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1、第二章 聚合物驱 Polymer Flooding 1 驱油用聚合物及其水溶液性质 1.驱油用主要聚合物(Polymer Types) （1）部分水解聚丙烯酰胺 (Partially hydrolyzed polyacrylamide, HPAM) 由聚丙烯酰胺PAM在NaOH作用下部分水解得到。分为干粉和 胶体两种产品，通常使用干粉。分子量在501043000 104 之间，价格约2万元吨。 由于PAM在矿物表面被强烈吸附，使用HPAM是为了减少吸附 损失。 CH2CH C=0 NH2 x Structure of Polyacrylamide CH2CH C=0 NH2 x-y CH2CH
2、 C=0 ONa y Structure of Hydrolyzed Polyacrylamide 耐盐，但易于生物降解，价格高，约万元 吨，应用较少。 （3）新型缔合聚合物（New associative polymers, NAPs)：通过缔合作用，提高耐温耐盐性能。 注：一般所说的聚合物驱指使用部分水解聚丙烯酰胺 (HPAM) 驱油。 （2）黄原胶(Xanthan Gum, XC) 2.聚合物(聚丙烯酰胺)的分子性能 分子链较长，并且具有柔曲性(象弯曲的钢 丝一样 resembles a flexible coil）。 hy? 因主链上的C-C单键产生内旋转。 分子形态千变万化，具有不同
3、的构象，称 为无规线团，无规线团自然卷曲状态最稳定。 3.聚合物溶液的配制 水 聚合物干粉 溶胀与溶解过程：溶剂分子(水)先渗入到大分子线团中 ，使大分子体积胀大，然后才完全溶解，需半小时以上。 实验室：在搅动的水旋涡中慢慢加入干粉，均匀分散。 现场上：从循环水上的漏斗中加入。 4.聚合物溶液的粘度 聚合物溶液粘度p：是流体分子层间内摩 擦力的量度。单位：毫帕.秒(mPa.s)。 使用Brookfield粘度计测量，一般驱油用 聚合物溶液粘度为几十mPa.s。 流体力学等价球：溶液中的每个分子线团被 看着是包着溶剂的一个球。 5.影响聚合物溶液粘度的因素 （1）浓度粘度 （2）分子量粘度 （3
4、）水解度粘度 （4）矿化度粘度 （5）剪切速率粘度 （6）温度粘度 （7）细菌粘度 （8）光、氧粘度 2 聚合物溶液的流变性 (Rheological Properties) 1.流变性基本知识 （1）牛顿流体 ：剪切应力,shear stress ：流体粘度,solution viscosity ：剪切速率（速度梯度）, shear rate y y ：屈服应力，剪切应力大于该应力时，流体 才能流动。 y （2）塑性流体 K n (n0) K：稠度系数， n：流动特征指数 （4）胀流性流体(Shear Thickening Fluid) 粘性：外力作功流动，外力消失形变不恢复 （外力对流体作
5、的功变为热的形式释放出来。如 水。 弹性：外力作功改变自然状态，外力消失恢 复自然状态。如弹簧。 粘弹性：物质同时具有粘性和弹性的性质。 外力作功，缓缓发生形变; 外力消失，形变缓慢 恢复，但不能恢复到原始状态。如聚合物溶液。 （5）粘弹性流体 t1 t2 t t1 t2 t t1 t2 t 弹性体 粘弹体 施加外力 2.聚合物溶液具有的流变性 （1）具有假塑性 实验室用Brookfield粘度计测得HPAM溶液 在不同剪切速率下的粘度。 形变滞后于应力，蠕变过程。受力，不能 立即伸展，慢慢变化，去力，慢慢回复。 Why? 多链段分子的柔曲性。 t1 t2 t （2）具有粘弹性 （1）剪切流动
6、 流动环境：等径管道中。 3.聚合物溶液的剪切流动和拉伸流动 切应力满足： dp r2= 2r dl = -( r /2）dp/dl dl r dp R 速度分布：呈抛物线状 剪切速率: = dV/dr 方向:沿y轴 单位:S-1 r v r+dr v+dv 剪切流动特点： 流线相互平行 方向与流线方向垂直 r V 0 x R （2）拉伸流动 流动环境：收缩发散管道中。 dl V1 V2 拉伸速率： = dV/dl 拉伸流动特点： 流线在孔喉处收缩，方向与流线方向平行 。 小分子溶液（如盐水）不存在拉伸流动。这 是高分子聚合物溶液的特殊性。 3 聚合物溶液在孔隙介质中的流变性 一.孔隙介质特点
7、 孔隙介质有孔有喉，存在收缩发散的流动环境，因 而聚合物溶液渗流时，既有剪切流动，又有拉伸流动。 孔 喉 （1）流道面积小， （2）孔道不规则， （3）孔道壁粗糙， （4）比面大。 二.聚合物溶液在孔隙介质中的的流变性 实验：测定聚合物溶液在孔隙介质中渗流时 的粘度ef与渗流速度v的关系。 岩芯 取样 P L 泵 s t V ef = s+ st ef：有效粘度， s：剪切粘度， st：拉伸粘度， Vcr：临界流变流速。 ef Vcr s s （1）当cr时，有效粘度ef，呈现 假塑性的流动特征。 hy? 因为此时流速平缓，孔喉处流线平 行，以剪切流动为主，拉伸粘度可以忽略。 （2）当cr时，
8、有效粘度ef，呈现 胀流性的流动特征。 hy？孔喉处产生了明显的拉伸流动，拉伸 粘度发挥作用。 聚合物溶液在高速下表现出的胀流性的 流动特征是因为聚合物分子具有粘弹性。 4 聚合物溶液在孔隙介质中的流动特征 (Flow characteristics of polymers through porous media) 聚合物驱过程中的物理化学作用。 （1） 滞留(Polymer Retention) （2） 不可入孔隙体积（Inaccessible Pore Volume) （3）有效粘度(effective viscosity) （4）阻力系数（resistance factor) （5）残
9、余阻力系数（residual resistance factor) （6）粘弹效应系数(viscoelastic effect factor) 一.滞留(Retention) 1. 吸附 (Adsorption) 将岩石颗粒置于聚合物溶液中，直到达到吸 附平衡。 C0C 加砂 72小时 聚合物溶液在孔隙介质中的滞留包括：吸附 滞留、机械滞留等。 W=（C0 - C）V / G W：吸附量，mg/g岩石， C0：聚合物溶液原始浓度，mg/L C：吸附后聚合物溶液浓度，mg/L V：聚合物溶液体积，L G：岩石颗粒重量，g 溶液浓度C(mg/L) 吸附规律：满足Langmuir吸附等温式。 吸附量
10、 W（g/g岩石) 吸附量一般几十几百微克。 水解度，% 吸附量与水解度的关系 吸附量 W（g/g岩石) 0 20 40 60 500 200 100 50 20 10 这是使用HPAM（而不是PAM）的原因。 影响静态吸附的因素 （1）CaCO3吸附量大，因CaCO3表面上的Ca2+ 离子与聚合物羧基上的负电发生静电作用。 （2）SiO2不吸附，地层水存在Ca2+离子时，吸 附量增加。 （3）岩石长期在水中，使表面羟基化，产生 -OH，与PAM分子通过氢键吸附。 聚合物大分子通过孔隙介质时产生的一种过滤 作用。 机械滞留主要发生在入口端，可用实验证明。 实验：用不吸附的聚四氟乙烯粉做岩芯，流
11、动时 C1。 3.阻力系数FR (1) FR是水通过岩芯的流度与聚合物溶液通过岩 芯的流度之比。 (2)意义：表示聚合物溶液降低岩石流度的能力， FR1。 4.粘弹效应系数Rve （1） 实验：抽空饱和，测Kw，注聚，水冲洗测 Kf(Q0， P0)，降压水冲，测降压后的水冲洗渗 透率Kf1(Q1， P1)。 P Q Kf1 Kf P1 Q0 Q1 Q1 P0 Kf11。 1.聚合物驱流度比M 纯油层 油、水层 5 聚合物溶液驱油机理 改善M的标准：M1.0。 改善流度比的途径： a.增大水相（聚合物溶液）粘度; b.降低水相渗透率，因聚合物分子滞留，使 水相渗透率由Kw降低为Kf。前述Frr描
12、述降低程 度。 2.改善流度比分析 （1）任一断面上的HPAM溶液的流速 r h2s 对于五点井网模型 （2）该断面上聚合物溶液的有效拈度为: K-稠度系数 n-粘性指数。 （3） o/ef 聚合物溶液在油层条件下大多呈现假塑性。从 注入井到生产井： rV ef o/ ef ，并且Kw 降低为KfM 指进退化 （VD/Vf=M）驱油前 缘稳定（或：随着聚合物驱的进行，HPAM具有自 动稳定前缘的能力。） Ev 。 （4）M 的改善过程 3.聚合物驱主要研究方法 聚合物驱成套技术研究包括的主要内容包括： 室内评价试验 数值模拟 现场研究 方案设计 地面配注工艺设计与实施 动态监测 效果评价 适当
13、的分子量和水解度 不溶物含量少 残余单体含量低 良好的溶解性 抗温抗盐性好 耐剪切 老化稳定性 (1)聚合物性能要求 Cp：1000mg/L左右。 段塞尺寸：0.2PV左右。 CpPV：200mg/LPV左右。 注入低浓度大段塞的聚合物溶液。 水 HPAM 200ppm HPAM 600ppm HPAM 1000ppm 浓度增大方向 待波及区 Cost-effective method (2)注入浓度与注入量 V太大，压力高，设备承受不了。 油层速度V3m/d 压力梯度：15MPa/150m=0.1MPa/m。 (3)注入速度与压力梯度 实际地层水。 现场水质资料，室内实验配制。 Csp,矿化
14、度太高的油层不 适合聚合物驱。 (4)水质 Tp,温度太高的油层不适合聚 合物驱。 室内实验：恒温箱模拟油层温度。 (5)油层温度 非均质性太严重即使使用HPAM溶液驱 也只能沿着Kh推进Kl未得到开发（此时冻胶 调剖） 非均质性太小水驱油均匀推进，水驱彻 底注聚合物驱效果不太明显。 非均质性应适中。 (6)地层非均质性影响 水驱fw=98%效果差。水驱fw70%没必要。 在二次采油某个阶段实施HPAM驱效果和效 益都比较好。 问题：能否在开发初期，就实施聚合物 驱，让前缘均匀推进？ 不让形成Sor和有Sor后再提高采收率哪 个更好？ (7)注入时机 1吨聚合物干粉可增油150吨，提高 =5-10%OOIP。 效益取决于油藏条件、聚合物的价格 和油价等因素。 (8)增产潜力与经济效益 4.目前聚合物驱研究存在问题与研究方向
