毛細管法聚驅(qū)井下流體黏度測量的影響因素分析

房 乾

(大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司 黑龍江 大慶 163311)

0 引 言

聚合物驅(qū)油在國內(nèi)各油田已經(jīng)廣泛應用，在聚合物使用過程中，其溶液黏度大小和波及范圍對驅(qū)油具有顯著的影響，因此黏度是聚合物驅(qū)油效果的重要指標之一。將聚合物黏度與油藏動靜態(tài)資料相結合，對于流體性質(zhì)、儲層滲透率和產(chǎn)能評估非常有價值[1]，可為油藏精細描述提供數(shù)據(jù)支持，對注聚開發(fā)方案合理優(yōu)化及相關注聚剖面流量測量等具有重要實用意義[2]。利用毛細管法測量井下聚合物黏度可以一次下井對多個層位進行測量，測井效率高，避免了取樣化驗法多次取樣、無法在地面對井下流體進行實時監(jiān)測的弊端。相對于地面黏度測量的旋轉法和振動法[3]，針對井下密閉環(huán)境，毛細管法測量更加適合[4]，但由于測量對象包括非牛頓流體[5-6]，黏度測量受毛細管結構、節(jié)流速度、標準溶液降解以及刻度條件等因素影響，減少黏度測量誤差應綜合考慮以上多個因素。本文通過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場實際測井應用，詳細分析各因素對黏度測量的影響程度。

1 黏度測量原理

1.1 毛細管黏度測量原理

根據(jù)泊松定理，液體在一定壓力梯度下通過毛細管所需時間正比于層流液體的黏度，在毛細管結構確定的情況下，由液體流速和流體經(jīng)過毛細管產(chǎn)生的壓力差值即可算出液體的黏度。毛細管水平放置時,可去除液柱高度差對黏度測量的影響，液體黏度的計算如式(1)所示[7]。從黏度計算公式可以看出，在溫度一定下，與黏度相關的參數(shù)是毛細管的長度和內(nèi)徑、流體節(jié)流速度和測量的壓力梯度。

(1)

式(1)中：η為流體黏度， mPa·s；ΔP為毛細管兩端壓差， MPa；R為毛細管內(nèi)半徑，m；Q為通過流量, m3/d；L為毛細管長度，m。

1.2 毛細管黏度計工作原理

黏度計測量是利用活塞式吸液機構[8]，將待測流體吸入到吸液腔內(nèi)，使用內(nèi)置的壓力傳感器測量腔體初始壓力，然后控制活塞桿帶動活塞反向勻速運動，將待測液體從吸液腔另一端的毛細管勻速推出，由2次測量結果計算壓力差值[9]，再根據(jù)公式(1)計算流體黏度。在整個測量過程中，使用溫度傳感器監(jiān)測吸液腔內(nèi)的流體溫度，從而對測量黏度進行校正，黏度計結構如圖1所示。

1-活塞桿;2-活塞;3-吸液腔;4-溫度傳感器5-毛細管;6-壓力傳感器圖1 黏度計結構圖

2 影響因素分析

2.1 毛細管結構對黏度測量的影響

2.1.1 毛細管長度

受毛細管黏度計吸液腔空間結構的限制，嵌入的毛細管長度可以為1～10 cm。表1為內(nèi)徑0.75 mm的4種長度毛細管對應的壓力梯度，圖2為對應的壓力梯度曲線。從壓力梯度對比曲線可以看出毛細管為短管時(如圖2(a))，曲線斜率上升，相同的黏度需要輸出更大的壓力梯度，黏度測量的分辨率相對偏低；毛細管為長管時(如圖2(d))，壓力梯度反映更加明顯，相同測量黏度對應的壓力梯度更大。

表1 4種長度毛細管對應的壓力梯度

圖2 4種長度的毛細管對應的黏度-壓力梯度曲線

2.1.2 毛細管內(nèi)徑

由黏度計算公式可以看出，理論計算的黏度與毛細管內(nèi)徑的4次方成正比。表2為毛細管內(nèi)徑分別為0.75 mm和0.9 mm時，測得的壓力梯度值。圖3為對應的黏度-壓力梯度曲線。從圖3(a)和圖3(b)對比可以看出在相同的壓力梯度下，毛細管內(nèi)徑越小，對應的黏度越低。在已知標準黏度的情況下，毛細管越細，測得的壓力梯度越大，即黏度測量越靈敏。但是毛細管內(nèi)徑小于0.5 mm時，針對高黏度液體，黏度計傳動機構驅(qū)動阻力大，并且實際測井過程中，毛細管容易被小顆粒雜質(zhì)堵塞[10]。

表2 不同內(nèi)徑的毛細管對應的壓力梯度

圖3 2種內(nèi)徑的毛細管對應的黏度-壓力梯度曲線

2.2 節(jié)流速度對黏度測量的影響

節(jié)流速度是影響壓力梯度的另一個因素。對于黏度計來說，則體現(xiàn)在單向活塞的推動速度上。在室內(nèi)先后完成了噴射時間為75、120、245 s時對應的3種節(jié)流速度的黏度刻度試驗。表3～表5分別為3種噴射時間對應的高、中、低節(jié)流速度下的黏度刻度數(shù)據(jù)。圖4為3種噴射時間對應的黏度-壓力梯度對比曲線?？梢钥闯觯S著黏度的提高，黏度計輸出壓力梯度逐漸增大，變化明顯。

表3 噴射時間為75 s 時的黏度刻度數(shù)據(jù)

表4 噴射時間為120 s 時的黏度刻度數(shù)據(jù)

表5 噴射時間為245 s 時的黏度刻度數(shù)據(jù)

噴射時間越短，節(jié)流速度越快，針對低黏度測量分辨率越高，測井效率高；缺點是黏度超過100 mPa·s 后，曲線斜率增大，測量精度明顯下降，對傳動機構的驅(qū)動能力和吸液腔體的動密封要求較高。噴射時間越長，節(jié)流速度越慢，測量范圍越較寬，黏度與壓力梯度的線性關系越好，但是由于曲線斜率較大，低黏度測量誤差相對較大，同時儀器吸液和噴射時間長，測井效率比較低。為了保證低黏度測量精度，同時兼顧黏度測量范圍和測井效率，毛細管噴射速度采用120 s 比較合適，如圖4所示。

圖4 不同噴射時間下的黏度-壓力梯度曲線

2.3 刻度溶液對黏度測量的影響

黏度刻度標準溶液采用10組不同濃度的聚丙烯酰胺溶液，配比如表6所示。聚合物溶液配制后應在合適的時間內(nèi)使用，自然降解和剪切對溶液的黏度影響較大。

表6 標準聚合物溶液配比

2.3.1 自然降解

聚丙烯酰胺屬于高分子量、長分子鏈聚合物，其較長的分子鏈結構有利于在水中捕獲懸浮顆粒，形成膠狀物和絮團[11]。然而在溶液保存過程中，環(huán)境溫度過高、暴露時間過長，水中的礦物質(zhì)和微生物均可以破壞聚合物分子鏈結構，降低溶液的黏度[12]。表7為10組聚合物溶液在2個月前后黏度測量的變化，從表中可以看出低黏度損失偏小，10 mPa·s以上，黏度損失較大，10組溶液整體黏度損失達到19.2%。圖5為該溶液降解前后的黏度-濃度關系曲線。因此在使用聚合物溶液刻度時，應該保證溶解水的清潔，溶液應在陰涼處密閉保存，均勻熟化后應在一定時間內(nèi)使用。

表7 降解前后聚合物溶液黏度對比表

圖5 溶液降解前后的黏度-濃度關系曲線

2.3.2 剪切降解

在黏度計室內(nèi)試驗過程中，配制的聚合物溶液通過毛細管時，溶液高速噴射，流體會發(fā)生拉伸變形，發(fā)生機械剪切[13]。表8為噴射前后聚合物溶液的黏度對比。圖6為剪切前后聚合物溶液黏度-濃度關系曲線。從圖中可以看出，100 mPa·s以下，毛細管剪切對溶液黏度影響不大；100 mPa·s以上時，溶液發(fā)生剪切后，隨著黏度的增加粘損逐漸增大；濃度為2 000 mg/L時，黏度損失達到17%。由于在刻度黏度計時需要做大量的室內(nèi)試驗，為了避免溶液剪切給刻度帶來的影響，應加大標準溶液的配制量，避免溶液反復使用。

表8 剪切前后聚合物溶液黏度對比表

圖6 溶液剪切前后的黏度-濃度關系曲線

2.4 溫度對黏度測量的影響

黏度受溫度影響非常大，當溫度升高時，聚合物分子間距離加大，內(nèi)摩擦也隨之減小，溶液黏度值整體呈下降趨勢[14]。表9是濃度為200～1 800 mg/L的聚合物溶液分別在20、40、60和80 ℃時測量的黏度值。圖7為其黏度-溫度關系曲線。從圖中可以看出標準聚合物溶液黏度隨溫度的升高而逐漸降低，溫度每升高20 ℃，黏度降低20%～30%，特別是高黏度溶液，黏度隨溫度的升高而降低更加明顯。因此，為了減少黏度計的刻度誤差，儀器刻度的環(huán)境溫度應盡量與測量標準溶液的溫度一致。對于黏度刻度試驗，標準溶液應測量其不同溫度時的黏度值，建立黏度-溫度校正圖版。

表9 不同溫度時聚合物黏度對比

圖7 聚合物黏度-溫度關系曲線

2.5 試驗操作對黏度測量的影響

2.5.1 刻度操作

影響?zhàn)ざ扔嫓y量的另外一個重要因素是黏度刻度操作。標準溶液黏度測量由布氏黏度計完成，結構如圖8 所示。試驗過程中，布氏黏度計應水平放置，當溶液更換時，應及時清洗測量筒，擦拭轉子，如設備清洗不及時，殘液粘在轉子表面和測量筒內(nèi)，將影響下一個黏度值的測量。

圖8 布氏黏度計結構示意圖

2.5.2 背景壓力對黏度測量的影響

黏度計測量的壓力梯度是由毛細管噴射前后的壓力差值計算的，在室內(nèi)刻度黏度計時，大氣壓相對恒定，測得的壓差不受環(huán)境干擾。但是在井下測量聚合物時，在儀器起下過程中需要開關井，通過連續(xù)測井曲線和定點監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)壓力曲線經(jīng)常出現(xiàn)波動現(xiàn)象。圖9為X6-1-X井的壓力梯度曲線，從圖9(a)中可以看出，在毛細管噴射過程中，井筒內(nèi)的壓力存在波動，此時測得的壓力梯度受儀器外部干擾較大。因此黏度測量應在井內(nèi)壓力平穩(wěn)階段進行，利用溫度和壓力測井參數(shù)監(jiān)測吸液腔外的背景壓力，選擇合適的壓力梯度曲線，如圖9(b)所示。

圖9 X6-1-X井壓力梯度測井曲線

3 結 論

1)黏度測量中毛細管尺寸的選擇應保證壓力梯度明顯，同時考慮避免毛細管堵塞。

2)毛細管節(jié)流速度應適中，既保證黏度-壓力梯度曲線有較好的分辨率，又要兼顧黏度計電機驅(qū)動能力和測井效率。

3)配置聚合物溶液要減少人工剪切和自然降解對溶液黏度的損失。

4)應該注意溶液保存溫度和黏度測量溫度，建立不同溫度下的黏度刻度曲線，以減少溫度對測量的影響。

5)使用布氏黏度計刻度黏度時，應減少殘留溶液沾污，減少操作誤差。

6)黏度測井應選擇井筒壓力穩(wěn)定階段進行，對井下雜質(zhì)的影響和井液波動影響加以鑒別并減少其影響。