冯玉军-中低渗油藏化学驱用聚合物

黄光速教授 朱家骅教授
冯玉军团队研究方向
油气开采用软材料
智能软材料（聚合物，凝胶，表面活性剂……） 极端环境下油气开采用聚合物及表面活性剂 高温 高矿化度 低渗
fengyujun.polymer.cn 或 pri.scu.edu.cn
中低渗油藏化学驱用聚合物的研究
Polymers used for EOR in Medium- & Low-K Oil Reservoirs: a story of 6 years of study
Shear flow
(G. Chauveteau)
The faster the flow rate, the higher the extension rate
(Maeker, 1975; Seright, 1981, 1982; Martin, 1981, 1984)
M Gτ
& (
Factors Brine (TDS) Temperature Oxydo reduction equilibrium Oxydo reduction reactions Flow Differential pressure, Shear Permeability Precipitation (salts, sulfur, SRB, Fe) Viscosity of injection Viscosity at different steps of degradation
= 15 19 106 g/mol，RG = 0.50 m，Rh / RG 3 < 10 106 g/mol，RG = 0.30 m，Rh / RG 5
2RG
2rH
Hi- or ultra-hi MW polymer cannot be injected into low-K reservoirs
T (C) ≤ 70 Salinity (mg/L) ≤ 10,000 Ca2+ + Mg2+ content (mg/L) ≤ 200 OOIP (BT) 0.306
K -3 (10 µm2) ≥500
II III IV
V Offshore
≥500 ≥100
70---80 80---95
10,000—30,000 30,000---100,000
2nm for HPAM
水动力学体积半径RH 意义：RG与孔喉的匹配性决定低渗
油层的可注入性
中低渗油藏聚合物驱面临的挑战（1）：可注入性
Injectivity criterion: rh / RG > 5
Core hydrodynamic radius: rh = [K(1-)2/C]0.5 (Kozeny-Cavman)
200--400 > 400
0.269 0.510 0.114
0.235 0.172 1.605
High permeability streaks
T: 90--120C; K: 50---10010-3µm2 off-shore fields Total
Class I: laboratory study, 1960s; field trial, 1992; field extension, 1997 Class II: laboratory study, 1996; field trial, 1998; field scaled-up, 2005 Class III, Ⅳ, V and off-shore fields: R&D under way
2015国际三次采油技术进展交流会 黄岛 2015年7月16日
中低渗油藏化学驱用聚合物的研究
Polymers used for EOR from Medium- & Low-permeability Oil Reservoirs
冯玉军
四川大学高分子研究所 高分子材料工程国家重点实验室
四川大学主办的 与石油相关的两本刊物
HPAM
δ
1 3n 4 p ) 4n 8K
CH2 CH C O ONa x
The higher the MW, the easier the degration The lower the K, the higher the &
y C O NH2
(Hamielec, 1973) (Sorbie, 1991)
中低渗油藏聚合物驱面临的挑战（2）：机械降解
Elongational (extensional) flow
2 & F s Lc
—velocity gradient &
F—internal tensile force Lc—countour length
2F & pm 86400 Dp
Dagang Bohai Huabei Shengli Zhongyuan Nanyang JIangsu
Challenges of CEOR in Shengli Oilfield, Sinopec
• • • •
Reserve class I
Abundant resources to be recovered High temperature High salinity, high divalent-cation content Strong heterogeneity
现状 2013年2月逝世 已退休
已退休，《油田化学》副主编 郑邦乾教授已退休 李惠林教授已退休 重点实验室副主任、《油田化 学》主编
油田化学，钻井、压裂、酸化、三采、 高分子研究所所长、 集输用高分子材料及表面活性剂 《Journal of Surfactants and Detergents》副主编 三次采油用高分子材料 钻井废水处理、原油降凝降粘 承担国家重大专项 在岗，多项成果转化
高分子材料工程国家重点实验室 的研究方向
经过长期积累，形成了有特色的五个研究方向： 1．通用高分子材料高性能化新技术和新原理的研究 2．聚合物成型理论和技术的研究 3. 高性能和功能高分子材料的研究 4. 废弃高分子材料再生利用与环境友好高分子材料 5．油田开发用高分子材料的研究
四川大学油气开采用高分子材料 研究概况
四川大学高分子材料 同国内石油行业的合作
四川大学在油气开采用高分子材料领域 承担的国家项目
高温高盐油田化学驱提高采收率技术（国家重大专项， 2011zx05011-004） 耐温抗盐驱油化学剂设计与合成（国家重大专项， 2008zx05011-001-1） 驱油聚合物分子设计、合成及性能研究（“973”计划项 目，G1999022502） 高温耐盐聚合物驱油剂研制（国家科技攻关计划项目专 题，96-121-06-08） 复合驱油体系中聚合物驱油剂及驱油性能的研究（子专 题：离子缔合型驱油剂及性能研究）（国家攀登（B）计 划项目） 耐温抗盐聚合物（含生物聚合物）研制（国家科技攻关 计划项目，85-203-09-01）
Low stability for high MW
• The stability of high molecular weight molecules is very low
Very high stability
Number of molecules
stability
Poor stability
Low stability
14
现用聚合物面临的挑战（1）：高温高盐油藏
三采目前常用聚合物为部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），由于其阴离子聚电解质特性，其在淡水中 具有很强的增粘能力。
Zaitoun et al, 1983
NaCl Ca2+, Mg2+
Viscosity loss upon increasing T
HPAM溶液粘度随温度升高而急剧降低
中低渗油藏聚合物驱的两个核心问题：可注入性，机械降解
1.54nm
长链：以2000万分子量为例，含28 万个链节；如果全部伸直，约43m
n+1 n
线性：无支化 柔性：形成线团，自回避行走（考
2RH
虑排斥体积） 均方旋转半径RG 持续长度（persistence length）lp 总长度（countour length）l
四川大学从事油田化学研究的 相关团队
团队负责人 徐僖院士 何勤功教授
黄荣华教授 郑邦乾教授 王克教授 李惠林教授 曹亚教授 张熙教授 冯玉军教授
研究方向 钻井、采油用高分子材料，总牵头人 川大油田高分子材料的创建者之一
川大油田高分子材料的创建者之一， 钻井、采油用高分子 原油输送减阻、降凝、降粘用高分子 材料 三采用高分子表面活性剂 油田化学，钻井、压裂、酸化、三采 用高分子材料
H CH2 C
Long linear polyelectrolyte
Flexible random coil Shear+elonggation
M, MWD,
Example of mechanical degradation
• Low MW polymers are less sensitive to shearing
Hi-temperature: >85C Hi-salinity: > 30,000 TDS Low-permeability: < 100 mD Offshore CEOR
Karamay
PetroChina
Daqing Jilin Liaohe
Tarim
Still CEOR ?
Qinghai Yumen
Very low stability
15M
ຫໍສະໝຸດ Baidu
20M
25M
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Molecular weight (10^6 Daltons)
Final viscosity
• The mechanical degradation is generated directly at the injection point • The chemical degradation happens a few hours after injection and polymer solution is then stable
在徐僖院士领导下，四川大学（成都科技大学）高分子研究所从 上世纪七十年代后期开始从事油田高分子材料的研究工作。
1981年9月，石油工业部科技司（中国石油天然气集团公司科技 发展部）与成都科技大学签订协议，正式合办油田高分子材料研 究室（当时参与油田化学研究的四所非石油高校之一）。 1984年，创办《油田化学》杂志。
30多年来，在油气田勘探、开发、集输用高分子材料的应用技术 与应用基础理论研究方面开展了大量的研究工作，取得了一批重 要的研究成果。1991年以来，在有关油田开发用高分子材料的研 究成果中，被评为国际先进水平的成果14项，获部级科技进步二 等奖2项、部级科技进步三等奖3项、获局级科技进步一等奖3项、 二等奖2项、三等奖1项。23项成果投入了矿场应用，取得了良好 的技术经济效益。
教育部主管、中石化支持
中石油主管
四川大学的高分子学科
以高分子材料高性能化、加工为特色，高分子材料科学与工程领域规 模最大、最有影响的科研和教学基地之一。
我国第一个高分子材料加工专业 （徐僖院士1953年创建） 我国第一本高分子材料加工教材 （1956年） 我国第一个高分子材料与加工博 士点（1981年） 我国第一个高分子材料与加工博 士后流动站（1986年） 我国第一个高分子科学与工程学 院（2002年） 我国唯一一个高分子材料工程国 家重点实验室（1991年） 我国第一个专业从事油田高分子 材料研究的基地
聚合物驱提高采收率原理
kd / d M ko / o
降低水（驱替液）油流度比，M<1 扩大波及体积
水驱
聚驱
聚合物驱对于稳定我国原油产量发挥了极大的作用
Mainly polymer flooding
Shengli Oilfield, Sinopec
现用聚合物面临的挑战（1）：高温高盐油藏
现用聚合物面临的挑战（2）：中低渗油藏
表外储层 7.20亿吨 27.9% 19.3%
有效厚度≥0.5m 13.63亿吨
52.8%
PetroChina
有效厚度0.2~0.4m 大庆III类地质储量 4.99亿吨
Daqing
Still CEOR ?
JIangsu
现用聚合物面临的挑战（2）：中低渗油藏
Radius of polymer coil gyration: RG = 0.619{M[])/1024}1/3
(Flory-Kirkwood-Riseman) If K = 0.2 m2, then rh = 1.52 m
For M > 24 106 g/mol，RG > 0.7 m，Rh / RG < 2