。

(2)

式中,μ為流體流動表觀黏度,mPa·s。設層段內的注入流量為Q，則每個孔眼內流量計算見式(3)。

(3)

式中：q為射孔孔眼內流量，m3/s；m為射孔密度，孔/m；h為射孔段長度，m。孔眼內流速計算見式(4)。

(4)

式中：v為孔眼內流速，m/s；d為孔眼直徑，m。將式(4)代入式(2)得聚合物溶液孔眼內流動表觀黏度，見式(5)。

(5)

由式(5)可知，影響聚合物溶液孔眼內黏度的因素有聚合物自身性質參數，n和K值；有設計與工程施工參數Q、m、h、和d，結合現場應用，研究這些參數對孔眼內聚合物溶液黏度的影響。取聚合物溶液流變指數n=0.702，稠度系數K=101.64 mPa·sn，射孔段長度5 m，射孔孔眼直徑d=0.012 m，在不同射孔密度m下，做孔眼內聚合物溶液流動表觀黏度μa與流量Q的關系曲線，如圖3所示。

圖3 孔徑12 mm、射孔段長5 m時不同射孔密度下表觀黏度與流量關系Fig.3 Apparent viscosity and low rate under differentperforation densities when the perforation holediameter is 12 mm and the perforationsection length is 5 m

由圖3可以看出，溶液的表觀黏度隨著流量增大而下降，其對流量的敏感度也逐漸減小。射孔密度越大，孔眼內溶液的表觀黏度越大，但不同孔密下黏度的差別較小。射孔孔眼附近的近井地帶地層孔隙對高速流入的聚合物溶液剪切速率高[10]，溶液黏損大，過低的黏度將影響聚驅效率，因此，溶液黏度在進入地層前應保持在合理范圍內。有文獻中建議以20 mPa·s為黏度界限[11]，在圖3中做y=20直線，與曲線交點橫作標即為不同射孔密度下的極限注入流量。

圖4 孔密16孔/m、射孔段長5 m時不同孔徑下表觀黏度與流量關系Fig.4 Apparent viscosity and flow rate under differentperforation hole diameter when the perforationdensity is 16 holes/m and the perforationsection length is 5m

圖4為不同射孔孔徑下，孔眼內聚合物溶液流動表觀黏度μa與流量Q的關系曲線，其他參數為流變指數n=0.702，稠度系數K=101.64 mPa·sn，射孔段長度5 m，射孔密度m=16孔/m。由圖4可以看出，射孔孔徑d對溶液表觀黏度影響大，不同孔徑下黏度差別很大，孔徑越大，表觀黏度越大。做y=20直線，與曲線交點處的橫作標即為不同孔徑下極限注入流量。此參數下，當孔徑較小時，d=8 mm，其極限流量為100 m3/d；當孔徑大于16 mm時，其極限流量大于500 m3/d。

3 射孔孔眼處聚合物溶液的黏損

孔眼處的高速剪切造成溶液黏損，不同因素共同影響黏損的大小，其中流量是最主要的影響因素。圖2中，截面3-3與截面1-1處的表觀黏度之比，體現了聚合物溶液在截面2-2前后剪切速率的變化情況，黏度比值越小，剪切速率變化越大，黏度損失越大，因此，以兩截面處的黏度比來表征黏度損失。截面1-1處溶液的流速計算見式(6)。

(6)

式中：v′為聚合物溶液油套環空中流速，m/s；D為套管內徑，m。將式(6)帶入式(2)得截面1-1處表觀黏度，見式(7)。

(7)

孔眼內與油套環空內黏度比，見式(8)。

(8)

分析式(8)，影響黏度比即黏損的因素有流變指數n，套管內徑D，射孔密度m與射孔孔徑d。4個參數中，將3個參數固定，變化第4個參數，得到不同參數對黏損的影響規律，如圖5所示。

圖5 不同參數對聚合物溶液孔眼處黏損影響Fig.5 The influence of different parameters on the viscosity loss at the perforation hole

從圖5可以看出，流變指數n越大，黏度比越大，溶液黏損越小。n代表溶液的非牛頓性，牛頓流體n=1，n值越小，非牛頓性越強，溶液黏度往往也越大。圖5中，較小的n值其黏度比低、黏損大，即溶液黏度越高其黏損越大，這也與現場取樣所測結果[12]相符。當n=1時為牛頓流體，孔眼前后黏度不變，所以黏度比值為1。

隨著射孔密度的增大，其對聚合物溶液的黏損影響也漸漸變小，且射孔密度越大，黏損越小。當射孔密度較大時，單個孔眼處的流量可相對減少，黏損減小。

聚合物溶液的黏損對套管內徑的敏感性隨其增大而減弱，套管內徑越大，孔眼處速度梯度越大，黏損越大。

射孔孔徑對黏損的影響趨勢穩定，孔徑越大，溶液黏損越小。孔徑的大小體現縮徑的強弱，孔徑越小，縮徑越強，其對聚合物溶液剪切強度越大。

4 結 論

1) 針對射孔完井的注聚井，分析聚合物溶液在射孔孔眼處的黏度損失機理，采用冪律模型，研究不同參數對孔眼內黏度與孔眼前后黏損的影響。

2) 孔眼內聚合物溶液的表觀黏度隨著流量增大而減小，其對流量的敏感度也逐漸減小。射孔密度越大，孔眼內溶液的表觀黏度越大，但不同孔密下黏度的差別小。為保持聚合物溶液黏度的有效性，不同射孔密度下存在極限注入流量。射孔孔徑對孔眼內聚合物溶液表觀黏度影響很大，孔徑越大，表觀黏度越大。不同孔徑下的極限流量差別也很大。

3) 不同參數對溶液在孔眼處黏損影響趨勢不同。流變指數n越大，溶液黏損越小。隨著射孔密度的增大，其對孔眼處聚合物溶液的黏損影響變小，且黏損減小。聚合物溶液的黏損對套管內徑的敏感性隨其增大而減弱，黏損增加。射孔孔徑對溶液黏損的影響趨勢穩定，孔徑越大，黏損越小。