提高原油采收率原理(第三章聚合物驱)

第三章聚合物驱PolymerFlooding聚合物驱是指通过在注入水中加入少量水溶性高相对分子质量的聚合物，增加水相粘，同时降低水相渗透率，改善流度比，提高原油采收率的方法。也称为改性水驱或聚合物强化水驱、稠化水驱、增粘水驱。第一节聚合物驱的概念42采油井321注水井1-剩余油；2-淡水；3-聚合物溶液；4-水4基本原理:增大水的粘度——降低了水的流度——减小水油流度比——抑制水的指进——提高波及系数——提高原油采收率图4-2水驱与聚合物驱的相对渗透率曲线第二节聚合物驱提高采收率机理降低了水油的流度比－提高了波及系数－提高了采收率一、聚合物流度控制作用聚合物驱有更高的平面波及效率－提高原油采收率。rorwwoorowrworooKKKKKf11///式中：fo——采出液中油分流量；Krw——水相相对渗透率；Kro——油相相对渗透率；μw——水相粘度；μo——油相粘度。降低了水油的流度比－调整吸水剖面—提高了波及系数－提高了采收率二、聚合物的调剖作用降低了水油的流度比－有更高的纵向波及效率－提高了采收率图3-4渗透率基差对纵向波及效率的影响K2k3k1假设有一油层含有渗透率分别为K1和K2的两个层段，并且K1/K2=5。在不考虑重力影响的前提下，高渗透层水突破之前任一注水阶段时两层段吸水量之比：221121222211112121/2/////rorwwororwwoorowrworowrwKKKKKKKKKKKKKKqq式中：q1、q2—分别是层段1及层段2中阶段瞬时吸水量；λ1、λ2—分别是层段1及层段2中阶段瞬时流体总流度；Krw1、Kro1—分别是层段1中阶段瞬时水、油相对渗透率；Krw2、Kro2—分别是层段2中阶段瞬时水、油相对渗透率；μw、μo—分别是水、油粘度常数。含水饱和度0.20.30.350.400.450.52备注q1/q25.05.227.2910.4314.3321.58水驱（μo/μw=15）q1/q25.03.573.293.253.293.42聚合物驱（μo/μw=1）表3-2典型的油水相对渗透率数据的计算结果根据水驱油的相对渗透率曲线及油水粘度可计算出不同含水饱和度下两个层段的吸水量比值。第三节驱油用聚合物及溶液性质一、驱油用主要聚合物（1）部分水解聚丙烯酰胺(Partiallyhydrolyzedpolyacrylamide,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。——CH2——CH——C=0NH2xStructureofPolyacrylamide——CH2——CH——C=0NH2x-y——CH2——CH——C=0ONayStructureofHydrolyzedPolyacrylamide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（Newassociativepolymers,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）黄原胶(XanthanGum,XC)黄原胶的化学结构式其主链为纤维素骨架，比HPAM有更多的支链结构。结构中掺氧的环形碳键（吡喃糖环）不能充分旋转，因此黄胞胶靠分子内相互阻绊作用，在溶液内形成较大的刚性结构，从而增加水的粘度。由黄单胞菌属细菌将碳水化合物发酵制得。二、聚合物溶液性质分子链较长，并且具有柔曲性(象弯曲的钢丝一样resemblesaflexiblecoil）。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。1.聚合物的溶解与增粘性水聚合物干粉溶胀与溶解过程：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。2.聚合物溶液的粘度聚合物溶液粘度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。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。爱因斯坦粘度定律smspVNVk式中μsp—增比粘度，μsp=（μs-μ）/μ；N—粒子的个数；Vm—单个粒子的体积；Vs—溶液的体积；μs—溶液粘度；μ—溶剂粘度；k—常数。现代高分子溶液理论认为，线形柔性高分子在其良溶液中似球形状态，因此高分子溶液粘度可表示为：smwwpVNVk聚合物溶液粘度的两种表示方法：1）表观粘度：为剪切应力与剪切速率的比值。如果流体粘度为常数，则称为牛顿流体，否则称为非牛顿流体，即粘度值在不同剪切速率下并不恒定。因此聚合物这种非牛顿流体的粘度称为表观粘度或视粘度用η表示，即：表观粘度是随剪切速率而变的粘度函数。式中：ηs—溶剂粘度。mPa·s；ηr—相对粘度，无量纲；ηR—对比粘度，L/mg；η—在非常低的浓度下测定的聚合物溶液粘度，mPa·s；[η]—聚合物特性粘数L/mg。RCssCClimlim00CCsCrC/lnlimlnlim00ssRC2）特性粘数[η]：表示聚合物分子对溶液粘度的贡献。其定义为聚合物浓度趋近于零时对比粘度的极限值。表达式为：特性粘数表示聚合物分子在溶液中所占流体力学体积的相对大小，也是量度聚合物分子尺寸的一个重要参数。对于聚合物稀溶液来说，聚合物/溶剂体系的比粘度与聚合物溶液浓度C之间的关系满足Huggins方程。CKCsp2sssp式中：K`—Huggins常数，对于线性柔性高分子（如HPAM）在良性溶剂中为0.3-0.45之间。此外，Huggins提出了相对粘度与聚合物浓度的关系：CKCr2ln式中K``=0.05±0.005。根据Huggins方程在给定的盐水中，通过测定不同的溶液粘度，做出ηsp/C或lnηr/C与浓度C之间的关系将ηsp/C—C或lnηr/C—C的直线外推至浓度为零处，交点所对应的值就等于特性粘数。3.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（6）温度粘度（7）细菌粘度（8）光、氧粘度粘度的影响因素：分子量；水解度；浓度；温度；剪切速率；水矿化度；pH值等。浓度一般800-2000mg/L;温度一般不高于90℃。图质量分数、温度对HPAM溶液粘度的影响1-2℃；2-25℃；3-40℃水解度一般选择20-30%图水解度对HPAM溶液粘度的影响pH值一般9左右（8-11）三、聚合物溶液的流变性(RheologicalProperties)1.流变性基本知识（1）牛顿流体＝：剪切应力,shearstress：流体粘度,solutionviscosity：剪切速率（速度梯度）,shearrate－y＝y：屈服应力，剪切应力大于该应力时，流体才能流动。y（2）塑性流体＝Kn(n1)=/=Kn-1(n-10)K：稠度系数(power-lawconstant)n：流动特征指数(power-lawexponent)（3）假塑性流体＝Kn(n1)=/=Kn-1(n-10)K：稠度系数，n：流动特征指数（4）胀流性流体(ShearThickeningFluid)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。（5）粘弹性流体t1t2tt1t2tt1t2t弹性体粘弹体施加外力lgγLowerNewtonianUpperNewtonianShearThinninglgμ(1)剪切速率低，溶液粘度基本不变，表现出牛顿流体的流变性。（2）剪切速率适中，具有剪切稀释性，表现出假塑性流体特征。（3）在较高剪切速率下，再次表现出牛顿流体的流变性。2.聚合物溶液具有的流变性四、聚合物溶液的稳定性1.机械稳定性聚合物驱过程中，聚合物从地面注入至地层会发生聚合物机械降解。机械降解是指聚合物分子受到的拉伸力大于分子内化学键所承受的力时，聚合物分子发生断链现象。(1)聚合物驱的机械降解过程①地面设备中流速变化处（闸门、喷嘴、静混器、泵、管线等）；②机械搅拌过程中；③聚合物溶液在地层驱动过程中尤其在井筒附近区域。(2)影响剪切降解因素影响剪切降解的因素有流速、流场应力分布、聚合物相对分子质量水解度以及地层水矿化度。流速越高，拉伸应力和拉伸速率越大，分子越容易断链。拉伸速率公式如下：pDAQe2式中Q-流速；A-截面积；Φ-孔隙度；-岩石颗粒平均半径。pD(3)机械降解描述方法常用粘度损失率和筛网系数损失率表示机械降解的程度式中ηo-聚合物溶液降解前初始浓度，mPa·s；η-聚合物溶液降解后浓度，mPa·s。%1001%100ooo%100ooSFSFSFSF式中SFo-聚合物降解前筛网系数（ScreenFactor）；SF-聚合物降解后筛网系数。(4)防止和减轻机械降解程度的措施①采用低速搅拌器，低剪切注塞式注液泵，避免使用针形阀；②对于套管射孔完井，增大射孔密度和孔径；③对于渗透率较低的油藏，注聚合物前对井筒附近采用小型酸化④采用单井单泵方式注聚合物，避免使用油嘴或阀门来控制调节注入量。2.聚合物的生物稳定性加入杀菌剂甲醛、丙烯醛、二氯苯酚钠、无氯苯酚钠等，对油层进行杀菌处理，确保聚合物的生物稳定性。3.聚合物的化学降解聚合物在氧气、金属离子等作用下，发生氧化还原反应或水解反应，使分子链断裂或聚合物结构改变，导致聚合物相对分子质量降低和其溶液粘度损失。1）聚丙烯酰胺（1）有氧环境：氧分子或自由基进攻聚合物主链上的薄弱环节，生成氧化物或过氧化物，进一步使主链断裂，发生进一步降解。温度升高、pH值降低及水解度较大都会加剧降解反应程度，尤其在Fe2+和H2S等还原物质存在时，会发生剧烈降解。（2）油层环境：是从有限量氧到无氧的环境，在有限氧时，油层中的Fe2+和H2S等还原物质会加剧降解，但Ca2+会降低其粘度。为防止丙烯酰胺降解常在配制聚合物溶液中加入一定量的添加剂甲醛、亚硫酸钠、硫脲、三乙醇胺和低分子醇等，增强聚丙烯酰胺溶液的稳定性。2）生物聚合物黄胞胶（1）有氧环境：配制过程需加除氧剂，防止其降解。（2）油层环境：适合于在70℃温度以下，中性pH值，地层水矿化度偏高的油藏使用。其抗温性差，但抗Ca2+性较好。五、聚合物溶液的过滤性聚合物溶液的过滤性是其通过微孔渗透膜能力大小的量度，是反映聚合物溶液注入能力的一个参数，也是反映聚合物溶液通过孔隙能力的度量参数。1.过滤因子（FilterFactor）100200400500500ttttFR式中t500、t400、t200、t100——分别为累计过滤500ml，400ml，200ml，100ml时聚合物溶液所需时间。2.过滤曲线：以累计过滤量为横坐标，累计过滤时间为纵坐标聚合物溶液在一定压力下通过一定孔径滤膜的累计时间和累计流量的关系可用二次方程T=a+bQ+cQ2表征，计算出设定流量下的时间，便可求出过滤因子。3.筛网系数（ScreenFactor）图3-11筛网系数测定装置一定体积的聚合物溶液通过筛网的流出时间与同体积的溶剂在相同条件下流出时间的比值。是评价聚合物溶液性质的