📝 摘要
聚合物驱是一种提高采收率（EOR）技术，在工业界受到越来越多的关注。在该过程中，使用水溶性聚合物来提高注入水的粘度，以改善流度比，从而提高储层波及效率。聚合物溶液是非牛顿流体，其粘度具有剪切依赖性。聚合物在多孔介质中高剪切速率下可能表现出粘度增加，这可能导致注入能力下降。相反，在低剪切速率下，它们可能观察到粘度损失，从而提高注入能力。因此，由于聚合物复杂的非牛顿流变特性，有必要优化聚合物注入能力测试的设计，以增进我们对流变行为的理解并改进聚合物驱项目的设计。

本研究探讨了可以从聚合物注入能力测试中获得哪些信息，以及如何设计测试以最大化信息获取。现场信息的主要来源是注入井底压力（BHP）。模拟研究分析了不同非牛顿流变特性对BHP响应的影响，考虑了注入速率和时间的变化。结果表明，注入能力测试的BHP可用于检测原位聚合物流变特性。

🖥️ CMG软件应用情况总结

项目 内容
所用软件 CMG STARS（先进过程与热采模拟器）
模型类型 径向网格模型，等温，单相（水+聚合物），黑油/组分模拟器（使用聚合物模块）
模拟对象 • 实验室尺度：径向Bentheimer岩心盘（半径15 cm，厚2 cm）的聚合物注入实验历史拟合
• 现场尺度：均质和层状（高低渗交替）径向均质模型，研究不同原位流变行为对注入井BHP的影响
应用方式 • 历史拟合（实验室）：匹配径向聚合物驱实验的压力响应，获取聚合物原位流变曲线
• 敏感性分析（现场）：使用STARS构建径向模型，测试不同原位流变行为（纯剪切变稀、纯剪切增稠、复合）下，注入速率和时间对BHP响应的影响
实验室模型（第2-3节） • 网格：径向，360个扇区 × 150个网格块，最小网格尺寸1 mm
• 岩心：Bentheimer砂岩盘，半径15 cm，厚度2 cm，孔隙度0.25，绝对渗透率2200 mD
• 流体：低盐度盐水（7000 ppm，1.02 cP），HPAM聚合物（Flopaam 3330S，1000 ppm）
• 条件：含残余油（Sor=0.34）
• 历史匹配目标：注入BHP作为注入速率的函数，以及内部压力作为径向距离的函数
• 主要发现：聚合物注入BHP稳定时间比盐水长3-9倍，且稳定时间随注入速率降低而增加
现场模型（第4-5节） • 网格：径向，60个网格（指数递增），最内网格0.41 ft，外半径100 ft
• 网格生成：通过CMG Builder自动生成
• 模型参数：厚度50 ft，孔隙度15%，渗透率100 mD（层状：高渗1000 mD，低渗100 mD），初始含水饱和度100%
• 井网敏感性：测试了1口、2口、4口（五点）、8口（九点）、12口生产井，最终选择九点井网以平衡边界效应与计算效率
• 聚合物参数：浓度800 ppm，线性混合规则，忽略吸附与压缩性
流变模型 使用扩展Carreau模型（Delshad et al., 2008）构建粘度-速度表：
μ_app = [μ_∞ + (μ_0-μ_∞)[1+(λ₁u)²]^((n₁-1)/2)] + [μ_max(1 – e^[-(λ₂u)^(n₂-1)])]
• 纯剪切变稀：仅第一项
• 纯剪切增稠：仅第二项
• 复合流变：两项之和
μ_∞=1 cp，μ_0=μ_max=10 cp，其他参数见表1
主要研究参数 原位流变类型（剪切变稀/剪切增稠/复合）、注入速率（1000-10,000 bbl/day）、注入时间（PV）、储层均质性（均质/层状）、残余阻力因子（RRF）
评价指标 注入井底压力（BHP）与注入速率的关系、BHP与时间（PV）的关系、压力稳定时间

文中明确指出：

“The simulator used in this study is STARS of CMG, which includes polymer modules that accounts for polymer rheology dependence on the shear rate or velocity, polymer adsorption, permeability reduction and impact of polymer concentration and salinity on viscosity.” （第1.1节）
“A radial model was built using CMG STARS to simulate the field-scale polymer injection test…” （第4节）

🧪 模拟方案与主要结果

1. 实验室尺度径向实验历史拟合

  • 成功历史匹配了注入BHP作为注入速率函数（dP(Q)）（图4），误差2.38%。

  • 成功历史匹配了内部压力作为径向距离函数（dP(r)）（图5-6），平均误差2.94%。

  • 获得的聚合物原位流变曲线（图7）清晰显示了两个流变区域：低/中注入速率下的剪切变稀行为和高注入速率下的剪切增稠行为。这验证了注入BHP是估算原位聚合物流变的可靠工具。

2. 现场尺度均质模型

流变类型 BHP vs. 注入速率趋势 BHP vs. log(PV) 特征
剪切变稀 斜率递减（二阶系数负） BHP逐渐增加（<0.005 PV至1 PV）
剪切增稠 斜率递增（二阶系数正） BHP急剧增加（<0.005 PV），随后稳定
复合流变 组合趋势（二阶系数变化） 组合特征（先快速增加后逐渐增加）
关键发现 即使注入0.001 PV，也可通过BHP vs. Q的二阶系数符号检测流变类型（表3） 0.0001 PV足以区分剪切变稀和剪切增稠；复合流变需1 PV才能完全检测（图18）

3. 现场尺度层状模型（高渗1000 mD / 低渗100 mD）

  • 层状储层中，BHP vs. 注入速率的趋势与均质模型相似（图19）。

  • BHP vs. log PV的特征信号在层状模型中仍然可辨（图20），但信号强度有所减弱。

  • 在低渗层设置RRF=2（模拟聚合物吸附/滞留）会进一步影响BHP响应，但不改变不同流变类型的特征信号。

✅ 主要结论

  1. BHP是原位流变的重要指标：注入BHP可以有效用于检测聚合物在储层中的原位流变特性。

  2. 速率阶梯测试的必要性：建议聚合物注入能力测试采用至少三个速率阶梯（覆盖低、中、高），以便通过BHP vs. Q的关系判断流变类型。

  3. 压力稳定时间特征：剪切变稀流体的压力稳定时间比剪切增稠流体更长。

  4. 早期信号检测：即使注入0.0001 PV，也可通过BHP vs. 时间曲线早期信号区分剪切变稀和剪切增稠行为。

  5. 非均质性影响有限：在层状储层中，虽然信号强度减弱，但不同流变类型的特征信号仍然可辨。

  6. CMG STARS的适用性：STARS能够有效模拟聚合物驱中的非牛顿流变行为，是聚合物注入能力测试设计和分析的有效工具。

🏛️ 作者及单位信息

  • 作者: Mohamed A. Alzaabi, Jan G. Jakobsen, Arne Skauge, Shehadeh Masalmeh, AbdulAziz A. AlSumaiti, Ole Petter

  • 单位:

    1. 卑尔根大学化学系（University of Bergen, Department of Chemistry）

    2. 挪威研究中心（Norwegian Research Center）

    3. 阿布扎比国家石油公司（ADNOC）

    4. 挪威能源研究所（Energy Research Norway）

  • 期刊: Polymers (MDPI)

  • 收稿日期: 2020年1月17日

  • 录用日期: 2020年3月20日

  • 发表日期: 2020年4月3日

致谢：

  • 感谢ADNOC对Mohamed Alzaabi博士研究的财务支持。

  • 感谢Energi Simulation对Arne Skauge担任EOR工业研究主席的支持。

  • 感谢挪威研究理事会PETROMAKS 2项目（项目：Upscaling EOR）的支持。

💡 补充说明
该论文是聚合物驱注入能力测试设计的应用研究。研究的核心创新点在于：

  1. 定量关联：系统地将聚合物原位流变类型（剪切变稀/剪切增稠/复合）与现场可直接测量的注入BHP特征（压力-速率曲线形态、压力-时间曲线形态、稳定时间）进行了定量关联。

  2. 方法实用化：提出了通过速率阶梯测试和早期BHP响应分析来诊断原位流变的方法，并给出了最小注入PV（0.0001 PV）和最小速率阶梯数（3个）的实用建议。

  3. 模型建立：详细展示了在CMG STARS中如何通过扩展Carreau模型定义粘度-速度表来实现不同原位流变行为的模拟，包括纯剪切变稀、纯剪切增稠和复合流变。

  4. 非均质性考虑：初步探讨了层状非均质性和残余阻力因子（RRF）对BHP响应的影响。

该研究对从事化学驱（尤其是聚合物驱）数值模拟、注入能力评估和现场试验设计的工程师和研究人员具有重要的参考价值。

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