一种用于油藏深部液流转向的冻胶分散体制备方法

具体实施方式

下面结合附图和实施例来进一步描述本发明。

1.管流剪切交联的可行性分析

提出用液体在圆管中流动的方式代替在同轴圆筒中相对转动的流动方式，圆管中的稳定流动也被成为Poiseuille流动。假定流动是稳定的层流，即流体内每个质点的流动速度不随时间变化。这里采用柱坐标(r，θ，z)，如图1所示，定义z轴与圆管的轴线一致，管径为R。

流体仅沿z轴方向流动，v₂是质点离圆管中心轴的径向距离r的函数，没有沿r的径向和沿θ周向的流动。写作：

v_z＝v_z(r)                (1)

v_r＝v_θ＝0                (2)

与圆管壁接触流体层是静止的，r＝R时有v₂＝0。

可将圆管中的层流视为许多通过同心圆柱层的流动。假设圆管长l，半径为r的柱体层流体，受到圆管两端的外加压差Δp，作用压力为Δpπr²。此柱体表面的外层流体对其粘性阻力，等于剪切应力τ_rz乘以柱体表面积2πrl。两者力平衡式为：

2πrlτ_rz+Δpππ²＝0

${\tau }_{\mathrm{rz}}=-\frac{\mathrm{\Delta pr}}{2l}$

可见，在管壁上的剪切应力τ_R为

${\tau }_R={\tau }_{\mathrm{rz},\max }=\frac{\mathrm{\Delta pR}}{2l}---\left(3\right)$

在管中心轴上τ_rz＝0，剪切应力τ_rz是r的线性函数。

对牛顿流体在圆管中层流展开，可获得速度分布方程，用关系式

$\gamma =\frac{{\mathrm{dv}}_z}{\mathrm{dr}}=\frac{\tau }{\mu }=-\frac{\mathrm{\Delta pr}}{2\mathrm{l\mu }}---\left(4\right)$

积分，并带入边界条件r＝R，v_z＝0，有

$v_z\left(r\right)=\frac{\mathrm{\Delta p}}{4\mathrm{\mu l}}(R^2-r^2)---\left(5\right)$

圆管中流动的流速分布为二次曲线函数。而速度梯度即剪切速率是r的线性函数。在圆管的轴心处v_z具有最大值，剪切应力τ_rz＝0，剪切速率γ＝0。而在管壁处相反，v_z＝0，剪切应力和剪切速率具有最大值。

通过从r到r+dr的圆环柱体的体积流量为

dq_v＝v_z(2πrdr)             (6)

整个圆管截面的流量，可积分得

$q_v={\int }_0^R{\mathrm{dq}}_v={\int }_0^R\left(\frac{\mathrm{\Delta p}}{2\mathrm{\mu l}}\right)(R^2-r^2)\mathrm{\pi rdr}=\frac{{\mathrm{\pi R}}^4\mathrm{\Delta p}}{8\mathrm{\mu l}}---\left(7\right)$

此式也称为Hagen-Poiseuille方程。

在r＝R管壁上，

${\gamma }_{\max }=\frac{{4q}_v}{{\mathrm{\pi R}}^3}---\left(8\right)$

对于幂律流体来说，若本构方程同式(2-22)，则速度分布方程为

$v_z=\left(\frac{n}{1+n}\right){\left(\frac{1}{2K}\right)}^{\frac{1}{n}}{\left(\frac{\mathrm{\Delta p}}{L}\right)}^{\frac{1}{n}}{R}^{\frac{1+n}{n}}[1-{\left(\frac{r}{R}\right)}^{\frac{1+n}{n}}]---\left(9\right)$

体积流量方程为

$q_v=\left(\frac{{\mathrm{\pi R}}^{3}n}{3n+1}\right){\left(\frac{\mathrm{R\Delta p}}{2\mathrm{KL}}\right)}^{\frac{1}{n}}---\left(10\right)$

平均剪切速率为

${\gamma }_{\mathrm{ave}}=\frac{{\mathrm{dv}}_z}{\mathrm{dr}}=\frac{3n+1}{n}·\frac{q_v}{{\mathrm{\pi R}}^3}---\left(11\right)$

通过以上分析可以知道，流体在圆管中流动时，管中心处的剪切速率为零，流体流速最大，管壁处的剪切速率最大，流体流速为零。流体在圆管中流动时也存在剪切应力和剪切速率，平均剪切速率可以通过式(11)求得。若用圆管流动的方式制备冻胶分散体，则存在一个主要问题是圆管中心处剪切速率为零，这样会导致成冻体系中的一部分产生整体冻胶，此种情况对实际应用会产生不利的影响。为了消除圆管流动中管中心处剪切速率为零的不利影响，必须采取一定的措施，将圆管缠绕在直径为2.5cm的圆柱体上，这样流动方式就发生了改变，流动方式由沿轴向的流动改为存在一定角度的沿轴向的流动，这种流动方式会降低圆管流动中管中心处剪切速率为零的影响。

本发明使用蠕动泵(BT-100B)作为剪切设备，使流体在蠕动泵软管(直径为3mm)中流动，借助此管流所产生的剪切作用制备微冻胶分散体。图2为蠕动泵的结构示意图，通过泵轴102带动滚轮101转动，由此产生了对软管103的旋转啮合作用，挤压软管产生一定的压差，带动管中流体的流动。

2.冻胶分散体成冻体系确定

首先通过对成冻体系的静态成冻评价得到了适宜制备冻胶分散体系的成冻体系，成冻体系主要由聚合物和交联剂组成。油田常用的水溶性聚合物是部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)，交联剂是铬离子交联剂。

管流剪切交联方法制备冻胶分散体的工艺中对配方体系有以下两点基本要求：

(1)成冻时间在0.5～4小时之间，成冻时间太短或太长对剪切交联工艺都是不利的，成冻时间太短的话，成冻体系在没有全部进入剪切设备之前就成冻形成整体冻胶；成冻时间太长的话，可能导致聚合物降解，且耗能耗时。

(2)交联反应温度低，低交联反应温度有利于大规模制备，且节省能源。

经过筛选，管流剪切交联方法制备冻胶分散体的成冻体系聚合物为相对分子质量为4.0×10⁶，水解度为12％的HPAM，交联剂为Cr(Ac)₃，成冻体系静态成冻等值图如图3所示。随着聚合物和交联剂质量浓度的增加，体系交联时间逐渐减小，成冻体系的成冻时间为0.5～2小时。

实施例1：在100mL烧杯中配制质量浓度为8000mg·L^-1的HPAM和25mg·L^-1的Cr(Ac)₃的管流剪切交联体系，根据剪切速率的要求，调整蠕动泵的转速为10rpm，将配制好的管流剪切交联体系快速吸入硅胶软管中，将软管两端对接，置于30℃恒温水浴中，恒速剪切4小时至结束。将硅胶软管内的液体取出，稀释3倍，90℃搅拌4小时，得到需要的冻胶分散体。

同理，由低到高调整蠕动泵的转速为30、50、80、100、150rpm，按照实施例1的方法依次得到相应的冻胶分散体。用Malvem Zetasizer 3000 HSa动态光散射仪测定冻胶分散体的流体力学直径d，测定结果如图4所示，冻胶分散体的平均粒径随剪切速率的-0.1126次方变化。

图5是剪切速率对平均粒径的影响曲线，从图5中可以看出，对同一交联体系，随着剪切速率的增加，平均粒径变小。剪切速率越大，硅胶管中管流剪切成东体系在轴向所受应力越大，交联的颗粒越容易受力破碎。

实施例2：分别在100mL烧杯中配制质量浓度为4000mg·L^-1的HPAM和25mg·L^-1的Cr(Ac)₃及8000mg·L^-1的HPAM和25mg·L^-1的Cr(Ac)₃的两种管流剪切交联体系，根据剪切速率的要求，调整蠕动泵的转速为40rpm(即176s^-1)，将配制好的管流交联体系分别快速吸入硅胶软管中。将软管两端对接，置于30℃恒温水浴中，恒速剪切4小时至结束。将硅胶软管内的液体取出，加水稀释3倍，90℃搅拌4小时，得到两种需要的冻胶分散体。用原子力显微镜测定两种冻胶分散体的微观形貌，如图6、图7所示。从图6中可以看出，冻胶分散体在溶液中的形状主要以柱状或条状形式存在，根据统计结果，冻胶分散体的长轴约1.3μm，短轴约0.6μm，长短轴比为2∶1左右。在管流剪切交联过程中，聚合物溶液沿一定的方向流动，垂直于流向上存在剪切作用，在这个过程中只要形成冻胶的变形性不足以克服剪切力，就会被剪切成小冻胶，并且聚合物沿流向的交联能力大于垂直于流向的交联能力，因此会交联生成条柱状的冻胶。从图7中可以看到，照片中存在孤立的微冻胶颗粒和微冻胶颗粒的聚集体，根据统计结果，微冻胶的长轴约2.3μm，短轴约0.8μm，长短轴比为3∶1左右。颗粒粒径明显增大。聚合物质量浓度增大导致体系中可交联的聚合物增多，交联更强烈，因此相同的剪切力条件下的粒径更大。

依照本发明所提供的制备方法，可以通过调整剪切速率大小来控制冻胶分散体粒径的大小。该冻胶分散体能够注入到油藏深部，冻胶分散体微粒在孔道中的吸附、滞留，能降低高渗透区域的渗透率，使后续注入液转向低渗透率区域，起到深部调剖的作用。具有粘度低、流动性好、稳定性好，有效期长等特点，且对剪切和储层物理化学条件不敏感，尺寸可控，可以针对不同地层设计冻胶分散体直径，防止堵塞地层渗滤面。直径较小时可以保证地层深部处理的需要，较大时可以大大降低水相渗透率，而对油相渗透率影响较小；在油相流动时足够“软”，可以被油水界面挤压到孔壁上，对油相流动阻力小，粘附能力强，稳定性好，无毒，环境友好。