提高采收率2聚合物驱

1. 吸附 (Adsorption)
将岩石颗粒置于聚合物溶液中，直到达到吸 附平衡。
加砂 C0 72小时 C
W=（C0 - C）V / G W：吸附量，mg/g岩石， C0：聚合物溶液原始浓度，mg/L C：吸附后聚合物溶液浓度，mg/L V：聚合物溶液体积，L G：岩石颗粒重量，g
吸附规律：满足Langmuir吸附等温式。
之间，价格约2万元／吨。
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——
一.孔隙介质特点
（1）流道面积小， （2）孔道不规则， （3）孔道壁粗糙， （4）比面大。 孔 喉
孔隙介质有孔有喉，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。
二.聚合物溶液在孔隙介质中的的流变性
实验：测定聚合物溶液在孔隙介质中渗流时 的粘度ef与渗流速度v的关系。
离子与聚合物羧基上的负电发生静电作用。
（2）SiO2不吸附，地层水存在Ca2+离子时，吸
附量增加。
（3）岩石长期在水中，使表面羟基化，产生
-OH，与PAM分子通过氢键吸附。
2.机械滞留(mechanical entrapment)
聚合物大分子通过孔隙介质时产生的一种过滤 作用。 机械滞留主要发生在入口端，可用实验证明。


剪切稀释性流体：
lgμ Lower Newtonian Shear Thinning
Upper Newtonian
lgγ
剪切速率低，溶液粘度基本不变μ 剪切速率适中，剪切稀释性。 剪切速率高，相当于溶剂粘度μ
PN。
∞。
（4）胀流性流体(Shear Thickening Fluid) ＝ K n (n>1)
（4）M 的改善过程
聚合物溶液在油层条件下大多呈现假塑性。从 注入井到生产井： rV ef o/ ef ，并且Kw 降低为KfM 指进退化 （VD/Vf=M）驱油前 缘稳定（或：随着聚合物驱的进行，HPAM具有自 动稳定前缘的能力。） Ev 。
Ko
o K o ef
Kf
油、水层
Kp M p o , w Ko
p
Kw
o

w
2.改善流度比分析
•改善M的标准：M≤1.0。 •改善流度比的途径： a.增大水相（聚合物溶液）粘度;
b.降低水相渗透率，因聚合物分子滞留，使
水相渗透率由Kw降低为Kf。前述Frr描述降低程
度。
对于五点井网模型 （1）任一断面上的HPAM溶液的流速
= / =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。 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。
质。
不可入孔隙对聚合物分子不可入，但小分 子（如水）是可入的。 IPV的存在使得驱油过程中聚合物分子推 进速度比水分子速度快，因而在出口端提前突 破。
三.描述流动特征的几个参数
•有效粘度(effective viscosity)
•阻力系数（resistance factor)
•残余阻力系数（residual resistance factor)
P
岩芯 泵 L 取样
ef
s
Vcr
st s
V
ef = s+ st
ef：有效粘度， s：剪切粘度， st：拉伸粘度， Vcr：临界流变流速。
（1）当Ｖ＜Ｖcr时，Ｖ有效粘度ef，呈现 假塑性的流动特征。 Ｗhy? 因为此时流速平缓，孔喉处流线平 行，以剪切流动为主，拉伸粘度可以忽略。 （2）当Ｖ＞Ｖcr时，Ｖ有效粘度ef，呈现 胀流性的流动特征。 Ｗhy？孔喉处产生了明显的拉伸流动，拉伸 粘度发挥作用。 ——聚合物溶液在高速下表现出的胀流性的 流动特征是因为聚合物分子具有粘弹性。
3.聚合物驱主要研究方法
聚合物驱成套技术研究包括的主要内容包括： 室内评价试验 数值模拟
现场研究
方案设计
地面配注工艺设计与实施
动态监测
效果评价
(1)聚合物性能要求
适当的分子量和水解度
不溶物含量少 残余单体含量低 良好的溶解性 抗温抗盐性好 耐剪切 老化稳定性
(2)注入浓度与注入量
Cp：1000mg/L左右。
C=0 NH2 C=0
x-y
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）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) (n-1<0) = / =K n-1
K：稠度系数(power-law constant) n：流动特征指数(power-law exponent)
芯渗透率产生附加降低。
（3）粘弹效应系数
w LQ0
Kf
AP0 P0 Rve K1 w LQ1 Q1 P 1 AP 1
（4）意义：表示滞留聚合物分子的粘弹回复
Q0
效应降低渗透率的程度。Rve>1。
§5
聚合物溶液驱油机理
1.聚合物驱流度比M
Kp
纯油层
M p o
p o
x
流线相互平行 方向与流线方向垂直 r V
（2）拉伸流动 流动环境：收缩—发散管道中。
dl
V1
V2
拉伸速率： = dV/dl 拉伸流动特点： 流线在孔喉处收缩，方向与流线方向平行。 小分子溶液（如盐水）不存在拉伸流动。这 是高分子聚合物溶液的特殊性。
§3 聚合物溶液在孔隙介质中的流变性
（2）意义：表示聚合物溶液降低岩石渗透率的能 力，FRR>1。
3.阻力系数FR
(1) FR是水通过岩芯的流度与聚合物溶液通过岩 芯的流度之比。
Kw FR Kp
w p
Kw Kf
w ef
K w ef FRR ef K f w
(2)意义：表示聚合物溶液降低岩石流度的能力， FR>1。
聚合物干粉
水
4.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。
5.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
实验：用不吸附的聚四氟乙烯粉做岩芯，流动时 C<C0，可得到机械滞留量。
二.不可入孔隙体积（IPV）
用于判断哪些孔隙中聚合物大分子可以到达。
不可入孔隙：岩石中所有直径小于聚合物分子
流体力学等价球直径的孔隙。
IPV：聚合物分子不可入孔隙的体积占岩石孔 隙体积(PV)的百分比。
IPV范围 1- 30%，取决于聚合物和孔隙介
§4 聚合物溶液在孔隙介质中的流动特征
(Flow characteristics of polymers through porous media) ——聚合物驱过程中的物理化学作用。 （1） 滞留(Polymer Retention)
（2） 不可入孔隙体积（Inaccessible Pore Volume)
吸附量 W（μg/g岩石)
吸附量一般几十——几百微克。
溶液浓度C(mg/L)
吸附量与水解度的关系
500 200 吸附量 W（μg/g岩石)
这是使用HPAM（而不是PAM）的原因。
100 50 20 10 0 20 40 60 水解度，%
影响静态吸附的因素
（1）CaCO3吸附量大，因CaCO3表面上的Ca2+

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
（1）具有假塑性
实验室用Brookfield粘度计测得HPAM溶液 在不同剪切速率下的粘度。


（2）具有粘弹性

t1
t2Hale Waihona Puke Baidu
t
形变滞后于应力，蠕变过程。受力，不能 立即伸展，慢慢变化，去力，慢慢回复。 Why? 多链段分子的柔曲性。
第二章 聚合物驱
Polymer Flooding
§1 驱油用聚合物及其水溶液性质
1.驱油用主要聚合物(Polymer Types)
（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
•粘弹效应系数(viscoelastic effect factor)
1.有效粘度ef
聚合物溶液在孔隙介质中流动时的实际粘度。 实验：
P 岩芯
C0
泵
L C
ef
K p APp QL
2.残余阻力系数FRR
实验：岩芯抽空饱和水→测原始水测渗透率
Kw →注聚→水冲测Kf。 （1） FRR
Kw FRR Kf
Q Vr 2rh
h
r
2s
（2）该断面上聚合物溶液的有效拈度为:
1 4n 2 Vr ef K 6 n h
n
n 1
K--稠度系数 n--粘性指数。 （3） o/ef
o 6 o n 1 ef 4n 2 n Q K 2 n 2rh
段塞尺寸：0.2PV左右。
Cp×PV：200mg/L· PV左右。
——注入低浓度大段塞的聚合物溶液。
4.粘弹效应系数Rve
（1） 实验：抽空饱和，测Kw，注聚，水冲洗测
Kf(Q0， △ P0)，降压水冲，测降压后的水冲洗渗
透率Kf1(Q1， △ P1)。
Q Q0 Q1’ Kf
Kf1<Kf 降压后岩芯渗透率 产生附加降低。
Q1
Kf1 △P1 △P0 △P
（2）现象解释
△ P0
ε0 ε1
△ P1
聚合物分子形变回复，封堵孔喉，使岩
（6）温度粘度
（7）细菌粘度 （8）光、氧粘度
§2 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 ：流体粘度,solution viscosity ：剪切速率（速度梯度）, shear rate
（3）有效粘度(effective viscosity)
（4）阻力系数（resistance factor)
（5）残余阻力系数（residual resistance factor)
（6）粘弹效应系数(viscoelastic effect factor)
一.滞留(Retention)
聚合物溶液在孔隙介质中的滞留包括：吸附 滞留、机械滞留等。
3.聚合物溶液的剪切流动和拉伸流动
（1）剪切流动
流动环境：等径管道中。
R r dp dl
切应力满足： dp r2= 2r dl = -( r /2）dp/dl
速度分布：呈抛物线状 剪切速率: = dV/dr 方向:沿y轴 单位:S-1
R r+dr r 0
v+dv v
剪切流动特点：
2.聚合物(聚丙烯酰胺)的分子性能
分子链较长，并且具有柔曲性(象弯曲的钢 丝一样 resembles a flexible coil）。
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。
3.聚合物溶液的配制
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。