chapter2提高采收率原理

第一节聚合物的类型及性质第二节聚合物溶液的性质第三节聚合物溶液在孔隙介质中流动特征第四节聚合物驱油的设计与应用第二章聚合物溶液驱油1.聚合物：由大量结构相同的简单分子经共价键聚合而成的高分子量的化合物。如：聚丙烯酰胺。2.单体：组成聚合物的简单分子。例：组成聚丙烯酰胺的丙烯酰胺分子。一、基本概念第一节聚合物的类型及性质CH3CH2CONH2CH2CHOCNH2n3.链节：聚合物长链上重复的结构单元。4.聚合度：链节的个数。一、基本概念第一节聚合物的类型及性质CH2CHOCNH2n1000万/71=140845即聚合物分子的化学结构，包括链节的化学组成、单体的连接方式。它决定着聚合物的物理、化学性质。分子构型线型支链型网型(可发展为体型)（1）线型或支化度较小的聚合物，物性较柔软，能够溶解；（2）体型聚合物不能溶解。5、聚合物分子构型A.线型分子构型B.支链型分子构型C.网型分子构型聚合物溶液SEM图片特点：有别于构型，构象的转变属于物理现象，主要由热运动引起的，而构型的转变则必须通过化学反应改变分子链上的结构。由于分子中化学键的内旋转所形成的各种立体形态(空间结构)。影响构象的因素聚合物的构型聚合物分子所处的环境线型聚合物分子的构象千变万化，又称为线型聚合物的柔曲性。6、分子的构象1）分子间力大；2）构象多(多指线型聚合物)3）多分散性7、与低分子的区别指同种类型的聚合物是由大小不同的同系分子混合而成，它不象低分子有固定的分子量。即：聚合物分子的聚合度是变量。多分散性：二、聚合物的性质1、聚合物的平均分子量2、聚合物的溶解性1.聚合物的平均分子量（1）数均分子量（2）重均分子量（3）Z均分子量（4）粘均分子量（5）分子量间的关系nMiiiiiiinNNMNNMNM分子量为Mi的聚合物摩尔数；分子量为Mi聚合物的摩尔分数。测量方法：冰点下降法沸点升高法渗透压法端基法（1）数均分子量wMiiiiiiiiiii2分子量为Mi聚合物的重量；分子量为Mi聚合物的重量分数。测量方法：光散色法光扩散法（2）重均分子量zM322iiiiiiiiiiiiiiZMwMNMMzZwMNMZwM测量方法：超速离心沉淀法（3）Z均分子量vM1110.512iiviivwvwNMMNMMMMM与粘度相关的常数；时，时，线型分子：；棒型分子：。测量方法：利用测量粘度的方法。（4）粘均分子量2.聚合物的溶解性聚合物的溶解性不同于低分子的溶解：（1）溶解过程：溶胀溶解。（2）影响聚合物溶解性的因素。（1）聚合物的溶解过程存在三个运动单元：溶剂小分子聚合物链节聚合物分子运动速度较快；速度较快，但链节两端受限制；运动速度较慢。由于聚合物分子运动速度较慢，且大分子间相互纠缠，聚合物分子不能很快溶于溶剂中。而溶剂小分子运动速度较快，首先进入聚合物线团内，与聚合物大分子表面产生溶剂化作用，形成溶剂化层，使聚合物的体积涨大，此过程称为溶涨过程。随着大分子间距离的增大，分子间引力减小，最后脱离聚合物线团，溶于溶剂中。配制过程：（2）影响聚合物溶解性的因素A.聚合物的分子构型线型分支型网型。B.溶剂的性质水质矿化度越高，硬度越大，越不易溶解。D.温度温度增加可减少分子间的内聚力，有利于溶解。C.平均分子量分子量越小，越有利于溶解。E.杂质的影响1.聚丙烯酰胺它是由丙烯酰胺单体聚合而成：nCH2CHCONH2CH2CHOCNH2n聚合分子量变化范围由100万~几千万不等。3.聚合物驱常用聚合物部分水解聚丙烯酰胺聚丙烯酰胺长链上的部分酰胺基转化为羧基：nCH2CHCONH2CH2CHOCNH2xNaOH水解度：酰胺基转化为羧基的百分数，CH2CHCOONay1.聚丙烯酰胺特点：1.属于人工合成的聚合物；2.长链由C-C键连接，分子链极易变化，构象多，具有柔曲性；3.水溶液中发生水解，是阴离子型聚合物；称为部分水解聚丙烯酰胺，简称HPAM；4.抗盐能力差；5.抗剪切的能力也差；6.抗细菌的能力强。2.黄原胶(XanthanGum)糖类分子经过发酵过程聚合而成，分子量在200~500万左右，其分子结构为：特点：1.属于生物合成的聚合物；2.长链由氧环碳键连接，分子链不易变化，棒型结构，具有刚性；3.属于非离子型，带有较少的侧链结构；4.抗盐能力强；5.抗剪切的能力也强；6.抗细菌的能力差。一、聚合物溶液的流变性二、聚合物溶液的视粘度三、聚合物溶液的稳定性第二节聚合物溶液的性质1.作用在流体上的力3.聚合物溶液的流变模式指流体在外力场作用下发生流动和变形的一种特征。2.流体类型一、聚合物溶液的流变性1.作用在流体上的力力剪切力：流体在等径的毛管中流动，半径愈大的液面，剪切应力愈大。在剪切应力的作用下，液层以不同速率流动；拉伸力；流体通过收缩、发散的喉道时，流线收缩流动单元在径向上变细，轴向上伸长，从而产生拉伸流动。通常小分子不产生拉伸流动，而高分子聚合物可产生此运动。r剪切应力作用下，产生剪切流动，除去外力后产生的变形不恢复原来的状态，为粘性流体。拉伸应力作用下，产生拉伸流动，并发生弹性变形，除去外力后产生的变形，可恢复到原来的状态，为弹性流体。2.流体类型流体无粘流体（理想流体）牛顿流体非牛顿流体粘性非牛顿流体粘弹性流体剪切应力与剪切速率成正比。本构关系：（η为常数）tg牛顿流体(1)塑性流体(2)假塑性流体(3)胀流型流体01nKn1nKn粘性非牛顿流体幂律流体：1nak1nKn3.聚合物溶液的流变性室内实验结果剪切速率测量粘度原油水聚合物溶液3.聚合物溶液的流变性这类流体既具有粘性，又具有弹性，变形后表现出部分弹性恢复，宏观表象为粘度增加。粘弹性流体tttF弹性物体在一定的时间内，施加一定的力。弹性物体的形变粘弹性物体的形变粘弹性（二）影响粘度的因素（一）聚合物溶液粘度二、聚合物溶液的视粘度聚合物溶液粘度与浓度有关：32312(1...)wpppaCaCaC（一）聚合物溶液粘度粘度mPa.s聚合物浓度，mg/L=5s-1=100s-1特性粘度：0limlimpwccocpwc浓度趋近于零时，聚合物溶液黏度减去溶剂黏度，除以溶剂黏度与聚合物浓度的乘积。（一）聚合物溶液粘度:表示单个聚合物分子对溶液粘度的贡献；][特性粘度：0limlimpwccocpwc（一）聚合物溶液粘度C[η]图5.1聚合物溶液特性粘度][CwpwpC截距：a1斜率：a2M－－分子量α－－与高分子在溶液里的形态有关的参数，线团松散α大，线团卷曲α小。长链型0.5α1；棒型α=2。k－－粘度常数，与高分子在溶液中的形状及高分子的链节长度有关。特性粘度KM][vM（4）粘均分子量1.聚合物的分子构型(1)η线型η分支型η交联型（二）影响粘度的因素2.水解度水解度越大，黏度越大。3.含盐量的影响NaCl的浓度（%）35%水解度15%水解度未水解11000101000.00010.011110未水解15%水解度35%水解度CaCl2的浓度（%）0.00010.01110010004.聚合物的浓度粘度mPa.s聚合物浓度，mg/L=5s-1=100s-1地面配置聚合物溶液的粘度能否在驱油过程中得到保持，此性质为聚合物溶液的稳定性。稳定性的好坏，直接影响到驱油效果。降解：聚合物溶液分子断链，黏度下降的现象。1、剪切降解2、化学降解3、温度降解4、生物降解三、聚合物溶液的稳定性定义：在剪切应力和拉伸应力作用下，聚合物分子链发生断裂的现象。存在条件：（1）地面设备（阀门）；（2）井下条件（孔眼、水嘴）；（3）砂岩（孔吼）。1、剪切降解定义：氧攻击聚合物分子长链上的薄弱环节，发生氧化，从而使分子长链断裂，分子量降低。条件：有氧存在。如地面配置聚合物溶液时，如果在空气中暴露时间过长就会发生聚合物老化，即化学降解。2、化学降解定义：聚合物的化学键受热时发生分子链断裂，分子量降低的现象。条件：地层温度高于裂解温度。通常聚合物的裂解温度都高于地层温度。温度降解不是主要因素。3、温度降解定义：微生物对聚合物产生作用，生成沉淀或分子链被剪断。4、生物降解条件：注入水中含有细菌，如硫酸盐还原菌、铁菌等。？实验研究表明：聚合物溶液在多孔介质中的流度实际上比预测的小。从聚合物溶液的流度定义分析：pppkppkp由于粘弹性聚合物滞留一、聚合物溶液在孔隙介质中的滞留二、聚合物溶液在孔隙中的流变性三、聚合物溶液在多孔介质中的粘弹性第三节聚合物溶液在孔隙介质中的作用特点四、聚合物溶液在多孔介质中的流动参数1.吸附滞留2.机械捕集3.水力滞留滞留一、聚合物溶液在多孔介质中的滞留1.吸附滞留概念：吸附是一个特定组分在界面上的富集。此界面可以是两种液相间界面、气固界面，也可以是液固界面。机理：吸附机理可分为物理吸附、化学吸附两种。物理吸附是指界面和被吸附物质之间存在较弱的结合作用力，如静电力等。化学吸附是指吸附剂与吸附质之间发生化学反应。研究方法：实验法（1）静吸附，（2）动吸附；国外，道米杰兹（Dominguez)曾用不吸附HPAM的聚四氟己烯粉做成非胶结的人造岩心，让聚合物溶液流过它，结果K、φ都下降了。此现象产生原因之一：机械捕集作用，即大分子在小孔隙入口处的动过滤作用，是由于孔隙尺寸分布不均而引起的。2.机械捕集水力滞留：是因溶液的流速或流动方向改变引起的滞留。3.水力滞留静吸附：将岩石颗粒置于聚合物溶液中，吸附达到平衡时单位质量砂粒吸附聚合物的量，。实验方法：将岩石颗粒在溶液中静置72小时，用离心机将溶液与颗粒分离，测溶液浓度，浓度损失即为吸附量。GVccw/)(0VG单位重量岩石吸附聚合物量，聚合物溶液的初始浓度，吸附后溶液的初始浓度，溶液的体积，岩石颗粒重量。4、静吸附oc0cwcgmg/gmg/影响静吸附因素:(1)岩石的矿物组成影响：CaCO3粘土石英。(2)聚合物浓度增加,吸附增加,后趋于平缓。吸附量聚合物浓度吸附达到饱和(3)溶液含盐量增加,吸附量增加(HPAM)。（4）水解度增加，吸附量下降；分子量增加，吸附量降低。(HPAM)动吸附：聚合物溶液通过孔隙介质时产生的吸附。实验方法：做岩石驱替实验，测出口浓度。5、动吸附影响因素：（1）随特性粘度增加而减小。Mk分子量上升，线团密度下降，吸附量降低。图中曲线平缓段相当于静吸附段，超过某一浓度后分子缠结增加，体积增加，大分子堵塞小孔隙。（2）聚合物浓度增加，吸附量急剧增大。动吸附量聚合物浓度聚合物溶液在地层中的渗流速度与等效剪切速率的关系：二、聚合物溶液在多孔介质中的流变性5.0)2(431wknnv幂律流体流变性方程：nK1n视粘度：1nK聚合物溶液的粘弹性：高分子量长链聚合物分子通过多孔介质孔隙喉道时会发生弹性拉伸，流出后又要恢复变形，宏观上表现为表观粘度增大。三、聚合物溶液在多孔介质中的粘弹性1）含盐量：渗透率相同，高盐量使聚合物粘弹性增大。2）地层渗透率：渗透率越高，粘弹性愈小。1、粘弹性的影响因素2、粘弹性的表征弹性模量G’’，粘性模量G’四、聚合物溶液在多孔介质中的流动参数1.不可入孔隙体积2.阻力系数3.残余阻力系数油层中聚合物分子不能进入的孔隙体积为不可进入孔隙体积（InaccessiblePoreVolume），简称IPV。IPV聚合物分子量岩石的渗透率孔隙度及孔隙大小分布IPV一般为孔隙体积的15%~35%，若小孔隙被油饱和，一定程度降低了聚合物溶液的驱油效果。1.不可进入孔隙体积定义：水通过岩心时的流度与聚合物溶液通过岩心时的流度比值。ppwwRpwpwPkFkP意义：反映了聚合物溶液降低驱动介质流度的能力。2.阻力系数定义：聚合物溶液通过岩心前、后盐水流度的比值。wiwi