考虑弹性湍流的聚合物驱微观渗流机制及其对驱油效率的影响

The special rheology behavior, chemical and mechanical stability of viscoelastic polymer solutions are decided by structure of polymer molecules, meanwhile, its distribution and stability of flowing streak lines in all kinds of shear flow are directly affected by complex phenomenon of flowing. The study bases on the general analyses on apparent thickening of polymer solutions and some special phenomena of flowing which may be occurred in viscoelastic fluid flow, and present the potential formation of turbulence and porous flow mechanism of polymer solutions in porous media. The relationship between formation time and cause of apparent thickening is established. Similarly, the regulations that how molecular weight and concentration of polymer effect characteristics of elastic turbulence porous flow are revealed. Mathematical models which can describe unstable porous flow of viscoelastic polymer solutions in porous media are established, and effects of elastic turbulence on microscopic sweep efficiency are concluded. Furthermore, a qualitative description is performed according to characteristic of turbulence porous flow and microscopic action on oil ganglia in the pores. Based on series of physical simulation experiments, the formation of elastic turbulence and its contribution to displacement in two-phase flow of polymer flooding are distinguished. And then the microscopic porous flow mechanism of elastic turbulence is explained. Furthermore, the oil displacement mechanism with polymer flooding is enriched and deepened.

聚合物本身的分子结构行为在决定了其水溶液具有特殊流变行为及化学与机械稳定性的同时，复杂的流动现象直接影响着其在各种剪切流中流动脉线的分布与稳定性。本项目基于对黏弹性聚合物溶液“表观增稠”行为及黏弹性流体流动中可能出现的一些特殊流动现象的综合分析，拟研究多孔介质中聚合物溶液弹性湍流的形成及其渗流机制，建立弹性湍流形成时机与“表观增稠”行为诱发的关系，确定聚合物分子量及浓度对弹性湍流渗流特征的影响与规律；建立描述黏弹性聚合物在多孔介质中发生弹性湍流的不稳定渗流数学模型及数值求解方法，从理论上给出弹性湍流对微观波及效率的影响，进而结合对弹性湍流渗流特征与孔隙中油滴间微观作用的定性描述，通过物理模拟实验，辨识聚合物驱两相渗流中弹性湍流流态的形成及其对驱油效率的影响与贡献，揭示考虑弹性湍流的聚合物驱微观渗流机制，拓展黏弹性流体在油藏孔隙中流动特性的描述，同时进一步丰富和深化黏弹性聚合物驱油机理。

针对驱油聚合物在油藏多孔介质渗流中是否存在弹性湍流这一特殊流动现象及其与“表观增稠”的联系、以及对聚合物不稳定渗流和驱油效率影响的科学问题，以黏弹性聚合物驱提高原油采收率的工程实践为背景，基于聚合物溶液弹性行为对微观波及效率贡献的已有认识，建立了蛇形孔道粒子图像测速与流动脉线再现系统，通过对比微观实验中等黏甘油溶液与具有弹性聚合物溶液的速度矢量变化，发现黏弹性聚合物溶液在多孔介质中流动存在弹性湍流现象，且流速与表观黏度的变化关系反映出弹性湍流出现时机与“表观增稠”行为的诱发存在对应性，揭示出弹性湍流的发生正是“表观增稠”的主要诱因。弹性湍流现象出现受聚合物浓度及分子量的影响得到了剪切流变实验和单相岩心流动实验的证实，发现随着聚合物分子量增大、浓度增大，弹性湍流流动越易形成，且分子量即分子构型的影响更为显著。建立了考虑多孔介质中弹性湍流的黏弹性聚合物溶液不稳定渗流数学模型，并采用对数构象法及数值模拟方法对模型进行了数值求解，形成了定量描述聚合物弹性湍流的不稳定渗流理论方法，定量结果反映出弹性湍流出现会使聚合物溶液在多孔介质中的流线呈不规则分布，有二次涡流产生，且随弹性增强，湍流强度先增大后逐渐减弱，出现弹性湍流的临界威森博格数We在3～5之间，同时，速度等值线分布表明弹性湍流流动现象的出现会进一步扩大聚合物溶液在多孔介质中的微观波及面积及波及效率。结合岩心驱替模拟实验，建立了弹性湍流形成、“表观增稠”行为诱发与驱油效率变化之间的关系，反映出弹性湍流形成后，诱发“表观增稠”行为贡献于驱油效率的提高，提高幅度因聚合物分子量、浓度的差异可达到3%以上，随着湍流强度减弱，驱油效率提高幅度呈不同程度降低。这一从流态角度揭示黏弹性聚合物溶液的渗流机制、识别流态改变对驱油效率的影响，对于丰富黏弹性聚合物驱油机理，促进聚合物驱油方法在非均质高含水饱和度油藏中的进一步优化设计与应用具有重要价值。