提高采收率2聚合物驅(qū)

1、第二章 聚合物驅(qū)Polymer Flooding1 1 驅(qū)油用驅(qū)油用聚合物及其水溶液性質(zhì)1.驅(qū)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。分為干粉和膠體兩種產(chǎn)品，通常使用干粉。分子量在501043000 104 之間，價(jià)格約2萬(wàn)元噸。 由于PAM在礦物表面被強(qiáng)烈吸附，使用HPAM是為了減少吸附損失。 CH2CH C=0 NH2xStructure of PolyacrylamideCH2CH C=0 NH2x-yCH2CH C=0 O

2、NayStructure of Hydrolyzed Polyacrylamide 耐鹽，但易于生物降解，價(jià)格高，約萬(wàn)元噸，應(yīng)用較少。（3）新型締合聚合物（New associative polymers, NAPs)：通過(guò)締合作用，提高耐溫耐鹽性能。注：一般所說(shuō)的聚合物驅(qū)指使用部分水解聚丙烯酰胺(HPAM) 驅(qū)油。 （2）黃原膠(Xanthan Gum, XC)2.聚合物(聚丙烯酰胺)的分子性能 分子鏈較長(zhǎng)，并且具有柔曲性(象彎曲的鋼絲一樣 resembles a flexible coil）。 hy? 因主鏈上的C-C單鍵產(chǎn)生內(nèi)旋轉(zhuǎn)。 分子形態(tài)千變?nèi)f化，具有不同的構(gòu)象，稱(chēng)為無(wú)規(guī)線團(tuán)，無(wú)規(guī)線

3、團(tuán)自然卷曲狀態(tài)最穩(wěn)定。3.聚合物溶液的配制水聚合物干粉 溶脹與溶解過(guò)程：溶劑分子(水)先滲入到大分子線團(tuán)中，使大分子體積脹大，然后才完全溶解，需半小時(shí)以上。 實(shí)驗(yàn)室：在攪動(dòng)的水旋渦中慢慢加入干粉，均勻分散。 現(xiàn)場(chǎng)上：從循環(huán)水上的漏斗中加入。4.聚合物溶液的粘度 聚合物溶液粘度p：是流體分子層間內(nèi)摩擦力的量度。單位：毫帕.秒(mPa.s)。 使用Brookfield粘度計(jì)測(cè)量，一般驅(qū)油用聚合物溶液粘度為幾十mPa.s。 流體力學(xué)等價(jià)球：溶液中的每個(gè)分子線團(tuán)被看著是包著溶劑的一個(gè)球。5.影響聚合物溶液粘度的因素（1）濃度粘度（2）分子量粘度（3）水解度粘度 （4）礦化度粘度 （5）剪切速率粘度 （

4、6）溫度粘度 （7）細(xì)菌粘度 （8）光、氧粘度 2 2 聚合物溶液的流變性 (Rheological Properties)1.流變性基本知識(shí) （1）牛頓流體 ：剪切應(yīng)力,shear stress：流體粘度,solution viscosity：剪切速率（速度梯度）, shear rate y y ：屈服應(yīng)力，剪切應(yīng)力大于該應(yīng)力時(shí)，流體才能流動(dòng)。 y （2）塑性流體 K n (n1) = / =K n-1 (n-11) = / =K n-1 (n-10) K：稠度系數(shù)， n：流動(dòng)特征指數(shù)（4）脹流性流體(Shear Thickening Fluid) 粘性：外力作功流動(dòng)，外力消失形變不恢復(fù)（外

5、力對(duì)流體作的功變?yōu)闊岬男问结尫懦鰜?lái)。如水。 彈性：外力作功改變自然狀態(tài)，外力消失恢復(fù)自然狀態(tài)。如彈簧。 粘彈性：物質(zhì)同時(shí)具有粘性和彈性的性質(zhì)。外力作功，緩緩發(fā)生形變; 外力消失，形變緩慢恢復(fù)，但不能恢復(fù)到原始狀態(tài)。如聚合物溶液。（5）粘彈性流體 t1 t2 t t1 t2 t t1 t2 t彈性體粘彈體施加外力2.聚合物溶液具有的流變性（1）具有假塑性 實(shí)驗(yàn)室用Brookfield粘度計(jì)測(cè)得HPAM溶液在不同剪切速率下的粘度。 形變滯后于應(yīng)力，蠕變過(guò)程。受力，不能立即伸展，慢慢變化，去力，慢慢回復(fù)。 Why? 多鏈段分子的柔曲性。 t1 t2 t（2）具有粘彈性（1）剪切流動(dòng) 流動(dòng)環(huán)境：等徑管

6、道中。3.聚合物溶液的剪切流動(dòng)和拉伸流動(dòng)切應(yīng)力滿(mǎn)足： dp r2= 2r dl = -( r /2）dp/dl dlrdpR速度分布：呈拋物線狀剪切速率: = dV/dr 方向:沿y軸 單位:S-1r vr+dr v+dv剪切流動(dòng)特點(diǎn)：流線相互平行方向與流線方向垂直r V 0 xR（2）拉伸流動(dòng) 流動(dòng)環(huán)境：收縮發(fā)散管道中。dlV1V2拉伸速率： = dV/dl拉伸流動(dòng)特點(diǎn)： 流線在孔喉處收縮，方向與流線方向平行。 小分子溶液（如鹽水）不存在拉伸流動(dòng)。這是高分子聚合物溶液的特殊性。 3 聚合物溶液在孔隙介質(zhì)中的流變性一.孔隙介質(zhì)特點(diǎn) 孔隙介質(zhì)有孔有喉，存在收縮發(fā)散的流動(dòng)環(huán)境，因而聚合物溶液滲流時(shí)

7、，既有剪切流動(dòng)，又有拉伸流動(dòng)?？?喉（1）流道面積小，（2）孔道不規(guī)則，（3）孔道壁粗糙，（4）比面大。二.聚合物溶液在孔隙介質(zhì)中的的流變性 實(shí)驗(yàn)：測(cè)定聚合物溶液在孔隙介質(zhì)中滲流時(shí)的粘度ef與滲流速度v的關(guān)系。巖芯取樣PL泵 stVef = s+ stef：有效粘度，s：剪切粘度，st：拉伸粘度，Vcr：臨界流變流速。efVcrss （1）當(dāng)cr時(shí)，有效粘度ef，呈現(xiàn)假塑性的流動(dòng)特征。 hy?因?yàn)榇藭r(shí)流速平緩，孔喉處流線平行，以剪切流動(dòng)為主，拉伸粘度可以忽略。 （2）當(dāng)cr時(shí)，有效粘度ef，呈現(xiàn)脹流性的流動(dòng)特征。 hy？孔喉處產(chǎn)生了明顯的拉伸流動(dòng)，拉伸粘度發(fā)揮作用。 聚合物溶液在高速下表現(xiàn)出的

8、脹流性的流動(dòng)特征是因?yàn)榫酆衔锓肿泳哂姓硰椥浴? 聚合物溶液在孔隙介質(zhì)中的流動(dòng)特征(Flow characteristics of polymers through porous media)聚合物驅(qū)過(guò)程中的物理化學(xué)作用。 （1） 滯留(Polymer Retention) （2） 不可入孔隙體積（Inaccessible Pore Volume) （3）有效粘度(effective viscosity) （4）阻力系數(shù)（resistance factor) （5）殘余阻力系數(shù)（residual resistance factor) （6）粘彈效應(yīng)系數(shù)(viscoelastic effect f

9、actor)一.滯留(Retention)1. 吸附 (Adsorption) 將巖石顆粒置于聚合物溶液中，直到達(dá)到吸附平衡。C0C加砂72小時(shí) 聚合物溶液在孔隙介質(zhì)中的滯留包括：吸附滯留、機(jī)械滯留等。W=（C0 - C）V / GW：吸附量，mg/g巖石，C0：聚合物溶液原始濃度，mg/LC：吸附后聚合物溶液濃度，mg/LV：聚合物溶液體積，LG：巖石顆粒重量，g溶液濃度C(mg/L)吸附規(guī)律：滿(mǎn)足Langmuir吸附等溫式。吸附量 W（g/g巖石)吸附量一般幾十幾百微克。水解度，%吸附量與水解度的關(guān)系吸附量 W（g/g巖石)0 20 40 60 500200100502010這是使用HPA

10、M（而不是PAM）的原因。影響靜態(tài)吸附的因素（1）CaCO3吸附量大，因CaCO3表面上的Ca2+離子與聚合物羧基上的負(fù)電發(fā)生靜電作用。（2）SiO2不吸附，地層水存在Ca2+離子時(shí)，吸附量增加。（3）巖石長(zhǎng)期在水中，使表面羥基化，產(chǎn)生 -OH，與PAM分子通過(guò)氫鍵吸附。 聚合物大分子通過(guò)孔隙介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的一種過(guò)濾作用。 機(jī)械滯留主要發(fā)生在入口端，可用實(shí)驗(yàn)證明。實(shí)驗(yàn)：用不吸附的聚四氟乙烯粉做巖芯，流動(dòng)時(shí)C1。fwRRKKF3.阻力系數(shù)FR (1) FR是水通過(guò)巖芯的流度與聚合物溶液通過(guò)巖芯的流度之比。(2)意義：表示聚合物溶液降低巖石流度的能力，F(xiàn)R1。efRRweffweffwwppwwRFK

11、KKKKKF4.粘彈效應(yīng)系數(shù)Rve （1） 實(shí)驗(yàn)：抽空飽和，測(cè)Kw，注聚，水沖洗測(cè)Kf(Q0， P0)，降壓水沖，測(cè)降壓后的水沖洗滲透率Kf1(Q1， P1)。PQKf1KfP1Q0Q1Q1P0 Kf11。110011001PQPQPALQPALQKKRwwfve1.聚合物驅(qū)流度比MefoofooppopKKKKM純油層油、水層wwooppwopKKKM ,5 5 聚合物溶液驅(qū)油機(jī)理改善M的標(biāo)準(zhǔn)：M1.0。改善流度比的途徑： a.增大水相（聚合物溶液）粘度; b.降低水相滲透率，因聚合物分子滯留，使水相滲透率由Kw降低為Kf。前述Frr描述降低程度。2.改善流度比分析（1）任一斷面上的HPAM

12、溶液的流速rhQVr2rh2s對(duì)于五點(diǎn)井網(wǎng)模型（2）該斷面上聚合物溶液的有效拈度為:K-稠度系數(shù)n-粘性指數(shù)。12461nrnefhVKnn（3） o/ef122246nnoeforhQKnn 聚合物溶液在油層條件下大多呈現(xiàn)假塑性。從注入井到生產(chǎn)井： rV ef o/ ef ，并且Kw降低為KfM 指進(jìn)退化 （VD/Vf=M）驅(qū)油前緣穩(wěn)定（或：隨著聚合物驅(qū)的進(jìn)行，HPAM具有自動(dòng)穩(wěn)定前緣的能力。） Ev 。（4）M 的改善過(guò)程3.聚合物驅(qū)主要研究方法聚合物驅(qū)成套技術(shù)研究包括的主要內(nèi)容包括：室內(nèi)評(píng)價(jià)試驗(yàn)數(shù)值模擬現(xiàn)場(chǎng)研究方案設(shè)計(jì)地面配注工藝設(shè)計(jì)與實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)效果評(píng)價(jià) 適當(dāng)?shù)姆肿恿亢退舛炔蝗芪锖?/p>

13、少殘余單體含量低良好的溶解性抗溫抗鹽性好耐剪切老化穩(wěn)定性(1)聚合物性能要求 Cp：1000mg/L左右。 段塞尺寸：0.2PV左右。 CpPV：200mg/LPV左右。 注入低濃度大段塞的聚合物溶液。水HPAM200ppmHPAM600ppmHPAM1000ppm濃度增大方向待波及區(qū)Cost-effective method(2)注入濃度與注入量V太大，壓力高，設(shè)備承受不了。油層速度V3m/d壓力梯度：15MPa/150m=0.1MPa/m。(3)注入速度與壓力梯度實(shí)際地層水。現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)資料，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)配制。Csp,礦化度太高的油層不適合聚合物驅(qū)。(4)水質(zhì) Tp,溫度太高的油層不適合聚合物驅(qū)。

14、 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)：恒溫箱模擬油層溫度。(5)油層溫度 非均質(zhì)性太嚴(yán)重即使使用HPAM溶液驅(qū)也只能沿著Kh推進(jìn)Kl未得到開(kāi)發(fā)（此時(shí)凍膠調(diào)剖） 非均質(zhì)性太小水驅(qū)油均勻推進(jìn)，水驅(qū)徹底注聚合物驅(qū)效果不太明顯。 非均質(zhì)性應(yīng)適中。(6)地層非均質(zhì)性影響水驅(qū)fw=98%效果差。水驅(qū)fw70%沒(méi)必要。在二次采油某個(gè)階段實(shí)施HPAM驅(qū)效果和效益都比較好。 問(wèn)題：能否在開(kāi)發(fā)初期，就實(shí)施聚合物驅(qū)，讓前緣均勻推進(jìn)？ 不讓形成Sor和有Sor后再提高采收率哪個(gè)更好？(7)注入時(shí)機(jī) 1噸聚合物干粉可增油150噸，提高=5-10%OOIP。 效益取決于油藏條件、聚合物的價(jià)格和油價(jià)等因素。 (8)增產(chǎn)潛力與經(jīng)濟(jì)效益4.目前聚合物驅(qū)

15、研究存在問(wèn)題與研究方向 (1)室內(nèi)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果多, 但隨機(jī)性大。 (2)對(duì)微觀上各種物理化學(xué)現(xiàn)象的研究不深入，發(fā)展趨勢(shì)是：宏觀微觀，定性定量，靜態(tài)動(dòng)態(tài)。 (3)對(duì)驅(qū)油機(jī)理認(rèn)識(shí)不足: 可提高Ev，能否提高ED (如粘彈性,界面粘度等機(jī)理) ？ (4)對(duì)驅(qū)油過(guò)程的數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述不夠?；瘜W(xué)驅(qū)過(guò)程中的多組分孔隙輸運(yùn)機(jī)理。如何通過(guò)優(yōu)化的注入工藝與過(guò)程，實(shí)現(xiàn)最佳效果？ (5)開(kāi)發(fā)低成本和抗溫抗鹽驅(qū)油劑,如新型締合聚合物。 (6)環(huán)保問(wèn)題。水水油油 層間滲透率級(jí)差較大， 聚合物驅(qū)不能有效的抑制舌進(jìn)現(xiàn)象，用調(diào)剖堵水方法封堵高滲透層，啟動(dòng)低滲透層，從而提高采收率。K1K2K36 聚合物類(lèi)調(diào)剖堵水技術(shù)(In-sit

16、u Permeability Modification)一.水竄流機(jī)理（Mechanism of water cross flow) 水 PA 高滲透層已水淹，低滲透層油水前緣呈活塞式推進(jìn)到某位置LW。PA 油0 Lw L低高PA1A2對(duì)于低滲透層：ooAooLPAKQ1wwAwwLPPAKQ)(1woQQ wwAwooAoLPPAKLPAK)(11PLKLKLKPoowwwooowAwoKK 若PLLLPLLLPwowoooowwooA對(duì)于低滲透層：PLLPoA1ow Kl油水前緣處的壓力PA高于同一垂直剖面上Kh（水區(qū)）壓力PA，注入Kl的水在前緣附近向Kh竄流，注入水無(wú)效的通過(guò)Kh，采收率不高。AAPP 在一定注水壓力下，某小層吸水量占全油層吸水量的百分?jǐn)?shù),表示分層吸水能力的大小。 測(cè)定方法：在注入水中加入放射性同位素（Zn65,Ag110）載體，注水過(guò)程中，吸水量大的地層巖石表面濾積的載體就多，儀器測(cè)得的放射性強(qiáng)度大，得到吸水剖面曲線。井深二.調(diào)整吸水剖面(Water Profile Modification) 一般吸水剖面不均勻，應(yīng)作調(diào)整（從注水井實(shí)施）。分為淺調(diào)和深度調(diào)剖。1.調(diào)剖劑體系研制 （1）聚合物+交聯(lián)劑(Cr