薛新生张 健舒 政杨 光赵文森

（1.海洋石油高效开发国家重点实验室； 2.中海油研究总院； 3.西南石油大学）

聚合物近井地带剪切模拟装置的研制*

薛新生1，2张 健1，2舒 政3杨 光1，2赵文森1，2

（1.海洋石油高效开发国家重点实验室； 2.中海油研究总院； 3.西南石油大学）

按照“剪切介质相同或相似、剪切方式相同、剪切距离相等和剪切速度相同”的设计思路与原则，设计并研制了一种聚合物近井地带剪切模拟装置。采用渤海某油田注聚井实施聚合物氮气举升返排的聚合物及油藏条件、注聚工艺参数对该模拟装置进行了实验验证，结果表明：该模拟装置实验结果具有良好的可重复性，且与矿场实际结果吻合度较高，可以有效模拟聚合物溶液在近井地带实际的剪切情况。

聚合物；近井地带；剪切；模拟装置；装置设计；实验验证

聚合物溶液“使用性能”（即聚合物驱油体系进入地层后的溶液性能）与室内评价性能间的差异影响了聚合物驱的物理模拟及相关决策等工作，其原因是缺少能够模拟近井地带聚合物溶液渗流历程的实验装置。目前，国内外主要采用吴茵搅拌器剪切［1-4］、毛细管剪切［5］、岩心剪切［6］、射孔炮眼剪切试验装置［7-8］等方法模拟聚合物溶液经过近井地带的剪切，但这些方法均存在一定的局限性，不能有效反映聚合物经历介质、流速、流态、距离等方面的实际变化（表1）。我国大庆油田［9］、胜利油田［10-12］、华北油田［13］等陆上油田采用矿场方法获得了聚合物溶液的使用性能以弥补上述方法的不足，中国海油也在渤海某注聚井实施了氮气举升，但由于各油田所用的聚合物类型、油藏条件、注入工艺参数、注入层厚度、吸水强度、完井防砂工艺等存在差异，因此所获得的结果都只对各自油田具有参考意义，相互之间不具备可比性。为解决这个问题，笔者设计并研制了一种能够模拟聚合物溶液经历近井地带过程的装置——近井地带剪切模拟装置。实验结果表明，所研制的近井地带剪切模拟装置实验具有可重复性，能够有效模拟聚合物溶液在近井地带的实际剪切情况，为聚合物溶液性能评价提供了有效手段。

表1 现有室内模拟聚合物近井地带剪切方法特点对比

1 聚合物近井地带剪切模拟装置的设计

1.1 设计思路

针对现有评价方法存在的问题，结合渤海油田的实际情况，按照“剪切介质相同或相似、剪切方式相同、剪切距离相等、剪切速度相同”的原则，设计近井地带剪切模拟装置，然后与注聚井氮气返吐聚合物溶液性能进行对比，验证方法的有效性。

1.2 实现方法

1）选用相同的筛管、套管、砾石、水泥制作完井、防砂、水泥环等，实现近井地带介质的相同；采用石英砂或露头砂按照渗透率和孔隙度相近的原则填制，实现近井地带介质的相似；制作一个等长等径的孔，然后在内部充填砾石，实现射孔炮眼仿真；由于注水或注聚的反复冲洗，采用石英砂按照孔隙度相近的原则填制或模糊处理射孔炮眼的压实带。通过上述方法实现近井地带剪切介质的相同或相似。

2）根据渤海某油田实际的完井工艺和防砂工艺，按照筛管、砾石、套管、水泥环、射孔炮眼、压实带、近井地带地层的顺序，以及实际参数确定厚度和径向尺寸等，保证渗流过程中剪切介质及其排放位置的相同或相似，实现剪切方式的相同。

3）按照实际顺序排放介质，介质间距离与实际距离相同，实现剪切距离的相等。

4）设计过流面积与实际过流面积相等、注入流量与实际注入流量相等，通过过流径向尺寸变化与轴线方向距离相等实现剪切强度的连续变化及瞬时剪切强度的相同。

为了实现设计过流面积与实际过流面积相等，将近井地带地层渗流过程做如下假设：①单位厚度地层内流体通过射孔炮眼平均分配流量，即单位时间内通过射孔炮眼的流体的体积相等；②单位厚度的近井地带地层同一剖面各点渗流速度相等，流向是以井筒中心为轴心的径向流。

注入地层的流体均匀分配给每个射孔炮眼，经过射孔炮眼及压实带后又均匀分布在近井地带地层中，并以径向流流动。此时可以把近井地带地层按照射孔密度划分为以单个射孔炮眼为单位的组合体，流体的流态、流线、流速、距离、介质、压力等均未发生变化，从而实现上述“剪切介质相同或相似、剪切方式相同、剪切距离相等、剪切强度相同”的原则。

1.3 设计尺寸

如图1所示，设聚合物近井地带射孔密度为ns，边缘距离井筒中心的距离为L、圆柱体高度为h，则近井地带圆柱体在L处的过流面积为

单个射孔炮眼对应的过流面积为

式（1）、（2）中：AL为距离井筒中心L、厚度为h的近井地带圆柱体面积，m2；As为单个射孔分配的过流面积，m2；L为近井地带边缘距离井筒中心的距离，m；h为近井地带圆柱体高度，m；ns为射孔密度，孔／m。

对整个圆柱体而言，过流面积与距离井筒中心的距离有关。距离井筒中心的距离越近，则过流面积越小。如果把单个射孔炮眼分配的过流面积按照以井筒中心为圆心进行径向分布，则单个射孔炮眼分配获得的是一个圆台体。其一端为筛管内壁，另外一端为距离井筒中心L距离的位置；其径向截面为一个圆，从左向右介质依次为筛管、砾石充填层、套管、水泥环、射孔炮眼（充填砾石）、压实带、近井地带地层。

图1 聚合物近井地带剪切模拟装置设计思路示意图

将不渗流带与砾石充填层的直径和筛管直径做近似处理以便于实施，以砾石充填层中心层直径为此段直径，其他部分为连续变化直径，得到模拟装置雏形。圆台体某目标位置（装置中相应位置）等效圆直径为

式（3）中：A为目标位置（装置中相应位置）的截面积，m2；d为目标位置（装置中相应位置）等效圆的直径，m。

以渤海某油田为例。该油田采用φ244.475 mm套管，壁厚10.5 mm；完井段采用φ311.15 mm钻头，井眼扩径按10%计算；防砂采用φ139.7 mm筛管，壁厚27.94 mm；射孔密度39孔／m，射孔直径20.07 mm，射孔深度198.97 mm。由《钻井测试手册》［14］及式（1）～（3）计算得到的近井地带和模拟装置尺寸计算结果见表2。

表2 聚合物近井地带剪切模拟装置节点尺寸计算结果

由表2数据确定砾石充填层内径为140 mm，水泥环外径处装置尺寸为174 mm。装置的长度需要根据对流速衰减的幅度要求进行确定，而流速的变化决定了剪切速率的变化，可以通过下面的公式进行计算。

由Jennings剪切速率模型［15］，得到剪切速率的计算公式：

式（4）中：˙γ为剪切速率，s－1；φ为孔隙度，%；v为渗流速度，m／d；K为渗透率，μm2；n为聚合物溶液的幂率指数，无因次量；a为与单位换算有关的系数，无因次量。

根据质量守恒原理和质点的连续性，在射孔孔眼入口和距离井筒中心轴线L处，有

则流速的衰减幅度为

将Jennings剪切速率模型与式（5）、（6）结合，得到剪切速率衰减幅度的计算公式

式（5）～（7）中：vs为射孔炮眼渗流速度，m／d；rs为射孔炮眼半径，m；˙γs为射孔炮眼剪切速率，s－1；φs为射孔炮眼砾石充填层孔隙度，%；vL为距离井筒中心L的渗流速度，m／d；φL为距离井筒中心L的地层孔隙度，%；˙γ为剪切速率，s－1；˙γL为距离井筒中心L的剪切速率，s－1；Ks为射孔炮眼砾石充填层渗透率，μm2；KL为距离井筒中心L地层渗透率，μm2；其他符号含义同前。

将渤海某油田完井工艺及防砂工艺的实际参数值射孔密度ns＝39孔／m、rs＝1.003 5 cm、φs＝37%、Ks＝60μm2、φL＝28%、KL＝2.5μm2、石英砂密度2.65 g／cm3、n＝0.87代入式（1）～（7），计算结果见表3和表4。

表3 聚合物近井地带剪切模拟装置的基本长度／mm

表4 聚合物近井地带剪切模拟装置的长度与衰减幅度及装置质量的关系

由表3、4可以得出：装置总长度为249 mm时将导致射孔炮眼的尾端直接与外界连通，因此不可取；装置总长度为308、808、1 108 mm时可满足尺寸、流速及剪切速率衰减幅度要求，但在流速及剪切速率衰减幅度相近的条件下，装置总长度为808、1 108 mm时装置质量增幅超过30%，造成不必要的耗材及操作不便。故选择近井地带剪切模拟装置总长度为308 mm，各节点结构尺寸及样机如图2所示。

图2 聚合物近井地带剪切模拟装置节点结构尺寸与样机

2 装置有效性的实验验证

模拟装置的有效性包括数据的重复性及其与实际矿场结果数据的吻合性。

采用2005年渤海某油田注聚井实施聚合物氮气返吐取样［16］的聚合物及油藏条件、注聚工艺参数进行实验验证。

2.1 实验流程

聚合物近井地带剪切实验流程如图3所示。实验采用的聚合物为疏水缔合聚合物AP-P4，目标液浓度为1 750 mg／L，实验温度为室温。

2.2 实验结果的可重复性验证

采用渤海某油田现场水源井水配制疏水缔合聚合物AP-P4母液，采用生产污水稀释至目标液，根据该油田吸水强度统计结果，选择10、20 m3／（m·d）的剪切强度分别按照上述流程剪切目标液，承接10PV后的聚合物溶液，比较其剪切前后溶液性能的变化，实验结果见表5。从表5可以看出：剪切后疏水缔合聚合物溶液剪切粘度保留率相对误差在10%以内。从聚合物溶液性能与测试仪器（布氏粘度计，美国Brookfield公司LV-DVIII）的精度来看，近井地带剪切模拟装置能够获得较好重复性的实验结果。

图3 近井地带剪切实验流程图

表5 疏水缔合聚合物近井地带剪切实验结果

2.3 实验结果与矿场结果的对比

采用渤海某油田水源井水配制疏水缔合聚合物AP-P4的母液和目标液，并与该油田注聚井氮气举升返排聚合物溶液性能进行对比，结果见表6。由表6可以看出，近井地带剪切模拟装置剪切获得的疏水缔合聚合物溶液粘度保留率与氮气返排出溶液的粘度保留率结果相近，均在30%左右。

表6 疏水缔合聚合物溶液经近井地带剪切模拟装置后性能与氮气返排出溶液性能对比

3 结论

1）结合渤海某油田完井防砂工艺及油藏条件，设计并研制出了一种聚合物近井地带剪切模拟装置。

2）采用2005年渤海某油田注聚井实施聚合物氮气举升返排聚合物溶液性能进行了实验验证，结果表明本文研制的近井地带剪切模拟装置实验结果具有良好的可重复现性，且与矿场实际结果吻合度较高，可以有效模拟聚合物溶液在近井地带实际的剪切情况。

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Development of a shearing simulation device for polymer in near borehole zones

Xue Xinsheng1，2zhang Jian1，2Shu zheng3Yang Guang1，2zhao Wensen1，2
（1.State Key Lab of Offshore Oil Exploitation，Beijing，100027；2.CNOOC Research Institute，Beijing，100027；3.Southwest Petroleum University，Chengdu，637001）

In accordance with the design ideas and principles of“the same or similar shear medium，the same shearing way，the equivalent shearing distance and the same shearing velocity”，a shearing simulation device for polymer in near borehole zones was designed and developed．Using the same polymer，reservoir conditions and polymer injection technical parameters adopted by a polymer injection well with nitrogen assistant flow back in Bohai Sea，experimental verification was conducted with the device．The results showed that the experiment behavior of simulation device exhibited excellent repeatability and high conformity with oilfield results．It was revealed that the simulation device can be used to simulate the polymer shearing in the actual near borehole area effectively．

polymer；the near borehole zones；shearing；simulation device；device design；experimental verification

2013-02-28改回日期：2013-05-21

（编辑：孙丰成）

*“十二五”国家科技重大专项课题“海上稠油化学驱油技术（编号：2011z X05024-004）”部分研究成果。

薛新生，男，高级工程师，博士，1994年毕业于原西南石油学院应用化学专业，现在中海油研究总院从事提高采收率相关研究工作。E-mail：xuexsh＠cnooc．com．cn。