2.聚合物驱

第2章聚合物驱PolymerFlooding聚合物驱油◆概述◆EOR用聚合物及性质◆聚合物溶液的流变性◆聚合物溶液在孔隙介质中的流变性◆聚合物溶液在孔隙介质中的流动特征◆聚合物现场驱实施1.概述◇改善流度比◇调整吸水剖面聚合物驱作用增加排驱介质的粘度，降低水相流度，改善流度比，提高波及效率，从而提高采收率。聚合物驱已进入工业化应用,提高采收率5-10%OOIP。每吨聚合物增油150吨左右。流度比与驱替前缘的稳定VfVDVDVf=M=Kw/μwKo/μo要使M降低，可以通过降低水相渗透率和提高驱替相的粘度来实现。1.概述油和水水注入井生产井水驱指进现象1.概述生产井油和水水聚合物注入井聚合物驱前缘稳定现象1.概述2.聚合物及其溶液性质•聚合物•聚合物的溶解•聚合物溶液的粘度2.1驱油用聚合物聚合物是由大量的简单分子(单体)聚合而成的天然或合成物质。EOR中的聚合物主要有：HPAM、XG、KYPAM、AP2.聚合物及其溶液性质1)部分水解聚丙烯酰胺CH2-CHnCONH2nCH2CHAMPAMCONH2引发剂(PartiallyHydrolyzedPolyacrylamide,HPAM)①聚丙稀酰胺的结构1.1驱油用聚合物〔CH2-CH〕nCONH2PAM〔CH2-CH〕XCONH2〔CH2-CH〕YCOONa+yNH3+yNaOHHPAM②部分水解聚丙稀酰胺的结构酰胺基羧基1)部分水解聚丙烯酰胺◇为了增粘性需要；◇PAM不易溶解；◇由于PAM在矿物表面被强烈吸附，使用HPAM是为了减少驱油过程中的吸附损失。使用HPAM的原因1)部分水解聚丙烯酰胺2)黄原胶生物聚合物—黄原胶(XanthanGum,XC)的特点◆耐盐；◆抗剪切；◆易于生物降解。价格高，约3-4万元／吨左右，应用较少。2.1驱油用聚合物磺原胶XC的分子结构structureofxanthanbiopolymerM—Na、K、CaOCCOOMCH2O-CH2OOOOOCOOMOHOHOHOOHH3CCOOCH2OOHOHOCH2OHOHOOCH2OHOOHOHhydroxyl2.1驱油用聚合物◎新型缔合聚合物（NovelAssociativePolymers,NAPs)：通过疏水缔合作用，产生缔合结构，提高耐盐耐温和抗剪切性能；◎大分子表面活性剂（HighMolencularSurfactant）兼有流度控制能力和驱油作用。一般所说的聚合物驱指部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)驱。3)改性聚合物—提高耐温耐盐性2.1驱油用聚合物2.2聚合物分子的柔顺性高分子聚合物较低分子而言，有许多特殊性质，如高粘度，高弹性和柔顺性。这些性质与主链上C-C键的自由旋转特性有关，它可使主链弯曲而具有柔性。2.聚合物及其溶液性质1）PHPAM的分子性能分子链较长，因主链上的C-C单键产生内旋转，而具有柔曲性，象弯曲的丝线一样。分子形态千变万化，具有不同的构象，称为无规线团（resemblesaflexiblecoil），无规线团自然卷曲状态最稳定。YC1C2C4C3b1b3b2θXZRotarymolecule2.2聚合物分子的柔顺性2）聚合物溶液线团结构流体力学等价球：溶液中的每个分子线团被看着是包着溶剂的一个球。该球具有柔性，受力后可变形。“被束缚的”溶剂“自由”溶剂线团体积聚合物分子Flexiblecoil2.2聚合物分子的柔顺性Flexiblecoil2.3聚合物的溶解分散溶胀溶解良溶剂：使聚合物分子舒展开的溶剂非良溶剂：使聚合物分子卷曲的溶剂溶剂性质直接影响聚合物分子的溶解，当然也影响聚合物分子在其中的状态，从而影响聚合物溶液的粘度。1)聚合物的溶解过程2.聚合物及其溶液性质3）聚合物溶液的配制水聚合物干粉溶胀过程：溶剂分子(水)渗入到大分子线团中，使大分子体积胀大的过程。完全溶胀需半小时以上。实验室：在搅动的水旋涡中慢慢加入干粉，必须均匀分散防止出现“鱼眼”。现场上简易方法：从循环水上的漏斗中加入。2.3聚合物的溶解2.4聚合物溶液的粘度☆聚合物溶液粘度的概念☆聚合物溶液的特性粘数☆影响聚合物溶液粘度的因素2.聚合物及其溶液性质1)聚合物溶液的表观粘度粘度是流体流动时分子间内摩擦力的度量，单位为mPa.s，定性的说是物质粘稠的程度。),,,,,(ppCTDSTMf表观粘度指其它条件一定时，随剪切速率不同，溶液所表现出的粘度不同。通常采用Brookfield粘度计测表观粘度，一般驱油用聚合物溶液粘度为几十mPa.s。2.4聚合物溶液的粘度2)聚合物溶液的特性粘数-概念聚合物浓度趋近于零时，对比粘度的极限值;用来描述聚合物分子对粘度的贡献。ssRscrcRcsscccLncLnclimlimlimlim0000ηs：溶剂粘度，mPa.s;ηr：相对粘度，ηr=η/ηs,无因次;η：极低剪切速度下测得的聚合物溶液的粘度，mPa.s;ηR：对比粘度，dl/g(浓度的倒数);[η]：聚合物特性粘数，dl/g，表示单位聚合物分子在溶液中所占流体力学体积的相对大小，是度量聚合物尺寸的重要参数.2.4聚合物溶液的粘度对于聚合物稀溶液来说，聚合物/溶剂体系的比粘度与聚合物溶液浓度C之间的关系满足Huggins方程：CKCsp2'sssp式中——Huggins常数，对于线性柔性高分子（如HPAM）在良溶剂中，=0.3~0.45。'K图3-5聚合物溶液的比浓粘度与浓度的关系2.4聚合物溶液的粘度'K根据Huggins方程，在给定的盐水中，通过测定不同的溶液粘度，作出ηsp/C或lnηr/C与浓度C之间的关系（如图3-5）。将ηsp/C～C或lnηr/C～C的直线外推至浓度为零处，交点所对应的值就等于特性粘数。2)聚合物溶液的特性粘数-确定方法C，×10-4ml/g[η]=7800ml/gηsp/Clnηr/C60007000800090001000011000此外，Kraemer提出了相对粘度ηr与聚合物浓度的关系：式中——常数，对于聚合物良溶剂来说，=0.05±0.005。CKCr2''ln''K''K3)影响聚合物溶液粘度的因素聚合物分子量和结构分子量越高，线团体积越大，粘度越大结构不同粘度不一溶剂类型良溶剂中，分子伸展，分子内摩擦力增大，粘度增大盐和盐的类型盐浓度越高，溶液拈度越小;二价阳离子较一价阳离子的影响大得多.水解度水解度越高，羧钠基(-COO)多，基团间斥力大，分子更舒展，无规线团体积，粘度大。聚合物的降解作用机械降解：在高流量区(阀门、射孔孔眼)因强烈的剪切和拉伸，使大分子降解；化学降解：细菌、氧、光照等作用、生物聚合物因发酵失去增粘作用；高温降解：温度升高，粘度下降（PHPAM的适宜的温度≤70℃）。2.4聚合物溶液的粘度2.5聚合物溶液的流变性流变性的基本概念剪切流动及其流变曲线聚合物溶液常用的流变模型2.聚合物及其溶液性质1)流变性的基本概念流变性：流体在外力场的作用下，发生流动和变形所表现出来的特性。粘滞性：流体流动时所具有的抵抗剪切变形的性质。应力：形变后，企图把形变恢复的内部力。应变：形变量与原尺寸之比。2.5聚合物溶液的流变性2)剪切流动及其流变曲线FAvydvydydydVy)(/fAF①剪切流动模型2.5聚合物溶液的流变性②流变曲线bacd剪切应力剪切速率ka:牛顿流体，b:塑性流体，yc、d：幂律流体，nkn＜1，假塑性流体n＞1，胀流性流体2)剪切流动及其流变曲线3)聚合物溶液常用的流变模型Power-Law模型Ellis模型Carreau模型2.5聚合物溶液的流变性①幂律模型（Power-Law）描述假塑性和胀流性流体η—聚合物溶液的表观粘度K—稠度系数n—流变指数，无因次，假塑性，0.4≤n≤1.0＝Kn(n1)η=/=Kn-1(n-10)3)聚合物溶液常用的流变模型①Power-Law流变特征图log1loglognkloglog3)聚合物溶液常用的流变模型斜率=n-1截距=k②Ellis模型01211/aη0—零剪切粘度Τ1/2—η=η0/2时的剪切应力α—流变指数，等于Power-Law幂律模型中的1/n3)聚合物溶液常用的流变模型②Ellis流变特征图log[(0/）-1]=(a-1)log(/1/2）log01log/12斜率=a-13)聚合物溶液常用的流变模型a=1/n③Carreau模型2/1201n0-零剪切粘度-极限剪切粘度(n-1)-Power-Law区直线的斜率-溶液流变性从第一牛顿区向剪切变稀区Power-Law转变的时间常数,为第一牛顿区与Poweer-Law区直线交点所对应的剪切速率的倒数。3)聚合物溶液常用的流变模型③Carreau流变特征图Log()0斜率=(n-1)loglog3)聚合物溶液常用的流变模型/1斜率=(n-1)2/1201n3.聚合物溶液在孔隙介质中的流变性聚合物溶液的有效粘度聚合物溶液在孔隙介质中的粘弹性影响孔隙介质中流变性的因素筛网系数孔隙介质的特点孔隙介质有孔有喉，流道小，不规则，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。3.聚合物溶液在孔隙介质中的流变性孔喉孔隙3.1聚合物在孔隙介质中的有效粘度VLPAefk△),(pacf),,(kvf2/1)150(12)413(wKAqnn孔隙介质中聚合物溶液的剪切速率：3.聚合物溶液在孔隙介质中的流变性ef：有效粘度，s：剪切粘度，st：拉伸粘度，Vcr：临界流变流速stVefVcrss孔隙介质中聚合物溶液的有效粘度：ef=s+st3.1聚合物在孔隙介质中的有效粘度3.聚合物溶液在孔隙介质中的流变性3.2聚合物溶液的粘弹性问题提出：粘性水驱时，相同条件下，HPAM的驱油效果优于别的增粘剂；HPAM溶液几乎不能降低界面张力，但发现它可以提高微观驱油效率。油油分别用HPAM溶液和甘油驱替，效果大不相同这与聚合物的粘弹性有关3.聚合物溶液在孔隙介质中的流变性①粘弹性流体3.2聚合物溶液的粘弹性粘性：外力作功流动，外力消失形变不恢复（外力对流体作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。②.粘弹性流体特征t1t2t弹性体粘弹体施加外力t1t2tt1t2t3.2聚合物溶液的粘弹性③粘弹性的表现回流现象与流出胀大现象流动压力随流速变化的现象——聚合物溶液的粘弹性冲洗渗透率随流速变化的现象——滞留聚合物分子的粘弹性3.2聚合物溶液的粘弹性流体在孔隙介质中的流动压差流速粘弹性流体牛顿流体胀流型流体③粘弹性的表现3.2聚合物溶液的粘弹性④滞留聚合物分子的粘弹性表现水在孔隙介质中的流动（线性渗流速度条件下）压差流速纯孔隙介质滞留有聚合物分子的孔隙介质3.2聚合物溶液的粘弹性⑤粘弹效应系数RveKf1Kf降压后岩芯渗透率进一步降低。Kf1KfQ1’△PQ0△P0Q1△P13.2聚合物溶液的粘弹性⑤粘弹效应系数Rve110011001PQPQPALQPALQKKRwwfve反映滞留聚合物分子粘弹性回复引起的岩石渗透率下降的大小。物理意义：3.2聚合物溶液的粘弹性3)影响孔隙介质中流变性的因素聚合物的分子类型和结构溶液矿化度孔隙介质的渗透率4）筛网系数筛网系数SF=溶液流过隔板的时间tp溶剂流过隔板的时间ts筛网粘度计示意图筛网系