聚合物溶液在多孔介质中流动规律实验研究

由于孔隙介质的复杂性和聚合物溶液的黏弹性,导致聚合物溶液在多孔介质中流动与在流变仪中的流动相比更加复杂,同时聚合物溶液在多孔介质中的流动规律直接关系到驱油方案的制定。因此本研究设计并开展了聚合物溶液(部分水解聚丙烯酰胺)在岩心中流动参数测定实验,给出了岩心渗透率、聚合物溶液质量浓度、聚合物相对分子质量、聚合物溶液注入速度对阻力系数、岩心中流动黏度的影响规律。结果表明,聚合物溶液存在一个临界质量浓度,当溶液质量浓度低于临界质量浓度时,阻力系数与表观黏度基本相等;当溶液质量浓度高于临界质量浓度时,阻力系数远小于溶液表观黏度,且随着溶液质量浓度增加,两者之间差值增大。聚合物溶液在岩心中流动黏度远小于溶液在流变仪中表观黏度,且随着溶液质量浓度增加,溶液在岩心中流动黏度的增加幅度远小于溶液表观黏度的增加幅度。     

聚合物溶液的流变性及其在多孔介质流动中的应用

本文通过对聚合物溶液流变性的实验研究,得到了聚合物溶液的实用流变特性,并推广应用到多孔介质流动中,在此基础上建立了聚合物溶液驱油的相对渗透率计算模型。     

多孔介质中滞留聚合物分子的粘弹效应模型

本文对三种不同的人造岩心用部分水解聚丙烯酰胺溶液进行了流动试验,发现在水泥和环氧树脂胶结的不均质石英砂岩心中具有粘弹效应;而在致密的磷酸铝烧结的刚玉砂岩心中未发现粘弹效应。根据测出的残余效应系数分析,认为这可能与岩心的孔隙结构、渗透率等因素有关。对存在粘弹效应的岩心,基于开尔文模型,作者提出了多孔介质中滞留聚合物分子产生回复形变的数学模型。 对于试验曲线,用最小二乘法拟合出流量与时间的关系式,它与聚合物分子回复形变的数学模型具有一致形式,于是本文从理论上论证了滞留有聚合物分子的多孔介质中,在降低水的流动压差至稳定后,流量随时间呈指数变化的规律是滞留聚合物分子的粘弹性造成的。     

多孔介质中低速气体的非线性渗流

在多孔介质中 ,通过对低速渗流气体的摩阻系数 f与雷诺数Re的实验关系分析得出 ,随着雷诺数减小 ,气体的渗流规律表现出由遵从达西线性关系连续转变为非线性关系 ,其转变所对应的雷诺数 Rec =(1.0 ～ 4.4)× 10 -4 。由动力学分析可知 ,低速渗流气体出现的非线性现象是由气体分子与孔隙壁的作用引起 ,并给出了相应条件下渗流速度V与压力梯度Δp/ΔL的关系     

多孔介质剪切作用对聚合物溶液有效黏度的影响

聚合物溶液在驱油过程中的黏性损失直接影响其波及效果,模拟研究聚合物溶液在岩心中黏度损失具有重要意义。使用特定聚合物HPAM溶液在不同尺度岩心中渗流达到稳定,采用面积积分法,建立剪切作用对黏度损失贡献率的变化规律曲线。结果表明,HPAM溶液在近井地带高速流动时,剪切作用在黏度损失中的贡献率可达到100%,而对聚合物溶液渗流前缘影响较小,前缘黏度损失主要受滞留和水稀释作用的影响。质量浓度为1.5 gL的HPAM溶液与1.8 gL的相比,剪切作用易达到稳定,对黏度损失贡献率较小。     

缔合聚合物在多孔介质中的缔合行为研究

根据缔合聚合物通过疏水侧链的缔合作用形成大尺寸聚集体的作用机理,提出利用具有两亲腔体独特结构的β-环糊精控制缔合聚合物的缔合程度,并利用聚合物溶液黏度间接计算缔合聚合物在多孔介质中的缔合程度。实验从β-环糊精质量分数对缔合聚合物黏度、聚合物聚集体形态、缔合聚合物在不同渗透率条件下的缔合程度几方面研究了缔合聚合物在多孔介质中的缔合行为。结果表明,β-环糊精仅对缔合聚合物的疏水侧链进行包裹,而对缔合聚合物分子主链和线性聚合物分子结构没有影响,缔合聚合物缔合黏度对表观黏度的贡献率超过94%。缔合聚合物在多孔介质中的缔合程度随渗透率增加而增加,同时由于缔合与解缔合作用的存在,缔合聚合物形成的聚集体尺寸更易与岩心孔喉尺寸相匹配,缔合聚合物渗透率在4 000×10~(-3)μm~2以下,岩心中的缔合程度均小于10%。     

阳离子聚合物在多孔介质中的水动力学吸附

为研究聚合物和盐水注入速度对阳离子聚合物在多孔介质中吸附的影响,用碳化硅颗粒制作填砂模型,进行了恒温驱替实验,根据测试的残余阻力系数计算不同注入速度下的聚合物吸附层厚度。结果表明,阳离子聚合物在多孔介质中的吸附主要受静电引力和水动力的影响。在低的聚合物注速时,静电引力起主导作用;而在较高注速时,水动力起主导作用。聚合物注入速度增加,吸附层厚度呈线性增加,从 290 nm增加到 1 510 nm。盐水注入速度(后置液)对吸附层厚度也有一定影响,吸附层厚度随盐水注速增加而增加。提高聚合物溶液和后置盐水溶液的注入速度,有利于改善地层岩石的聚合物吸附能力,提高堵水效果。     

亲水多孔介质残余油滴的微观运移机理

为分析高含水期剩余油微观分布特征,以毛细束渗流模型为基础,建立油滴状残余油微观渗流模型,推导毛细管中油、水微观运动方程,进而导出基于微观渗流模型条件下油、水相对渗透率表达式;分析毛细管半径、驱替压力梯度、油滴与水滴的长度比、油滴半径和原油黏度对油、水相对渗透率的影响.结果表明:随着毛细管半径增大,相对渗透率曲线向右平移;随着驱替压力梯度增大,油、水两相相对渗透率增加;随着油滴与水滴长度比的减小,水相相对渗透率曲线陡峭上升;随着油滴半径减小,油相相对渗透率提高;原油黏度越大,油相相对渗透率下降越快.该结果为分析高含水期残余油渗流机理及提高采收率提供指导.     

多孔介质中不混溶两相渗流的本构关系

针对描述多孔介质渗流的传统关系模型中毛细压力与饱和度之间关系的不唯一性,基于宏观连续介质理论以及体积、质量、动量守恒定律,以残余饱和度作为状态变量,建立了多孔介质中两相不易混溶不可压缩流体毛细压力、相对渗透率、饱和度之间新的关系模型.与传统方法相比,建立的模型更具一般性,且需要的参数量更少,而且模型中毛管压力以及相对渗透率函数是以一个闭合的显式表达式来表示的;实验结果表明,模型可以很好地描述不混溶两相流体的驱替过程,而且可以解释毛管压力对过程的依赖性以及滞后现象,获取相关参数后,模型可以用来预测残余饱和度的时空分布特征.     

粘弹性聚合物溶液对残余油膜的作用机理

针对水驱后残余油膜的存在形式，厦油藏孔隙内聚合物溶液粘弹特性，选取具有相继收敛和扩张特性的波纹管模型和广泛用于数值计算粘弹性流体的上随体Maxwell本构方程，建立了由连续性方程、运动方程和上随体Maxwell本构方程、流函数、涡量函数及边界争件组成的较完整的数学模型。通过有效的数值求解，从力学的角度提出聚合物驱在理论上提高驱油效率的机理是：（1）粘弹性聚合物溶液产生的第一法向应力和剪切应力对油膜的携带作用大于相同粘度的牛顿流体产生的剪切应力时油膜的携带作用，从而可携带部分残余油膜流动；（2）粘弹性聚合物溶液与牛顿流体相比，相同流函数值的流线位置发生改变，其波及范围大于相同粘度的牛顿流体。     

两相热渗流与多孔介质耦合作用研究

基于连续介质力学及流固耦合力学的基本理论,在黑油、岩石多相热渗流理论模型的基础上,建立了非混溶饱和两相热渗流与变形多孔介质耦合作用的数学模型,对流因耦合热效应进行了讨论,将所推证数学的模型方程做进一步处理与简化,给出模型方程数值分析的数学格式,并进行了一般情形下的模拟。     

嵌入不透水球体复合多孔介质渗流场分析

嵌入不透水球体的复合多孔介质广泛存在于地下水渗流领域,由于不透水球体的影响,多孔介质中的水在流经不透水球体时发生绕流,且距离球体越近绕流现象越明显。为求解该复合介质的渗流场和等效渗透系数,在球坐标系下采用非线性Brinkman-extended Darcy方程,以无穷远处单向来流均匀和球面不滑移条件作为边界条件,求解出球体周围渗流流速与压强的解析解。分析该解析解表达式可知,此复合介质渗流场流速和压强分布与多孔介质基质的渗透率和地下水动力粘滞系数有关。在此基础上对渗流场流速进行积分,求出了Darcy流平均流速,并将平均流速表达式与Darcy公式表达式进行对比,得出等效渗透系数表达式,并且理论证明球体与多孔介质的相对尺寸是影响复合介质等效渗透系数的最主要因素。最后以一定级配的砂作为多孔介质基质,用直径分别为4cm、6cm、8cm的三种有机玻璃球体作为不透水球体,自制试验装置,开展了嵌入不透水球体复合多孔介质的常水头渗流试验。试验中控制多孔介质基质的压实度来保证其渗透系数基本不变,改变填充在多孔介质基质中的不透水球体进行渗流试验,对每一个不透水球体分别进行三组试验,取平均值作为试验结果。试验结果与理论计算的等效渗透系数值误差较小,验证了所推求嵌入不透水球体复合多孔介质渗流场的正确性。     

亲油多孔介质残余油膜的微观运移机理

为研究亲油多孔介质中残余油膜的微观运移机理,以毛细管渗流模型为基础,结合边界层理论,建立膜状残余油微观渗流模型.根据亲油多孔介质中膜状残余油的分布特征,推导毛细管中油、水微观运移方程;改进毛细管模型,推导不等径毛细管模型的油水相对渗透率表达式,得到相对渗透率曲线,分析毛细管半径、边界层厚度和流体黏度对相对渗透率曲线的影响.结果表明:随着毛细管半径增大,相对渗透率曲线向左逐渐平移;随着边界层厚度减小,相对渗透率曲线向左逐渐平移;随着油黏度增大,水相的相对渗透率曲线向右下方逐渐平移,油相的相对渗透率曲线没有变化.该结果对分析高含水期残余油渗流机理及提高采收率提供理论指导.     

碱在多孔介质中传输机理

运用数值模拟的方法对碱在多孔介质中的传输机理进行了研究.研究结果表明,数值解与实验值有良好的一致性;综合吸附作用使得碱运移存在着严重的滞后现象,使得碱在多孔介质中段塞浓度下降,削弱了化学剂的驱油效率,影响其在多孔介质中的波及体积;综合扩散作用不仅使碱迅速的扩散到岩心中更大范围,扩大了波及体积,而且扩散作用使得碱的有效浓度降低,以及在岩心出口过早的排出,使得碱驱替的有效期变短,降低了驱油效率,为了保持段塞浓度,势必要增加段塞尺寸,这就要提高经济成本;段塞尺寸过小可能在岩心中完全形成无效驱替带,因此应该结合实际情况来考虑段塞尺寸.     

孔隙介质中滞留聚合物分子的粘弹效应系数

本文在文献[1]的基础上做了进一步的试验研究,发现慢速降压过程流速对时间的依赖关系呈指数曲线形式,同时进行了慢速升压试验,同样发现流速与时间的指数关系。文中对文献[1]定义的附加残余效应系数提出了修改,重新定义为滞留分子粘弹效应系数,对降压过程和升压过程的粘弹效应系数进行了对比。通过岩心出口液浓度数据,证实了文中描述的粘弹效应机理和分子构象改变的物理模型的可靠性。