聚合物驱油理论的研究

聚合物驱油理论的研究

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随着聚合物驱技术的不断发展, 及其在现场取得的良好驱油效果, 未来一段时间内聚合物驱将仍是提高采收率的主导技术之一。本文通过查阅文献数据, 综述了聚合物驱油的宏观和微观机理、影响聚合物驱效果的因素及聚合物动态预测模型的改进。通过这些问题的研究, 明确了聚合物驱在国内外的发展现状和趋势。

1 聚合物驱油的宏观机理 (1)

1.1 降低油/水粘度比 (1)

1.2 降低水/油流度比 (1)

1.3 降低注水地层渗透率 (1)

1.4 产生流体转向效应 (1)

1.5提高油相分流系数 (1)

2 聚合物驱油的微观机理 (2)

2.1 聚合物驱提高驱油效率的分子动力学描述 (2)

2.2 聚合物驱油的微观动力 (2)

2.3 聚合物提高驱油效率的微观机理 (3)

3 聚合物驱的影响因素 (4)

3.1 储层参数 (4)

3.2 注聚时机和流体粘度 (4)

3.3 注入参数 (5)

3.4 窜流 (5)

4 聚合物驱开发动态预测模型的改进 (5)

4.1 聚合物驱分流方程的改进 (5)

4.2 聚合物驱连续性方程的改进 (6)

4.3 聚合物驱瞬时参数的求解 (7)

4.3.1聚合物驱前缘溶液粘度 (7)

4.3.2 聚合物驱残余阻力系数 (8)

参考文献 (9)

1 聚合物驱油的宏观机理

聚合物驱油的宏观机理主要可以归纳为一下几个方面[1]：

1.1 降低油/水粘度比

研究结果表明， 降低油/水粘度比可以提高驱油效率。因此，设法降低地层原油的粘度和提高驱油剂的粘度就可以达到提高驱油效率的目的。显然，大面积的降低地层原油粘度的做法是不现实的，通过再注入水中添加高相对分子品质聚合物，提高驱替相粘度的方法是很容易做到的。

1.2 降低水/油流度比

降低水/油流度比的直接结果是减少注入水单层突进现象。降低水/油流度比可以提高注水波及体积系数和驱油效率。水/油流度比的降低扩大了注水波及体积系数，使得原来需要大量注水才能采出的原油，仅用少量的稠化水便可采出。从这一意义上来讲，聚合物驱的正真意义在于改善驱替效果，缩短开发周期。

1.3 降低注水地层渗透率

注水油藏的流度比M 等于驱替相(水)的流度，和被驱替相(油)的流度之比。

=w w o o o w

k M k λμλμ= （1） 从水油流度比的概念可以看到，降低水油流度比的方法是降低注入水的流度或提高地层油的流度。显然大面积提高地层原油流度的做法是不现实的，而设法降低注入水的流度是很容易实现的。根据式(1)，降低注入水流度的途径：一是降低地层的有效渗透率；二是提高驱替相的粘度。这两种途径都是可以通过人工方法实现的。例如， 通过机械的或是化学的方法对地层中的高渗透层段进行封堵作业( 调整注水地层吸水剖面) 可以降低地层的有效渗透率；通过在注入水中添加聚合物增稠剂可以提高驱替相的粘度。

1.4 产生流体转向效应

聚合物溶液在非均质油层中优先进入高渗透带，由于注入流体粘度的增大和高渗透带渗透率的下降使得进入的驱替流体转入未曾被注入水波及的含剩余油部位，提高了采收率。

1.5提高油相分流系数

根据达西定律，油、水相的粘度μo 、μw 和油、水相的有效渗透率k o 、k w 决定了油、水两相同时流经孔隙介质时油相的分流系数f o ：

1f 1o w o o w

k k μμ=+ (2) 聚合物溶液水相粘度μw 增大，同时又降低了水的相对渗透率K w ，因此，提

高了油的分流系数f o ，从而提高原油采收率。

2 聚合物驱油的微观机理

2.1 聚合物驱提高驱油效率的分子动力学描述

自从人们对聚合物驱可以提高采收率进行研究以来，就开始了对其驱油机理的研究。聚合物宏观驱理论认为，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。并基于毛管数与驱油效率的关系，认为聚合物驱并不能提高驱油效率，降低残余油饱和度。因此，有人把聚合物驱称为改性水驱，即二次采油。其理论是：① 聚合物驱与水驱替速度一般相同；② 聚合物溶液的粘度一般为水的粘度的 30 倍左右；③ 聚合物不能降低油水之间的界面张力。所以，聚合物驱时的毛管数不能提高到 10-3以上，即不能明显提高驱油效率。实际上，人们对聚合物溶液在地下驱油过程中的渗流特征的认识还远不够完善，特别是其微观物理化学渗流规律，还不十分清楚。郭尚平[2]、黄延章等利用微观渗流模型，在1990年进行了聚合物溶液驱油的微观机理研究，认为聚合物溶液驱提高驱油效率的机理是由于聚合物溶液与油的剪切应力大于水与油的剪切应力。Sorbie 和 Blunt 、Allen 计算了幂律流体在多孔介质中的粘性指进[3]。Mahfoudhi 、王新海、Saad 和Thompson [4]对层状非均质模型中聚合物溶液的波及效率进行了数值计算，卢祥国[5]用实验测定了纵向非均质岩心的采收度。田根林[6]把分形理论应用于聚合物溶液波及系数的描述。宋考平，杨二龙[7]等人的微观驱油理论较好的解释了聚合物分子与原油分子间的作用。

2.2 聚合物驱油的微观动力

根据分子运动的理论，驱油的动力是注入剂分子与原油分子的碰撞和振动形成的对原油的推力和摩擦力。宏观上的压力实际上是分子运动和相互作用的结果。水驱或聚合物驱油的过程实际上是注入剂分子与原油分子的碰撞和振动的过程， 这种碰撞和振动在油层多孔介质中表现为宏观上的两种形式。一种是如图1所示的形成对原油的推力，另一种则是如图2所示的对原油的摩擦力。

图1 注入剂分子对原油的推挤力

图2 注入剂分子对原油的摩擦力

聚合物分子是一种柔性大分子，在油层多孔介质中驱油时可形成长链状或团状，它与原油的作用，是通过C-H键和外部H原子与油膜表面分子的摩擦和碰撞而发生的，这种作用可以很好地用Tomlinson原子摩擦运动模型来描述。根据该模型，摩擦力是由于原子间的碰撞、振动和粘连造成的[ 8]。文献[8]的描述：“黑球和白球分别代表摩擦面上、下表面的原子，黑球用弹簧悬挂，白球以刚性固定。在上表面相对于下表面滑动过程中，黑球的悬挂弹簧先弯曲变形，摩擦功即表面运动动能转换为弹性变形能而储存在弹簧中。随后，黑白球脱离接触，黑球出现振摆并与相邻原子碰撞。这样，弹性变形能又转换为黑球原子和相邻原子的振动能”。移动中的聚合物分子团的外部原子和相对固定的油膜界面分子的表面原子的相互作用，正是这种“黑球与白球”相互作用的情况。

2.3 聚合物提高驱油效率的微观机理

在聚合物驱油过程中，由于分子的相互粘连、碰撞而使聚合物分子不断储存和释放弹性能，使更多的不动油变为可动油，从而提高驱油效率。一般情况下，根据上述Tomlinson原子运动模型可以推断，在与水驱相同的流速下，聚合物分子与岩石、油滴、油膜界面分子的这种“黑-白球”作用原理，使其C-H 键上存储有弹性能，而使表面原子与原油分子发生作用力更大的碰撞，从而使更多的原油分子从油相上分离并与注入剂一起在溶液中运动。聚合物分子的弹性能越大，驱动原油的力就会越大。随着聚合物溶液流速的增高，聚合物分子对原油分子的冲击和碰撞加剧，摩擦力也增大，从而使驱油效率增高。

界面摩擦力是聚合物驱较水驱提高驱油效率的主要因素。对于聚合物和水两种驱替方式，图2所示的推动作用及机理是相同的。在这种情况下对原油驱动作用的大小主要取决于作用在原油上的作用力，而与水或聚合物无关，即水驱和