张 翼，王杰祥，冉雪玲

(1.中国石油大学(华东)石油工程学院，山东 青岛 266580；2.辽河油田勘探开发研究院，辽宁 盘锦 124010)

注聚井聚合物溶液在整个注入过程中，其黏度会受地面管线与设备、注聚工艺、井下管柱、配注设备、完井方式及近井地带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会使聚合物溶液发生机械降解从而黏度损失严重[1-2]。矿场试验表明，聚合物溶液的黏度在地面注入系统和射孔孔眼附近的损失最为严重[3-5]。据统计，从注入井口到检测井聚合物溶液黏度损失可达66.7%[6]，而射孔孔眼处的黏度损失大于28.8%[7]。本文重点研究射孔参数对聚合物溶液孔眼处黏度的影响规律，为射孔完井参数合理选定提供依据。

1 聚合物溶液在射孔孔眼处的黏度损失机理

聚合物溶液是一种高分子非牛顿流体，对剪切作用十分敏感，溶液黏度随剪切速率的增大而降低，属于假塑性流体。黏度是液体分子运动时分子间内摩擦力的体现，在剪切作用下，聚合物溶液互相靠近的卷曲的大分子线团被分离、拉伸，溶液黏度降低；低剪切速率下，大分子线团变形程度低、拉伸取向小，溶液可保持较高的黏度；随着剪切速率增加，大分子线团被拆散，卷曲的分子链被拉直从而有利于分子间的相互滑动而黏度降低。当剪切作用消失后，大分子链又重新抱团、卷曲恢复原有黏度，此现象即为假塑性流体的剪切变稀。当剪切速率极大，聚合物溶液内的大分子链将被剪断，剪切作用消失后，分子链无法恢复如初，溶液黏度永久性损失，即为机械剪切降解。剪切变稀与机械降解本质区别为前者只是受力后分子形态改变，外力消失后形态恢复，黏度如初；后者为分子链断裂为小分子，外力消失后无法恢复，黏度损失[8]。

图1为注聚管柱及射孔完井近井地带示意图。聚合物溶液从配聚器流出后，经油套环空过射孔孔眼注入地层。孔眼前端的套管壁与水泥环为不渗透带，聚合物溶液在其中流动可视为幂律流体圆管流动，之后经压实带渗流入近井地带地层。经过孔眼时的高速剪切造成聚合物溶液大分子链断裂，溶液黏度大幅度下降，过低的溶液黏度将影响聚驱效果。为研究进入地层前溶液黏度的影响因素，将上述流动过程简化为图2所示的流动状态示意图。

由图2可以看出，聚合物溶液流出配聚器后进入油套环空，流至2-2截面后进入孔眼。在2-2截面的缩径处，流体速度突然增大引起溶液高速剪切，其与截面处的尖锐倒角共同作用导致溶液大分子链断裂，产生黏度机械降解；在1-1截面后，流体与壁面发生碰撞而改变方向，主流外形成涡流区，增大了剪切速率；截面3-3之后为孔眼压实带部分，聚合物溶液渗流进入地层。

图1 注聚管柱及射孔完井近井地带示意图Fig.1 Schematic diagram of polymer injection stringand perforation hole near well bore

图2 射孔孔眼处流动示意图Fig.2 Flow diagram at perforation hole

2 射孔孔眼内聚合物溶液黏度分析

聚合物溶液这种非牛顿假塑性流体的黏度较大，流动中雷诺数较小，因此圆管中幂律流体层流理论在工程上更实用。聚合物溶液在孔眼内未进入地层时，应用幂律流体圆管层流理论研究其表观黏度。幂律流体的本构方程见式(1)。

τ=Kγn

(1)

式中：τ为剪切应力，N；γ为剪切速率，s-1；K为稠度系数，mPa·sn；n为幂律流体的流变指数。

幂律流体圆管层流表观黏度见式(2)[9]。

(2)

式中,μ为流体流动表观黏度,mPa·s。设层段内的注入流量为Q，则每个孔眼内流量计算见式(3)。

(3)

式中：q为射孔孔眼内流量，m3/s；m为射孔密度，孔/m；h为射孔段长度，m。孔眼内流速计算见式(4)。

(4)

式中：v为孔眼内流速，m/s；d为孔眼直径，m。将式(4)代入式(2)得聚合物溶液孔眼内流动表观黏度，见式(5)。

(5)

由式(5)可知，影响聚合物溶液孔眼内黏度的因素有聚合物自身性质参数，n和K值；有设计与工程施工参数Q、m、h、和d，结合现场应用，研究这些参数对孔眼内聚合物溶液黏度的影响。取聚合物溶液流变指数n=0.702，稠度系数K=101.64 mPa·sn，射孔段长度5 m，射孔孔眼直径d=0.012 m，在不同射孔密度m下，做孔眼内聚合物溶液流动表观黏度μa与流量Q的关系曲线，如图3所示。

图3 孔径12 mm、射孔段长5 m时不同射孔密度下表观黏度与流量关系Fig.3 Apparent viscosity and low rate under differentperforation densities when the perforation holediameter is 12 mm and the perforationsection length is 5 m

由图3可以看出，溶液的表观黏度随着流量增大而下降，其对流量的敏感度也逐渐减小。射孔密度越大，孔眼内溶液的表观黏度越大，但不同孔密下黏度的差别较小。射孔孔眼附近的近井地带地层孔隙对高速流入的聚合物溶液剪切速率高[10]，溶液黏损大，过低的黏度将影响聚驱效率，因此，溶液黏度在进入地层前应保持在合理范围内。有文献中建议以20 mPa·s为黏度界限[11]，在图3中做y=20直线，与曲线交点横作标即为不同射孔密度下的极限注入流量。

图4 孔密16孔/m、射孔段长5 m时不同孔径下表观黏度与流量关系Fig.4 Apparent viscosity and flow rate under differentperforation hole diameter when the perforationdensity is 16 holes/m and the perforationsection length is 5m

图4为不同射孔孔径下，孔眼内聚合物溶液流动表观黏度μa与流量Q的关系曲线，其他参数为流变指数n=0.702，稠度系数K=101.64 mPa·sn，射孔段长度5 m，射孔密度m=16孔/m。由图4可以看出，射孔孔径d对溶液表观黏度影响大，不同孔径下黏度差别很大，孔径越大，表观黏度越大。做y=20直线，与曲线交点处的横作标即为不同孔径下极限注入流量。此参数下，当孔径较小时，d=8 mm，其极限流量为100 m3/d；当孔径大于16 mm时，其极限流量大于500 m3/d。

3 射孔孔眼处聚合物溶液的黏损

孔眼处的高速剪切造成溶液黏损，不同因素共同影响黏损的大小，其中流量是最主要的影响因素。图2中，截面3-3与截面1-1处的表观黏度之比，体现了聚合物溶液在截面2-2前后剪切速率的变化情况，黏度比值越小，剪切速率变化越大，黏度损失越大，因此，以两截面处的黏度比来表征黏度损失。截面1-1处溶液的流速计算见式(6)。

(6)

式中：v′为聚合物溶液油套环空中流速，m/s；D为套管内径，m。将式(6)带入式(2)得截面1-1处表观黏度，见式(7)。

(7)

孔眼内与油套环空内黏度比，见式(8)。

(8)

分析式(8)，影响黏度比即黏损的因素有流变指数n，套管内径D，射孔密度m与射孔孔径d。4个参数中，将3个参数固定，变化第4个参数，得到不同参数对黏损的影响规律，如图5所示。

图5 不同参数对聚合物溶液孔眼处黏损影响Fig.5 The influence of different parameters on the viscosity loss at the perforation hole

从图5可以看出，流变指数n越大，黏度比越大，溶液黏损越小。n代表溶液的非牛顿性，牛顿流体n=1，n值越小，非牛顿性越强，溶液黏度往往也越大。图5中，较小的n值其黏度比低、黏损大，即溶液黏度越高其黏损越大，这也与现场取样所测结果[12]相符。当n=1时为牛顿流体，孔眼前后黏度不变，所以黏度比值为1。

随着射孔密度的增大，其对聚合物溶液的黏损影响也渐渐变小，且射孔密度越大，黏损越小。当射孔密度较大时，单个孔眼处的流量可相对减少，黏损减小。

聚合物溶液的黏损对套管内径的敏感性随其增大而减弱，套管内径越大，孔眼处速度梯度越大，黏损越大。

射孔孔径对黏损的影响趋势稳定，孔径越大，溶液黏损越小。孔径的大小体现缩径的强弱，孔径越小，缩径越强，其对聚合物溶液剪切强度越大。

4 结 论

1) 针对射孔完井的注聚井，分析聚合物溶液在射孔孔眼处的黏度损失机理，采用幂律模型，研究不同参数对孔眼内黏度与孔眼前后黏损的影响。

2) 孔眼内聚合物溶液的表观黏度随着流量增大而减小，其对流量的敏感度也逐渐减小。射孔密度越大，孔眼内溶液的表观黏度越大，但不同孔密下黏度的差别小。为保持聚合物溶液黏度的有效性，不同射孔密度下存在极限注入流量。射孔孔径对孔眼内聚合物溶液表观黏度影响很大，孔径越大，表观黏度越大。不同孔径下的极限流量差别也很大。

3) 不同参数对溶液在孔眼处黏损影响趋势不同。流变指数n越大，溶液黏损越小。随着射孔密度的增大，其对孔眼处聚合物溶液的黏损影响变小，且黏损减小。聚合物溶液的黏损对套管内径的敏感性随其增大而减弱，黏损增加。射孔孔径对溶液黏损的影响趋势稳定，孔径越大，黏损越小。