EOR第四章

第四章聚合物驱POLYMERFLOODING以聚合物溶液为驱油剂的驱油法。也称为：聚合物溶液驱聚合物强化水驱稠化水驱增粘水驱。第一节聚合物驱的概念1972年，在大庆油田开展小井距的聚合物驱试验。聚合物驱在大庆、胜利等油田已进入工业化应用阶段。大庆油田的聚合物驱成为世界上最大的聚合物驱项目。1997年，累计注入聚合物干粉23700t，工业应用面积达101.3km2，全国聚合物驱年增产原油达303万t。2000年，聚合物驱年增产原油达500万-700万t。第一节聚合物驱的概念基本原理——增大水的粘度——降低了水的流度——减小水油流度比——抑制水的指进——提高波及系数——提高原油采收率第二节聚合物驱提高采收率的作用原理聚合物驱有更高的平面波及效率－提高了采收率图4-3水驱与聚合物驱的平面波及效率第二节聚合物驱提高采收率的作用原理降低了水油的流度比－有更高的纵向波及效率－提高了采收率图4-4水驱与聚合物驱的纵向波及效率k2k3k1聚合物溶液在低K层的流度λ小于在高K层中的λ，故在随后的水驱中，水可在高、低K层之间窜流，提高了水的波及系数。图4-6聚合物驱时水在层间的窜流效应第二节聚合物驱提高采收率的作用原理一、增粘机理缠绕+亲水集团的溶剂化+离子型聚合物的解离聚合物可通过增加水的粘度，降低水油流度比，从而提高波及系数。聚合物之所以能增加水的粘度，主要由于：（1）水中聚合物分子互相纠缠形成结构；（2）聚合物链节中亲水基团在水中溶剂化；（3）若为离子型聚合物则其在水中解离，产生许多带电符号相同的链节，使聚合物分子在水中所形成的无规线团更松散，因而有更好的增粘能力。第二节聚合物驱提高采收率的作用原理第二节聚合物驱提高采收率的作用原理会在高分子链的周围形成一层分子排列规整的溶剂化层，使高分子链变得僵硬，构象不易改变。二、降低渗透率机理聚合物可通过减小水的有效渗透率，降低水油流度比，从而提高波及系数。聚合物之所以能减小水的有效渗透率，主要由于它可在岩石孔隙结构中产生滞留。聚合物在岩石孔隙结构中有两种滞留形式：（1）吸附吸附是指聚合物分子通过色散力、氢键或其他作用力在岩石表面所产生的浓集。（2）捕集聚合物分子在水中所形成的无规线团的半径虽小于喉道的半径，但是它们可通过架桥而滞留在喉道外。这种滞留叫捕集。第二节聚合物驱提高采收率的作用原理聚合物分子可通过架桥而滞留在喉道处－降低KrW图4-5聚合物分子在吼道外的捕集第二节聚合物驱提高采收率的作用原理目前普遍认为聚合物驱只是通过增加注入水的粘度，改善水油流度比，扩大注入水在油层中的波及体积提高原油采收率。但是研究发现聚合物驱也可以通过提高洗油效率来提高采收率。第二节聚合物驱提高采收率的作用原理夏慧芬，石油学报，2006第二节聚合物驱提高采收率的作用原理夏慧芬，石油学报，2006第二节聚合物驱提高采收率的作用原理具有相同粘性的牛顿流体和粘弹流体的最终采收率不同，水驱后再聚合物驱替的最终采收率高于水驱后再甘油驱替的最终采收率,粘弹流体的驱油效率高于粘性流体。聚合物溶液具有粘弹流体的特性。在亲水岩心中,具有粘弹性的聚合物溶液可以驱动盲端中的可动残余油。粘弹性聚合物溶液均会降低各类水驱残余油量。残余油是被聚合物溶液携带出来的，而不是推出来的。粘弹性越大，携带出的残余油量越多,驱替效率越高。聚合物溶液提高驱油效率的原因是由于聚合物溶液是粘弹性流体，聚合物溶液的粘弹性是由分子链的柔顺性引起的，链的柔曲性越大，粘弹性越显著。柔性分子的力学特征是在拉伸应力作用下产生粘弹形变，即分子形变随时间发展，应力消失后，又随时间回复原形。弹性又具有很多不同的表现形式有后面的液体可以推前面的液体，同时还有拉动侧面及其后面液体的作用，这是因为溶液中长链聚合物分子是相互缠绕的，一个分子要动，前后左右的分子都得动（整体移动），即可产生“海绵胀缩现象”第二节聚合物驱提高采收率的作用原理因此聚合物可以大幅度的提高非均质性较严重的油层的采收率。一般来说，聚合物驱比水驱提高采收率6%~13%。第二节聚合物驱提高采收率的作用原理聚合物溶液的前后需注入淡水段塞（盐敏作用）图4-7聚合物驱段塞图1-剩余油；2-淡水；3-聚合物驱溶液；4-水HPAM的盐敏效应W(NaCl):1-0;2-0.01%;3-0.1%;4-0.5%;5-10%聚合物的盐敏效应是指对聚合物溶液粘度产生特殊影响的效应。HPAM的盐敏效应是由于HPAM周围由羧基与钠离子所形成的扩散双电层受到盐的压缩作用所引起的。盐加入前，HPAM的扩散双电层使链段带负电而互相排斥，HPAM分子形成松散的无规线团，因而对水有很好的稠化能力；盐加入后，盐对扩散双电层的压缩作用，使链段的负电性减小，HPAM分子形成紧密的无规线团，因而对水的稠化能力大大减小。第三节阻力系数与残余阻力系数水的流度对聚合物溶液流度的比值。反映了聚合物降低驱动介质流度的能力。其值大于1。一、阻力系数（Resistancefactor）阻力系数是指水的流度对聚合物溶液流度的比值，即式中，FR——阻力系数；kw——水通过岩心时的有效渗透率；kp——聚合物溶液通过岩心时的有效渗透率；μw——水通过岩心时的粘度；μp——聚合物溶液通过岩心时的粘度。阻力系数反映了聚合物降低驱动介质流度的能力，它的数值总大于1。数值越大，降低流度能力越强。ppwwpwRkkF第三节阻力系数与残余阻力系数阻力系数FR的测定：测定阻力系数需在已知岩芯截面积A、长度L的基础上，测定水和聚合物在岩芯中稳定流动的流量和压差，阻力系数FR可由下式计算：wbpwppwwppwwpwRPQPQPALQPALQKKF////二、残余阻力系数（Residualresistancefactor）残余阻力系数是指聚合物溶液通过岩心前后的盐水渗透率比值，即式中，FRR——残余阻力系数；kwi——聚合物溶液通过岩心前的盐水渗透率；kwn——聚合物溶液通过岩心后的盐水渗透率残余阻力系数反映了聚合物降低孔隙介质渗透率的能力，它的数值总大于1。wnwiRRKKF聚合物溶液的残余阻力系数反映了聚合物溶液在岩石孔隙介质流动过程中对岩石渗透率造成的永久损失；同时，反映了聚合物溶液调整吸水剖面的能力，数值越高，表明聚合物溶液改善油层非均质性、堵塞高渗透层的能力越强。二、残余阻力系数（Residualresistancefactor）由残余阻力系数定义可知，测定岩芯注聚合物前后的盐水测渗透率即可求取该参数。注聚前水测渗透率Kwb和注聚后水测渗透率Kwa可由如下达西公式计算：110wawwawapAQLKFRR=Kwb/Kwa二、残余阻力系数表4-1聚合物的阻力系数表4-2聚合物的残余阻力系数阻力系数总是大于残余阻力系数聚合物阻力系数HPAM(DowPusher500)XG(Pfizer1035)12.514.6聚合物残余阻力系数HPAM(DowPusher500)XG(Pfizer1035)2.73.2第三节阻力系数与残余阻力系数30℃，岩心渗透率为350×10-3～550×10-3μm2，聚合物质量浓度为750mg/L，氯化钠质量浓度为1000mg/L，驱动速度为0.305m/d的条件下。阻力系数-与增粘作用和降低渗透率有关；残余阻力系数-只与降低渗透率有关。从表4-1和表4-2的对比可以看到，阻力系数总大于残余阻力系数，这是由于阻力系数既与聚合物的增粘作用有关，也与聚合物通过滞留而使孔隙介质降低渗透率有关，而残余阻力系数则只与聚合物通过滞留而使孔隙介质降低渗透率有关。wppwkkkkFppwwpwRwnwiRRKKF第三节阻力系数与残余阻力系数三、筛网系数(Screenfactor)聚合物的粘弹性：在拉伸状况下，无规律的线团柔性分子转换成了有序的伸展状态，导致体系粘度急剧增加。聚合物粘弹性对注入性能影响：聚合物溶液在多孔介质中流动时，通过孔隙与孔隙之间的连换处(即孔喉)以及井底射孔孔眼处时往往表现粘弹性行为。筛网粘度计由来：为了方便地检测聚合物分子的粘弹性行为，Jenning等研制了一种筛网强度计，模拟聚合物溶液在变径处的流动行为，用筛网系数表征。三、筛网系数(Screenfactor)一定体积的聚合物溶液通过筛网的流出时间与同体积的溶剂在相同条件下流出时间的比值。是评价聚合物溶液性质的一个简单实用的指标。与阻力系数和残余阻力系数都有很好的对应关系。图4-8筛网系数测定装置图4-9筛网系数与阻力系数和残余阻力系数的对应关系spsttF式中，Fs——筛网系数；tp——聚合物溶液的流出时间；ts——溶剂的流出时间。参数匹配阻力系数和残余阻力系数被广泛地用于描述聚合物溶液改善流度比和降低渗透力的能力，是室内筛选和评价聚合物的重要指标，也是矿场方案设计和实施的重要依据。描述聚合物溶液渗流特性的阻力系数、残余阻力系数和筛网系数在很大程度上与聚合物的相对分子质量及其分布密切相关。过低的相对分子质量不会对阻力系数、残余阻力系数等起作用，达不到调节流度和吸水剖面的目的。过高的相对分子质量会使注入压力明显增加甚至难以通过孔隙而形成堵塞，同时拉伸效应也易于使分子链断裂而降解。第四节聚合物驱用聚合物(Polymerforpolymerflooding)聚合物驱用的聚合物应满足下列条件，即水溶性好、稠化能力强、对热稳定、对剪切稳定、对化学因素稳定、对生物作用稳定、滞留量低、来源广、便宜等。满足上述条件的聚合物：HPAM（部分水解聚丙烯酰胺）XG（黄胞胶）HPAM溶液有下列重要性质：一、粘度二、渗流性质三、稳定性四、滞留HPAMHPAM的分子式为一、HPAM溶液的粘度粘度的影响因素：分子量；水解度；浓度；温度；剪切速率；水矿化度；PH值等。一、HPAM溶液的粘度模型特性聚合物驱油渗透率×10-3µm2孔隙度%油饱和度%聚合物分子量×104聚合物浓度mg/L聚合物粘度mPa.s聚合物注入量Vp采收率提高值%279929.974.5650180014.51.020.1211226.571.41130110012.91.0320.9216126.172.1250080016.71.0121.4分子量对驱油性能影响浓度一般800-2000mg/L;温度一般不高于90℃。图4-10质量分数、温度对HPAM溶液粘度的影响1-2℃；2-25℃；3-40℃温度：温度升高，粘度下降。这是由于分子间引力减小，不利于网络结构的生成；温度升高，高分子溶剂化程度下降，高分子更加蜷曲，粘度减小。质量分数：高分子在溶液中主要采取蜷曲的构象，当高分子的质量分数超过一定数值后，由于高分子的彼此靠近而发生蜷曲分子的相互缠绕，形成网络结构，从而使粘度大大增加水解度一般选择20-30%图4-11水解度对HPAM溶液粘度的影响聚合物溶液的水解度增加→聚合物中阴离子的含量增加→使整个高分子所带的电荷量和电荷密度增加→基团间的静电斥力增加→高分子链更趋伸展→溶液中的高分子的体积增大→溶液的粘度增加。聚合物的水解度过高，化学稳定性差，容易与水中的钙，镁离子作用形成沉淀。酸性条件下,HPAM分子中的羧酸基以分子形式(—COOH)存在,由于静电排斥力的降低,聚合物分子链段紧密卷曲,溶液粘度降低;随着pH值的升高,—COOH电离成离子(—COO-),分子间及分子内部斥力增加,分子形态由卷曲逐渐变为舒展,流体力学半径增大,因此溶液粘度增加;当溶液为中性或弱碱性时,羧酸基已经基本离解成离子,溶液粘度变化趋于缓慢.1、剪切应力：τ液流中各层的流速不同，故层与层之间必然存在着相互作用。由于液体内部内聚力的作用，流速较快的液层会带动流速较慢的相邻液层，而流速较慢的液层又会阻碍流速较快的相邻液层。这样在流速不同的各液层之间会发生内摩擦作用，即出现成对的内摩擦力(即剪切力)，阻碍液层剪切变形。二、HPAM的渗流性质剪切应力τ：流体单位面积上的内摩擦力。τ=F/APa式中：F-----流体的内摩擦力NA-----面积m2意义：τ越大，液流各层所受的作用力越大；反之