提高原油采收率原理(第三章聚合物驱)

Shear Thinning
Upper Newtonian
lgγ (1)剪切速率低，溶液粘度基本不变，表现出牛顿流体的流变性。 （2）剪切速率适中，具有剪切稀释性，表现出假塑性流体特征。 （3）在较高剪切速率下，再次表现出牛顿流体的流变性。
四、聚合物溶液的稳定性
1.机械稳定性 聚合物驱过程中，聚合物从地面注入至地层会发生聚合物机械
二、聚合物的调剖作用
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3-4 渗透率基差对纵向波及效率的影响 K2>k3>k1
降低了水油的流度比－调整吸水剖面—提高了波及系 数－提高了采收率
假设有一油层含有渗透率分别为K1和K2的两个层段，并且 K1/K2=5。在不考虑重力影响的前提下，高渗透层水突破 之前任一注水阶段时两层段吸水量之比：
ONa y
（2）黄原胶(Xanthan Gum, XC) 耐盐，但易于生物降解，价格高，约５万元／
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.过滤曲线：以累计过滤量为横坐标，累计过滤时间为纵坐标 聚合物溶液在一定压力下通过一定孔径滤膜的累 计时间和累计流量的关系可用二次方程T=a+bQ+ cQ2表征，计算出设定流量下的时间，便可求出 过滤因子。
3.筛网系数（Screen Factor）
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。
黄原胶的化学结构式
由黄 单胞 菌属 细菌 将碳 水化 合物 发酵 制得。
其主链为纤维素骨架，比HPAM有更多的支链结构。结构中掺 氧的环形碳键（吡喃糖环）不能充分旋转，因此黄胞胶靠分 子内相互阻绊作用，在溶液内形成较大的刚性结构，从而增 加水的粘度。
二、聚合物溶液性质
分子链较长，并且具有柔曲性(象弯曲的钢 丝一样 resembles a flexible coil）。
图 质量分数、温度对HPAM溶液粘度的影响 1-2℃；2-25 ℃；3-40℃
水解度一般选择20-30%
图 水解度对HPAM溶液粘度的影响
pH值一般9左右（8-11）
三、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
式中 SFo-聚合物降解前筛网系数（Screen Factor）； SF-聚合物降解后筛网系数。
(4)防止和减轻机械降解程度的措施 ①采用低速搅拌器，低剪切注塞式注液泵，避免使用针形阀； ②对于套管射孔完井，增大射孔密度和孔径； ③对于渗透率较低的油藏，注聚合物前对井筒附近采用小型酸化 ④采用单井单泵方式注聚合物，避免使用油嘴或阀门来控制调节
根据水驱油的相对渗透率曲线及油水粘度可计算 出不同含水饱和度下两个层段的吸水量比值。
表3-2典型的油水相对渗透率数据的计算结果
第三节 驱油用聚合物及溶液性质
一、驱油用主要聚合物
（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50×104—3000 ×104 之间，价格约2万元／吨。
N—粒子的个数；Vm—单个粒子的体积；
Vs—溶液的体积； μs—溶液粘度；
μ—溶剂粘度；k—常数。
现代高分子溶液理论认为，线形柔性高分子在其良 溶液中似球形状态，因此高分子溶液粘度可表示为：
p
wkw
NVm Vs
聚合物溶液粘度的两种表示方法：
1）表观粘度：为剪切应力与剪切速率的比值。
如果流体粘度为常数，则称为牛顿流体，否则称为 非牛顿流体，即粘度值在不同剪切速率下并不恒定 。 因此聚合物这种非牛顿流体的粘度称为表观粘 度或视粘度用η表示，即：
n：流动特征指数(power-law exponent)
（4）胀流性流体(Shear Thickening Fluid) ＝ K n (n>1)
= / =K n-1 (n-1>0)
K：稠度系数， n：流动特征指数
（5）粘弹性流体
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。
五、聚合物溶液的过滤性
聚合物溶液的过滤性是其通过微孔渗透膜能力大小的量度，是反映 聚合物溶液注入能力的一个参数，也是反映聚合物溶液通过孔隙能 力的度量参数。
1.过滤因子（Filter Factor）
FR500tt520000tt140000
式中 t500、 t400、 t200、 t100——分别为累计过滤500ml，400ml， 200ml，100ml时聚合物溶液所需时间。
：流体粘度,solution
viscosity
：剪切速率（速度梯度）,
shear rate
（2）塑性流体 － y＝
y ：屈服应力，剪切应力大于该应力时，流体 才能流动。
y
（3）假塑性流体 ＝ K n (n<1)
= / =K n-1 (n-1<0)
K：稠度系数(power-law constant)
ηR—对比粘度，L/mg； η—在非常低的浓度下测定的聚合
物溶液粘度，mPa·s；[η]—聚合物特性粘数L/mg。
特性粘数表示聚合物分子在溶液中所占流体力学体积的 相对大小，也是量度聚合物分子尺寸的一个重要参数。
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。
降解。机械降解是指聚合物分子受到的拉伸力大于分子内化学键所 承受的力时，聚合物分子发生断链现象。
(1)聚合物驱的机械降解过程 ①地面设备中流速变化处（闸门、喷嘴、静混器、泵、管线等）； ②机械搅拌过程中； ③聚合物溶液在地层驱动过程中尤其在井筒附近区域。
(2)影响剪切降解因素 影响剪切降解的因素有流速、流场应力分布、聚合物相对分子质 量水解度以及地层水矿化度。流速越高，拉伸应力和拉伸速率越 大，分子越容易断链。拉伸速率公式如下：
提高原油采收率原理 (第三章聚合物驱)
第一节 聚合物驱的概念
聚合物驱是指通过在注入水中加入少量水溶 性高相对分子质量的聚合物，增加水相粘， 同时降低水相渗透率，改善流度比，提高原 油采收率的方法。也称为改性水驱或聚合物 强化水驱、稠化水驱、增粘水驱。
注 水 井
采 油 井
4
4
2
3
2
1
1-剩余油；2-淡水；3-聚合物溶液；4-水
表观粘度是随剪切速率而变的粘度函数。
2）特性粘数[η] ：表示聚合物分子对溶液粘度的贡
献。其定义为聚合物浓度趋近于零时对比粘度的极
限值。表达式为：
lim ln rlim ln /s
C C 0
C 0
C
C li m 0Css
limR C0
R
s Cs
式中：ηs—溶剂粘度。mPa·s； ηr—相式中
Q-流速；A-截面积；Φ-孔隙度；
D
-岩石颗粒平均半径。
p
(3)机械降解描述方法 常用粘度损失率和筛网系数损失率表示机械降解的程度
o o10% 01o10% 0
式中 ηo-聚合物溶液降解前初始浓度，mPa·s； η-聚合物溶液降解后浓度，mPa·s。
SFSF oSF10% 0 SF o
为防止丙烯酰胺降解常在配制聚合物溶液中加入一定量的添加剂 甲醛、亚硫酸钠、硫脲、三乙醇胺和低分子醇等 ，增强聚丙烯酰 胺溶液的稳定性。
2）生物聚合物黄胞胶 （1）有氧环境：配制过程需加除氧剂，防止其降解。 （2）油层环境：适合于在70℃温度以下，中性pH值，地层水矿 化度偏高的油藏使用。其抗温性差，但抗Ca2+性较好。
第二节 聚合物驱提高采收率机理
图4-2 水驱与聚合物驱的相对渗透率曲线
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
foKrw/K w ro/Koro/o 1w o1•K Krrw o
式中：fo——采出液中油分流量； Krw——水相相对渗透率； Kro——油相相对渗透率； μw——水相粘度； μo——油相粘度。
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。
施加外力
t1
t2
t
弹性体
t1
t2
t
粘弹体
t1
t2
t
2.聚合物溶液具有的流变性
lgμ
Lower
Newtonian
Ｗhy? 因主链上的C-C单键产生内旋转。 分子形态千变万化，具有不同的构象，称 为无规线团，无规线团自然卷曲状态最稳定。
1.聚合物的溶解与增粘性
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。
sp K2C
C
sp
s s
式中：K`—Huggins常数，对于线性柔性高分子（如HPAM）在良性 溶剂中为0.3-0.45之间。此外， Huggins提出了相对粘度与聚合 物浓度的关系：
lnr K2C
C
式中 K``=0.05±0.005。根据Huggins方程在给定的盐水中，通
过测定不同的溶液粘度，做出ηsp/C或lnηr/C与浓度C之间的关系将 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。
q 1 1 K 1 K r 1 / w w K 1 K r 1 / o o K 1 •o /w K r 1 w K r 1 o q 2 2K 2 K r2 / w w K 2 K r 2 / o oK 22 o /w K r2 w K r 2 o
式中： q1、q2—分别是层段1及层段2中阶段瞬时吸水量； λ1、λ2—分别是层段1及层段2中阶段瞬时流体总流度； Krw1、Kro1 —分别是层段1中阶段瞬时水、油相对渗透率； Krw2、Kro2 —分别是层段2中阶段瞬时水、油相对渗透率； μw 、μo —分别是水、油粘度常数。
聚合物干粉
水
2.聚合物溶液的粘度
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。
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。
爱因斯坦粘度定律
sp
k
NVm Vs
式中 μsp—增比粘度，μsp=（μs-μ）/μ；
3.影响聚合物溶液粘度的因素
（1）浓度粘度 （2）分子量粘度 （3）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
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。
浓度一般8002000mg/L;温度一 般不高于90℃。
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。
Structure of Polyacrylamide
——CH2——CH—— C=0 NH2 x
Structure of Hydrolyzed Polyacrylamide
——CH2——CH————CH2——CH——
C=0
C=0
NH2 x-y
注入量。
2.聚合物的生物稳定性 加入杀菌剂甲醛、丙烯醛、二氯苯酚钠、无氯苯酚钠等，对油层 进行杀菌处理，确保聚合物的生物稳定性。
3.聚合物的化学降解 聚合物在氧气、金属离子等作用下，发生氧化还原反应或水解 反应，使分子链断裂或聚合物结构改变，导致聚合物相对分子 质量降低和其溶液粘度损失。
1）聚丙烯酰胺 （1）有氧环境：氧分子或自由基进攻聚合物主链上的薄弱环 节，生成氧化物或过氧化物，进一步使主链断裂，发生进一步 降解。温度升高、pH值降低及水解度较大都会加剧降解反应程 度，尤其在Fe2+和H2S等还原物质存在时，会发生剧烈降解。 （2）油层环境：是从有限量氧到无氧的环境，在有限氧时，油 层中的Fe2+和H2S等还原物质会加剧降解，但Ca2+会降低其粘 度。