聚合物溶液的粘弹性行为在提高聚合物 驱油效率中的机理分析与运用讲解

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1、SPE 113620聚合物溶液的粘弹性行为在提高聚合物驱油效率中的机理分析与运用Mojdeh Delshad, Do Hoon Kim, Oluwaseun A. Magbagbeola, Chun Huh, Gary A.Pope, Farhad Tarahhom 编（石 油工程师协会，美国德克萨 斯大学奥斯汀分校 ）摘要越来越多的室内实验和矿场试验都证实了聚合物溶液的粘弹特 性有助于提高聚合物驱油效率。对高分子量部分水解的聚丙烯酰胺聚 合物进行大量的流变测量和岩心驱替实验后，表明了聚合物溶液的粘 弹性行为在聚合物驱提高原油采收率中起着作用。 在使用 UTCHEM 模 拟器对提高油层波及系数

2、进行定量评价后，将不同聚合物溶液的弹性 作用模拟成在多孔介质中聚合物溶液的表观粘度。随着高浓度和高分子量聚合物的使用，使聚合物驱的应用范围延 伸至对更高粘度原油的开采。对聚合物在多孔介质中流变性机理的了 解及其精确的数值模拟是聚合物驱矿场试验成功的关键。对不同的剪切速率（与在岩心中流动速度和渗透率）、聚合物浓 度和分子量进行振荡和剪切粘度的测定和聚合物岩心流动实验。聚合 物的剪 切增 稠 特性 与通过 它的分 子 松弛时 间 的 Deborah 数有 关，它反 过来又决定于流变数据。表观 粘度模型是根据聚合物在多孔介质中的 剪切稀释和剪切增稠来符合实验数据而发展起来的。这种模拟器被应 用于组分

3、化学驱模拟器中和成功历史拟合所开发的岩心驱替原油开 采试验中。系统的流变性测定和岩心驱替，以及使用表观粘度模拟器都证实 了不同的聚合物弹性作用有助于提高聚合物的驱油效率。尤其对聚合 物溶液的剪切增稠性进行描述时，是根据大量的流变测定而得到的分 子松弛时间来决定的。一、前言对大多数油藏来说，由于油藏的非均质性，在大规模水驱之后仍 然有大量的原油无法被采出。一旦水在高渗透区形成渠道后，随后的 注入水在低渗透区只能绕过，而未波及处原油将滞留下来。为了开采 出未波及到的原油 ，用低浓度的聚合物溶液增加注入水的 粘度来提高 原油的波及效率。50 多年来为了发展和改善聚 合物 驱 方法开展了 大 量研究（

4、见 Sorbie 所述，1991 年）。现在聚合物驱被认为是一 种技 术性和商业性有力的提高原油采收率的方法，尤其是中国北部的大庆 油田实 施大 规模的 聚合物 驱之 后，每 天都能 增 产 300,000 桶左右 的油 量（王 某等人，2001 年）。像其他运 用的地 方，部分水 解聚丙烯酰 胺被应用于全球可利用的低成本之处。聚合物能用于聚合物驱油，关键是它的剪切稀释作用。聚合物溶 液的粘度随着剪切速率减小，因此它在油藏岩石中的表观 粘度一般随 流动速度减小。这是一个理想的特性，因为聚合物溶液被注入井内的 流度速度很高，而没有过大的压力降落。同时这种特性在驱替油藏深 部的未波及原油中存在一个

5、弱点，由于流动速度在高渗透区比低渗透 区更大，所以聚合物溶液的粘度在高渗透区要低于在低渗透区的粘 度。因此，让更多的注入液体到达低渗透区的目的是无法实现的。 Jonse 在 1980 年 用 一个 简单的 分 析阐明了 这 个观 点 。 他 表明 对于大 油藏来说，尤其是在近井带存在着剪切增稠的流体能够更有效地驱替 低渗透区未波及的原油。在高渗透区聚合物溶液的表观粘度能够增 高，实现提高波及效率的目的，对于聚合物溶液的这个理想化特性能 使近井带流体的粘度降低，除此之外就是剪切增稠带来的高粘度影 响。HPAM 的剪切增稠行为HPAM 溶液在多孔介质中流动的一个重要特征是 指由低到中间流 动速度（

6、或有效剪切速度）之 间为剪切稀释作用，当超过这个流动速 度后就 成为 高剪切 增稠（ 见 Maerker 所述 ,1984 年）。其 主要 原 因是 高表观粘度，因为聚合物分子流经油藏岩石中的一系列 孔隙空间和喉 道时，流场发生伸展和收缩现象。假如流动速度太高，聚合物分子没 有足够的松弛时间伸长和重新环绕来适应流动状态，由此产生的弹性 应变导 致了 明显的 高 粘度 。在 给定的 流速 下，高 分子量 的 HPAM 比低 分子量的 HPAM 表现出更强的剪切增稠作用。 对这一点下面将会进一 步的阐述。这个有趣的推理和上述提到的大庆油田聚合物驱德效果，此 时是 值得注意的。大庆油田研究人员在实验

7、室进行的岩心流动 实验中观察 到 HPAM 溶液的粘弹性有助于驱替出大规模水驱后 的残余油，而且它 们将随着相当高分子量（MW 1500万）的HPAM流动，表现出更显著 的粘弹性行为（ 王某等人， 2001 年）。虽然人们普遍认为聚合物驱无 法驱替水驱的残余油饱和度， 原因是当聚合物驱之前没有进行水驱 时，它的残余油饱和度可能低于水驱残余油饱和度（ 见 Hub 和 Pope 2008 年文献综述）二次聚合物驱使残余油饱和度减小的可能机理在 Huh 和 Pope 之间的讨论（2008 年）。原油采收率进一步提高的另一 个解释可能是由于聚合物的剪切增稠行为有助于更快地驱替出那些 在残余油附近仍可动

8、的但很难驱替的原油，或更有效地驱替出那些小 规模非 均质 性的 未 波及到 的 原油 。基于更早的文献依据和中国人的研究， 表明了聚合物溶液的剪切 增稠特性与它的增粘能力相结合对提高未波及原油的波及效率有影 响，其原因是油藏的非均质性。实际上，剪切增稠能够提高波及效率 的潜在作用早已经被认识到了（ 见 Jones 所述， 1980 年）。由于聚合 物的剪切增稠引起了注入井中迅速的压力降落和潜在的机械降解，这 个关键问题仍然需要被解决。很多研究人员很早就试图研究聚合物在 中等流动速度下的剪切增稠作用，以及在高度流动速度下的剪切稀释 作 用（ 见 Maerker 和 Sinton,1984 年 ）

9、。这 种 聚 合 物 被 称 为 双 功 能 聚 合物或伴生聚合物，它们的制造成本相当昂贵，在油藏中也很难控制 它们的行为。调整它们的分子结构来适应不同流动速度和不同油藏的 盐度要求也是很困难的。随着相对较低分子量的 HPAM 已经在早期提高采收率被应用， 而 其剪切增稠行为通常没有在油藏条件下的一系列流动速度中被研究。 因而，剪切稀释流变模型如 Carreau 模型的应用下面给以描述。随着 分子量大于 2000 万的 HPAM 的使用，剪切增稠行为变得更重要，原因 是剪切稀释和剪切增稠行为的可靠流变关系需要被研究。认识到它的 重要性之后，大量的研究人员试图依据聚合物分子参数及流体在多孔 介质

10、中的流动条件来模拟剪切增稠行为。（ Hirasaki 和 Pope,1974 年 ； Haas 和 Durst, 1981 年 ； Heemskerk 等 人 , 1984 年 ； Masuda 等人，1992 年；Ranjbar 等人，1992 年；Han等人，1995年）。这项 研究的主要目的是在没有测量聚合物溶液油藏岩石中流动的表观粘 度的情况下， 研究整个系列流动速度流变测量粘度的相关性。二、聚合物溶液的流变模型表观粘度模型涵盖了在油藏岩石中的全部牛顿流型，剪切稀释和 剪切增 稠行 为 。它 是 Carreau 模型和 剪切增 稠 粘度 随 Deborah 数相 关 经验模型的组合，D

11、eborah数是聚合物分子在孔隙空间和喉道之间的 松弛时间与平均滞留时间的比值。这种模型的关键特征是表观粘度通 过有效剪切速率能得到与达西流动相关的全部流速。这种模型的一个 重要优点是与不同聚合物和不同岩石相关联的表观粘度可以由聚合 物 溶液粘度的 流变来测量和 一些有限的 岩心流动数据得到的 。 Deborah 数可以由流变测量和 Rouse 模型（ Bird,1977 年）的松弛时 间 获得 。全速度范围的表观粘度模型在制定一项全面的表观粘度模型时，我们假设它依靠的是达西流 速（或有效剪切速率）所包含的两部分：剪切粘度主导部分hh和伸 展粘度主导部分町。(1)混合表观粘度模型是由以 Car

12、reau 方程为代表的剪切粘度主导 部分和以依据 Deborah 数为代表的伸展粘度主导部分组成， 它已被 Hirasaki 和 Pope 及其他人在 1974 年所模拟。剪切稀释流态下的表观粘度聚合物表现出的剪切稀释行为广泛地应用于一些聚合物溶液的 流变模型中的是Carreau模型（Cannella 等人，1988年）：(2)其中，LI 多孔介质中表观剪切粘度；匚：和 分别表示在低 剪切极限和高剪切极限下的极限牛顿粘度；丫曲有效剪切速率（式 3）；入和n特定聚合物的经验常数；a 一般取2。对于中间剪切 速率， Carreau 方程表现出的是幂的关系。上面的解释能够证实聚合物溶液在多孔介质中流

13、动时的表观粘 度可以用粘度计测量粘度，可以在合适的可渗透岩石中有效剪切速率 来表示：(3)其中，口附聚合物溶液中水相速度；k渗透率；k水相相W对渗透率；S含水饱和度；0孔隙度。Cannella等人在1988W年发表：当上式 C=6.0 时， 表观粘度与广泛的岩石驱替数据更符合。 然而， C 值一般是渗透率和孔隙度的函数。 Wreath 等人在 1990 年对 有效剪切速率的不同表示作了一个复杂的综述， 其中包括上式。 剪切增稠流态下的表观粘度当聚合物分子流经油藏岩石中的一系列孔隙空间和喉道时，流动 区域将出现伸展和收缩现象。因此，聚合物分子重新伸展和卷曲来适 应流动状态。假如流动速度过高，聚合

14、物分子没有足够的松弛时间来 重新伸展和卷曲来适应流动状态。这种弹性伸展的结果将导致聚合物 出现明显的高粘度， 表示为剪切增稠行为。为了说明剪切增稠行为，和其他人一样，我们假设Z是Deborah 数（NDb ）的一个经验函数。Deborah数是聚合物分子松弛时间（t）D ebr与流体流经一系列孔隙空间和喉道时伸展和收缩特征时间（t E）的比 值， 它描述了聚合物的弹性伸展能力（ Bird 等人， 1977 年）。Hirasaki 和 Pope 于 1974 年提出一个模型：(4)耳=山11 l-NDebMasuda 等 人 于 1992 年提出 ：应1二山hQ （兀訪严其中，C和m为经验常量。这

15、里我们提出一个不是由山 标量的模型:CC(6)其中，卩，為和n2为经验常量。式6中所提出的模型与上面的式4ma x 22和式5的模型有一个明显的区别，上面模型中的值卩el是随NDeb增加 而不确定性的增加，然而我们提出的模型提供的是卩 的恒定值。max在上式中 Deborah 数可以被定义为：(7)NDeb =Masuda 等人所提出的与式 3 中的有效速率正好相反， 它是一个平均滞留时间（J ）的近似值。Hirasaki和Pope于1974年，DurstE西 d (1oSw5 Okknv等人于 1981 年及 Haas 和 Durst 于 1981 年都近似得出与油藏岩石中 流动伸展和收缩比

16、值相反的平均滞留时间，s:(8)其中，v隙间流速，d平均孔隙大小，使用Kozeny-Carman 方程得到的式 8下面的表达式。注意式 3和式 8的有效剪切速率都依靠 于关键参数 uw， k 和 krw， 但系数值是不同的。wr w表观粘度的表达式包含有达西速度的全部区域，联立式 1， 2和 6 得：(9)一些模型已经被提出来预测聚合物分子的松弛时间， 下面会作出 简要的 综述 。聚合物分子的松弛时间模型松弛时间模型被广泛地分为两类：（i ）全部依靠经验测定；（ii ） 依靠溶液中聚合物分子的动态理论考虑。下面对这两个应用比较广泛 的模型进行描述， 其他模型将在附录中作简要讨论。粘性的相对大小和聚合物溶液的瞬时粘度的弹性部分是常用动 态扫频测