石油工程毕业设计（论文）-怎样更好的提高聚合物的利用价值.doc

摘 要自20世纪70年代石油危机以来，聚合物强化采油越来越显现其巨大的经济价值。聚合物驱油究竟靠什么，为什么经过几十年最后聚丙烯酰胺基驱油体系胜出？这些机理问题对怎样寻找更好的驱油体系至关重要，而聚合物在强化采油中的应用离不开流变学的概念的发展。粘度比，拉伸粘度，粘弹性和在多孔介质中流体力学的滞留，界面粘弹性，缔合增稠，弱交联等概念的发展将聚合物驱油过程推向高温高矿化度和非均匀地层。本文主要研究了聚合物、聚合物的性质以及聚合物驱油的机理并通过实验讨论分析聚合物驱油的效果。关键字：聚合物；驱油 ；降粘 目 录第一章 前言1第一节 研究的目的与意义1第二节 国内外聚合物驱发展概况456711.2.1 国外油田使用聚合物驱情况11.2.2 国内油田使用聚合物情况2第三节 本文的研究工作3第二章 聚合物驱油4第一节 聚合物4第二节 聚合物性质42.2.1 增粘性42.2.2 流变性9 52.2.3 粘弹性101112131462.2.4 稳定性1582.2.5 滞留性910169第三节 聚合物驱油机理及影响因素142.3.1 聚合物驱油机理142.3.2 聚合物驱油影响因素616第四节 聚合物驱油的适用条件6172.4.1 聚合物的选择172.4.2 油层的要求18第三章 实验设备与仪器及实验方案与效果评价19第一节 实验设备及仪器19第二节 实验方案20第三节 实验结果分析与讨论23结论26参考文献27致 谢29附录130附录236 聚合物驱油第一章 前 言第一节 研究的目的与意义我国绝大多数油田已进入高含水开发后期，主力油层产量在逐年下降，各油田在做好提高主力油层采油技术的同时，加大了对孔渗性差的二类油层开发力度，力保油田的可持续性发展。但由于沉积环境不同，二类油层呈现出与主力油层完全不同的沉积特征。不论在纵向上还是在平面上，二类油层的沉积环境变化很大，从分流平原到三角洲内前缘，不同沉积环境的各类砂体组合到一起，造成了比主力油层更为严重的非均质性。与主力油层相比，二类油层河道砂体发育规模明显变小，层数增多，单层厚度变薄，有效渗透率变低，平面及纵向非均质性严重。水驱开发过程中，平面非均质性会导致“平面舌进”，层内非均质性会导致“死油区”，层间非均质性会导致“单层突进” 1。在油田聚驱开发过程中，二类油层可界定为河道砂和有效厚度大于1m的非河道砂，有效渗透率下限为10010-3m2左右2。大庆油田不同油层开发效果揭示出，厚度小于1m，渗透率小于10010-3m2的油层，聚驱效果不好，而厚度大于1m，渗透率大于10010-3m2的油层，聚驱在技术和经济上都收到好的效果3。因此，加大对二类油层的开发力度，减小我国石油自给的困难，已成当务之急。本文的目的就是在二类油层进行聚驱时如何优选聚合物以更大幅度提高二类油层的采收率。第二节 国内外聚合物驱发展概况45671.2.1 国外油田使用聚合物驱情况聚合物驱在美国开始于50年代末和60年代初期，1964年进行了现场试验。杰威特（Jewentt）及斯卡兹（Schurtz）描述了在1964到1969年间开始的61个聚合物驱油藏的基本参数和试验条件，以及对这些试验成功与失败的评价。其中有16个重要的聚合物驱矿场试验，这16个试验中有10个的结果是鼓舞人心的或者是成功的。采收率增值范围最高的达到8.6%。这些结果表明，聚合物驱可以成功地应用于油藏特性和流体性质范围很广的油田，但也有几个失败的例子。矿场试验不成功的可能原因有：可动油饱和度低，原油粘度高，聚合物用量不足，盐水矿化度高，底水难以控制或窜槽严重，以及地面处理及注入能力有问题。根据室内试验和对油藏的分析恰当选择和设计聚合物驱，是现场试验成功的关键。从70年代到1985年，美国共进行聚合物驱矿场试验183次。试验区内原油粘度的变化范围0.3到160mPas，评价结果表明，聚合物驱一般都取得了经济效益。1986年和1988年的原油产量分别为889103和1218103m3，实施方案的数量分别为178和111。但是，在80年代末和90年代，由于原油价格的影响，包括聚合物驱在内的化学驱在美国很少使用。到2000年，聚合物驱产油量仅为93103m3，实施的方案数量只有10个。在2002开始已经完全停止使用。目前，美国等西方国家基本上停止了提高采收率的试验研究，只进行少量的室内研究。前苏联使用聚合物驱，平均每吨聚合物增产原油达到了200吨。目前，在俄罗斯各油田，聚合物的使用较为普遍，呈上升趋势。在俄罗斯的鲁卡伊尔油田，聚合物驱在所有的化学驱方法中占据了第一的位置，2002年聚合物驱的采油量为150万吨，占所有化学驱产量的43.5。1.2.2 国内油田使用聚合物情况聚合物驱在我国使用的历史较短，20世纪80年代，大庆油田和大港油田的聚合物驱的矿场试验取得了成功，20世纪90年代，胜利油田和河南油田成功地进行了聚合物驱的先导性试验和工业化矿场试验。目前，聚合物驱技术在中国可以说是方兴未艾，经过室内研究和现场试验的实践，我国已掌握了聚合物的筛选评价，数值模拟预测和井网、注入方式、聚合物注入量优化方法以及调剖、动态监测、效果评价等一整套工艺技术。例如，针对聚合物机械降解最大的射孔炮眼地带，采取高密度、大孔径、深穿透射孔技术，大大降低了聚合物的机械降解，使聚合物的粘度保持率大大提高。由于聚合物驱投入少，工艺简单，增产控水效果显著，国内的许多科研单位把它作为重点研究项目之一，以使其发挥更大的作用。在国内的油田中，大庆油田对聚合物驱的研究一直走在前列，并且推广使用的最为成功，聚合物驱的采油量已达1000万吨左右，为油田的稳产作出了巨大贡献。随着人们对聚合物驱的认识的加深，聚合物驱的应用范围也逐渐扩大。特别是在我国，聚合物驱油技术发展很快，无论是在技术上还是在规模上都处于世界前列。聚合物驱油调剖技术、分层注入技术、宽分子量聚合物注入技术、二类油层上返聚合物注入技术等得到发展和完善。在大庆油田，2005年聚合物驱油产量达到1200万吨，占大庆油田总产量的四分之一。对大庆油田来说，主力油层的聚合物驱已进入后续水驱阶段，其应用对象从地质条件较好的主力油层逐渐转向地质条件稍差的二类油层。国内各油田对二类油层注聚的可行性进行了研究。例如，大庆油田将二类油层的注聚对象确定厚度大于1m、渗透率大于10010-3m2的地层组合，并在萨中地区进行了矿场试验，试验结果表明，河道砂体的注聚效果较好，而非河道砂体的效果不明显。因此要保持油田继续稳产高产，实现大庆油田长期有效益的规模开发，在积极寻找新的油气藏，增加外围油田的地质储量和动用程度以及最大限度的提高已开发油田采收率的同时，积极地对二类油层进行开发研究已成当务之急。第三节 本文的研究工作本文研究的主要任务是，根据对室内研究和矿场试验结果的综合分析：（1）揭示聚合物驱油聚合物浓度与采收率的关系；（2）聚驱采收率及成本与三元复合驱的进行比较；（3）揭示聚合物驱油转注高浓聚合物以更大幅度提高采收率的时机。第二章 聚合物驱油聚合物驱油是60年代初发展起来的一项三次采油技术，其特点是向水中加入高分子量的聚合物，从而使其粘度增加，改善驱替相与被驱替相间的流度比，扩大波及体积，进而提高原油采收率。而聚合物驱具有驱油机理不太复杂，技术比较简单，成本比较低等优点，它比较适合我国大多数油田的实际情况8。因此，深入进行聚合物驱的研究，对改善油田开发效果，保持原油稳产，提高原油最终采收率具有重要意义。第一节 聚合物聚合物是由大量的简单分子经聚合而成的天然或合成的一类高分子量的物质。驱油用聚合物大致可分为天然聚合物和人工合成聚合物。天然聚合物是从自然界（植物或种子）或经微生物发酵得到，如改进纤维素、生物聚合物黄胞胶等。人工合成聚合物是用化学原料经工厂生产而合成的，如聚丙烯酰胺（PAM）、部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)。由于黄胞胶市场价格昂贵，除了在高矿化度和高剪切的油藏使用外，一般油藏都使用人工合成的部分水解聚丙烯酰胺。为了拓展聚合物驱的应用范围，提高恶劣油藏（高温、高矿化度）的采收率，人们研制出了许多耐盐、耐温的驱油用的聚合物，如丙烯酰胺共聚物，疏水缔合聚合物，天然高分子接枝聚合物。第二节 聚合物性质2.2.1 增粘性表示聚合物溶液粘度常用特性粘度 （2-1）表示浓度为c的情况下，单个高分子对溶液粘度的贡献；其数值不随浓度而改变。 （2-2）式中特性粘度；聚合物溶液浓度趋于零时溶液的粘度；0聚合物溶液浓度趋于零时溶剂的粘度；c聚合物溶液浓度；M聚合物分子量；K常数，与高分子种类，高分子量范围，溶剂种类，温度等有关；常数，=0.5，劣溶剂；=1，良溶剂；=2，分子链为棒状。溶液中，偶极水分子通过吸附或氢键作用在高分子周围形成溶剂化层或成为束缚水，同时因带电基团间的静电斥力而使聚合物分子更加舒展。无规则线团体积增大，这使分子运动内摩擦增加，流动阻力增大，从而增加水相粘度。因此，影响分子内摩擦力的都影响其粘度。影响聚合物溶液粘度有水解度，溶液浓度，矿化度以及其他因素（温度、氧、细菌等）。实践证明，聚合物溶液粘度随着水解度增加而增大，随着聚合物浓度增加而增大，随着矿化度增加而降低。温度升高或在有氧的环境中或在有细菌的环境中，都会使聚合物发生降解，致使粘度下降。2.2.2 流变性9聚合物的流变性是指在外力作用下发生流动和变形的性质，其流变曲线如图2-1所示。聚合物溶液的流变曲线由第一牛顿段、假塑段、极限牛顿段、粘弹段和降解段组成。粘度随 剪切速率的变化与高分子在溶液中的形态结构有关。在很小的剪切速率下，大分子构象分布不变，流动对结构没有影响，聚合物溶液的粘度不因剪切速率的变化而变化，此即第一牛顿段；当剪切速率较大时，在切应力的作用下高分子构象发生了变化，长链高分子偏离平衡态构象，而沿流动方向取向，使得聚合物解缠和分子链彼此分离，从而降低了相互运动阻力，这时聚合物溶液粘度随剪切速率的增大而下降，此即假塑段；当剪切速率增加到一定程度以后，大分子取向达到极限状态，取向程度不再随剪切速率的变化而变化，聚合物溶液遵守牛顿流动定律，此即极限牛顿段；当剪切速率再增加时，主链的相邻键偏离了正常的键角，从而产生了弹性恢复力，聚合物溶液粘度随剪切速率的增大而升高，此即粘弹段；当剪切速率增加到足以使高分子链断裂时，发生了聚合物降解，聚合物溶液粘度下降，此即降解段。2.2.3 粘弹性10111213142.2.3.1 聚合物溶液粘弹性简述聚合物溶液粘弹性是指聚合物溶液同时具有粘性和弹性的性质。粘性流体，流动和形变是能量损耗过程，应力对流体所作的机械功全部转换为热能散失掉，当应力消除后粘性流体不会恢复到原来的状态。而弹性流体，拉应力做的功变为弹性能储藏起来，当拉应力解除后，能量同时释放出来，使材料恢复原来状态。某些聚合物熔体或高浓度聚合物具有粘弹性。粘弹性流体因具有粘性和弹性，受力运动时同时服从牛顿内摩擦定律和虎克定律。聚合物溶液具有假塑性流体特征，显示出粘度随剪切速度增加而降低，但在特高剪切速度下，聚合物溶液将失去其假塑性特征，显示出视粘度随剪切速度提高而增大，同时具有粘性和弹性。因此，它在多孔介质中流动才具有膨胀流体的流动特性。当聚合物溶液通过多孔介质时，其弹性常常是改变流动方向的阻力，而流动方向的变化是由于孔隙直径或迂曲度发生变化而引起的。当注入速度很高时，特别是在小孔隙的多孔介质中，聚合物粘弹性的影响更为明显。增加聚合物粘弹性的最好办法是减少碱浓度或配方中不含碱。粘弹性是指物质对施加外力的响应表现为粘性和弹性双重特性，测定材料粘弹性的两种最常用的实验技术是振荡剪切和稳态剪切流动。振荡剪切流动（又称小振幅振荡实验）是对材料施加正弦剪切应变，而应力作为动态响应加以测定，主要测定溶液的损耗模量和储存模量；而稳态剪切流动主要是测定粘度函数和第一法向应力函数,当聚合物溶液受到剪切时，通常在垂直于剪切力的方向上产生法向力。水解聚丙烯酰胺（HPAM）分子是具有柔性的长链结构，在水溶液中一般卷曲呈线圈状，在剪切流动的同时伴有弹性变形。众所周知，要想提高岩心的微观驱油效率，依据牛顿流体岩心驱替实验所完善建立的毛管数与采收率关系，毛管数的增加值要在数千倍以上才能实现提高采收率的目的。但聚合物驱与水驱相比，增加幅度通常小于一百倍，多数人由此认为聚合物驱既不能提高微观驱油效率，又不能提高采收率。而新近的大量研究成果不在支持这一观点。王德民等通过实验室岩心驱油实验，对水驱后的不同残余油类型进行了研究，并将残余油的类型划分为：（1）岩石表面的油膜；（2）“盲端”状残余油；（3）毛管力作用下的孔喉残余油；（4）岩心微观非均质部分未被波及的残余油。研究表明，粘弹性的聚合物溶液驱替后，所有类型的微观残余油均减少，而且其在孔隙中的速度分布与牛顿流体有很大不同，在驱替不同类型的残余油时，表现很强的“拉、拽”作用。研究证实了微观驱油效率的提高与聚合物溶液的弹性有关。不同性质的聚合物溶液具有不同的弹性。选用不同的聚合物驱油时，其提高采收率幅度的差异可高达6%OOIP以上。根据微观渗流实验结果，分析了聚合物溶液提高微观驱油效率的机理是聚合物溶液的粘弹效应。王德民等的实验还表明，高分子量、高注入速度可以获得较高的采收率。采收率的提高主要归咎于粘度与弹性的增加。进一步深入研究工作将可以定量确定弹性和粘性各自对提高采收率的作用程度。低渗透、高注入速度下的岩心驱替也可获得较高的采收率增值。原因是相同注入速度下，低渗透岩心具有较高的剪切速率，由此使聚合物溶液表现出较高的弹性。聚合物溶液的弹性是使残余油饱和度显著降低的主要因素。为获得化学驱较好的技术-经济效益，配制驱替液的水的矿化度应尽可能的低，选用的聚合物的分子量以及配制浓度应尽可能的高，并最大限度地减少聚合物的降解。通过开发新型的聚合物，能够使其在不同条件下（高矿化度、温度、剪切速率）具有弹性，这样，即可较高地提高原油采收率。2.2.3.2 聚合物溶液粘弹性影响因素（1）浓度的影响聚合物浓度的是影响聚合物溶液粘弹性的重要因素之一。随聚合物浓度的增加,松驰时间增大,储存模量增加,聚合物溶液的弹性增强。这主要是由于聚合物的浓度越大,分子间的距离越小,分子间的范德华力越大，使分子不易被拉伸发生变形。当分子所受外力除去后，分子立即回复到原来的卷曲状态。聚合物的分子量越大，其弹性粘度越大，也是分子间力增大的结果。（2）分子量的影响由于分子量高的聚合物溶液（相同浓度）粘度高，粘度高的聚合物溶液由于分子的内摩擦力大，聚合物分子线团形发展和回复受阻力较大，松驰时间长。也就是弹性滞后效应明显。由此可得出分子量越大，弹性效应越强。（3）矿化度及离子种类的影响聚合物溶液的表观粘度随矿化度增而明显下降，聚合物的弹性也随着矿化度的增加而急剧下降，松驰时间也随矿化度增加而减小。这主要是随着矿化度的增加，溶液中离子屏蔽效应进一步增强，聚合物分子不能自由卷曲，分子链段取向下降。在相同的矿化度下，随着二价离子的增加，溶液的弹性也大大降低。（4）温度的影响由于温度的升高只是加剧聚合物分子间的热运动，高温度使运动单元活化，加快运动单元的自由运动。使链端沿作用力方向出现协同运动和分子链重心的相对移动。在油层温度内，温度变化不能改变分子链的卷曲状态。所以在外力作用下，弹性粘度变化不大。2.2.4 稳定性15聚合物溶液在油藏条件下必须保持长时间稳定，才能有好的驱油效果。聚合物驱油的目的就是保持聚合物溶液适当的粘度，但在注入聚合物溶液时，由于各种原因聚合物高分子链会出现断裂，破坏了大分子结构，达不到聚合物驱要求，这就是聚合物降解。在聚合物驱采油中有以下四种降解：机械降解，化学降解，温度降解，生物降解。2.2.4.1 机械降解由于聚合物高分子受到较大剪切、拉伸应力引起聚合物分子链断裂所造成的聚合物降解，如在聚合物配制过程、注入过程、井眼附近、渗透性地层中，流动的聚合物溶液均会发生机械降解。聚合物溶液分子量大、阴离子度高，水动力学体积较大，引起的摩擦力较大，所受张力也随之而增大，由此容易造成大分子出现断裂，可见聚合物分子本身性质就具有机械降解特性。聚合物水溶液中由于羧钠基的离解，带负电的分子链吸引偶极分子形成扩散双电层，随着溶液中Na+的增加，扩散双电层的电势迅速降低，使分子卷曲缩小，分子水动力学体积减小而导致机械降解，这种降解随着矿化度的增加而加大。2.2.4.2 化学降解由于化学作用(氧化、还原、PH值、热解)使聚合物分子链断裂，粘度降低的现象。化学降解主要是如下三方面所引起的：氧、聚合物中的添加剂(如菌剂)、金属或金属离子(如铁)。当聚合物与空气接触时，在较低温度下，聚丙烯酰胺降解较小，但温度升高、PH值降低会使降解加剧。尤其是在有Fe2+、H2S或还原物质存在时，聚丙烯酰胺会发生剧烈降解。化学降解还与聚丙烯酰胺的水解度有关：非离子型聚合物在水溶液中处于无规则线团状态，当阴离子度增加时，因羧基负离子间的静电排斥作用，大分子链就由无规则线团状态逐渐舒展开来，这就更容易受热和氧化作用，从而造成分子链断裂。为了杀菌或抑制细菌生长，在聚合物溶液中常加杀菌剂如甲醛。通过实验研究表明，甲醛浓度在200400mg/L时对聚合物溶液稳定效果最好，浓度过高或过低都将使聚合物发生化学降解。金属以及金属离子对化学降解有显著影响。在无氧情况下，聚合物溶液中即使含有金属或金属离子，它也比较稳定，但在有氧或与空气接触时，其化学降解非常迅速。2.2.4.3 温度降解每种聚合物都存在一个裂解温度，若地层温度超过其裂解温度，则发生分子链断裂，分子量降低，即发生温度降解。通常情况下，聚合物的裂解温度都高于地层温度。因此，温度降解不是主要影响聚合物稳定性的因素。2.2.4.4 生物降解由于聚合物高分子受到细菌分解破坏作用所造成的聚合物降解。在地面，聚合物的生物降解与喜氧菌有关，可使聚合物在注入地层之前发生降解；在地下，聚合物的生物降解与厌氧菌有关。合成聚合物和生物聚合物都可能发生生物降解，但对生物聚合物更容易一些，特别是在较低温度和含盐度下。防止生物降解最常用的办法就是使用生物杀菌剂。通过室内实验以及矿场试验研究，甲醛是比较理想的杀菌剂。2.2.5 滞留性91016聚合物驱油时会使岩石的渗透率下降，其主要原因是聚合物在岩石中的滞留造成的。滞留不仅引起溶液中的聚合物损失，同时也使得流度控制效率下降。除此之外，滞留会使聚合物溶液的原始性能（如浓度，粘度，阻力系数等）发生变化，也会使岩石的物性（如渗透率、孔隙度、界面性质）发生变化。聚合物在多孔介质中的滞留包括吸附、机械捕集和物理堵塞、水动力滞留。如图2-2所示。2.2.5.1 吸附吸附是聚合物在岩石表面自动浓集的现象。吸附可分为物理吸附，化学吸附。物理吸附是指在表面（吸附剂）和被吸附物质（吸附质）之间依靠静电力（或范德华力）和氢键作用相结合。化学吸附是指两者之间发生化学反应而产生的吸附。实验证明，聚合物在岩石表面上的吸附为单分子层吸附，聚合物主要通过重氢键，范德华力，化学键（配伍键）和静电力吸附。岩石对聚合物吸附按吸附量的影响从大到小的排序：粘土矿物碳酸岩砂岩 蒙脱石伊利石高岭石长石石英吸附是聚合物在岩石中滞留的主要原因，吸附量可用Langmuir等温吸附式来确定。影响聚合物吸附的主要因素：（1）岩石类型及组分的影响聚合物在岩石中的吸附量随岩石结构及组分不同而异。聚合物在碳酸岩上的吸附量高于砂岩上的吸附量，粘土上的吸附量高于砂岩的吸附量。这主要是由于聚合物与岩石表面上多价阳离子相互作用，形成了一种缓慢离解的化合物分子的吸附不同。如粘土，蒙脱石、伊利石是三层型，高岭石是双层型，这样蒙脱石负电性最强，伊利石次之，高岭石最弱；使得蒙脱石对聚合物的吸附量最大，伊利石次之，高岭石的吸附量最小。另外，岩石的结构、孔隙大小和润湿性不同，则不可进入孔隙体积和捕集程度不同，对聚合物的吸附量不同。一般随岩石的比面增加，亲水性增强，吸附量增大。不可入孔隙体积越小，吸附量越大。（2）聚合物类型的影响对于不同类型的聚合物，其平均分子量和水解程度不同。平均分子量大，聚合物的分子直径也较大，由于聚合物分子是以单层吸附在岩石表面上，随着聚合物分子量增加，吸附量增加。聚合物的水解度也影响聚合物的吸附量。（3）聚合物浓度的影响聚合物的吸附量随聚合物浓度的增加而增大，聚合物浓度较低时，随浓度的变化，吸附量增大的比较明显，聚合物浓度较高时，吸附增加的幅度比较平缓。这主要是当聚合物浓度达到一定值后，岩石表面的吸附量逐渐达到饱和状态。（4）含盐量的影响聚合物的吸附量对溶液的含盐量是非常敏感的，特别是水解聚丙烯酰胺。含盐量的增加，出现的一价和二价阳离子抑制了羧基的解离，使聚合物分子的有效直径变小，增加可能的吸附点数，同时降低不可进入孔隙体积，使吸附量增大。二价和多价阳离子比碱土金属增加吸附量更明显，这主要是前者使分子的有效直径变小的幅度比后者更大，如二价和多价阳离子比碱土金属产生的聚合物分子的有效直径低10%到30%。2.2.5.2 机械捕集和物理堵塞机械捕集是指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匀而引起的。这些孔隙一般是一端小，另一端大，而不是根本不让聚合物进入小孔隙孔道。只要大口面向着多孔介质的上端，那么聚合物就可进入孔隙，但在小口端都流不出来，于是聚合物就被捕集起来。物理堵塞主要是由于沉淀物而引起的。这些沉淀物包括聚合物溶液中的各种不溶物，聚合物与地层以及其中流体发生化学反应而生成的沉淀物，如地层中的二价阴离子，使HPAM絮凝或沉淀等。机械捕集和物理堵塞的区别：机械捕集有可能让油或其他不含水的流体通过，只是限制水溶液的流动，并且机械捕集是可逆的；物理堵塞不允许流体通过，并且一般是不可逆的。2.2.5.3 水动力滞留水动力学滞留是指由于流动方向或流速改变而引起的滞留，当机械捕集使一些小孔隙或颗粒夹角处被大分子堵住，迫使流线方向改变，在局部位置进一步滞留聚合物大分子，流速增加也可使聚合物大分子进一步滞留。2.2.5.4 聚合物在多孔介质中的流动参数（1）阻力系数FR阻力系数是指在相同条件下，盐水通过岩心时的流度与聚合物溶液通过岩心时的流度之比。 （2-3）式中FR阻力系数；w水的流度；p聚合物的流度；Kw水的有效渗透率；Kp聚合物的有效渗透率；w盐水的粘度；p聚合物的粘度；Pw注入水的岩心两端压差；Pp注入聚合物的岩心两端压差。为了单独描述渗透率的下降，最常用的度量值是渗透率下降系数RK，RK用下式表示： （2-4）FR对聚合物类型、分子量、水解程度、剪切速率及多孔介质的孔隙结构极为敏感，聚合物甚至经受少量机械降解，就会失去大部分渗透率下降效应。FR一般比RK大得多，因为前者包括粘度增大和渗透率下降两种效应。（2）残余阻力系数FRR残余阻力系数是指聚合物溶液通过岩心前后盐水流度之比。 （2-5）式中FRR残余阻力系数；wb聚合物溶液注入前水的流度；wa聚合物溶液注入后水的流度；Kwb聚合物溶液注入前水的有效渗透率；Kwa聚合物溶液注入后水的有效渗透率；wb聚合物溶液注入前水的粘度；wa聚合物溶液注入后水的粘度；Pwb聚合物溶液注入前岩心两端压差；Pwa聚合物溶液注入后岩心两端压差。FRR作为聚合物溶液堵塞孔道的一种量度，表示聚合物溶液引起的渗透率持久下降效应。一般情况下，FRR和RK近似相等。（3）筛网系数SF筛网系数是指一定体积聚合物溶液通过筛网的流出时间与同体积的水在相同条件下流出时间的比值。 （2-6）式中SF筛网系数；tp聚合物溶液流出的时间；tw盐水流出的时间。筛网系数SF与温度、装置大小和滤网的粗糙度、间隔无关，只与聚合物类型、浓度有关。（4）不可入孔隙体积IPV不可入孔隙体积是指在多孔介质渗流过程中，有些孔隙能让水通过，却限制了聚合物分子的进入，这部分体积即为不可入孔隙体积。如图2-3所示。不论是胶结的，还是非胶结的岩石，其中必定会有许多直径比聚合物分子小的孔隙。当聚合物溶液通过多孔介质时，这些孔隙能让水通过，但却限制了聚合物分子进入。如果向孔隙介质中注入盐水，那么盐水通过孔隙介质所用的时间为： （2-7）式中L多孔介质的长度，cm；vw盐水注入速度，cm/s；盐水的有效孔隙度，%；A多孔介质的截面积，cm2；q盐水的体积流量，cm3/s；tw盐水通过多孔介质的时间，s。如果在同样的注入速度下，通过同一介质，聚合物溶液所用的时间为： （2-8）式中L多孔介质的长度，cm；vp聚合物注入速度，cm/s；聚合物有效孔隙度，%；A多孔介质的截面积，cm2；q聚合物的体积流量，cm3/s；tp聚合物通过多孔介质的时间，s。由于，因此,即聚合物的流动高于盐水的流动速度。同时降低了聚合物在岩石中的滞留。不可入的孔隙体积大小取决于聚合物分子量，岩石渗透率，孔隙度及孔隙大小分布等。聚合物分子量大，IPV大；岩石渗透率增大，IPV减小；孔隙度增大，IPV减小；孔隙分布愈均匀，IPV愈小。IPV通常为0.150.35PV。第三节 聚合物驱油机理及影响因素2.3.1 聚合物驱油机理（1）提高宏观波及系数（EV）聚合物注入地层后，一方面增加水相粘度，控制水淹层段水相流度，提高平面波及系数（EVA）9。聚合物之所以能增加水的粘度，主要由于：水中聚合物分子互相纠缠形成结构；聚合物链节中亲水基团在水中溶剂化；若为离子型聚合物则其在水中解离，产生许多带电符号相同的链节，使聚合物分子在水中所形成的无规线团更松散，因而有更好的增粘能力。另一方面，降低高渗透率的水淹层段中流体总流度，缩小高、低渗透层层段间水线推进速度差，调整吸水剖面,提高垂向波及系数（EVV）9。由于聚合物的分子量较大，在岩石和孔隙中产生吸附和滞留，增加了流体在孔隙中的流动阻力，使水相渗透率下降，使水油流度比进一步降低。水油流度比的降低，减少了注入液的指进，从而提高了波及体积。这两方面共同作用导致聚合物溶液在油层中流度明显降低，从而降低水油流度比。 总之，聚合物的加入提高了注入水的粘度，降低了水相渗透率，使得油层吸水剖面得到调整，平面非均质性得到改善，水洗厚度增加，扩大了水相的波及体积17，从而提高宏观波及系数（EV=EVAEVV）9。 （2）提高微观驱油效率（ED）传统观点认为，聚合物驱只提高了宏观波及系数，并未提高微观驱油效率。若是如此，聚合物驱只能提高采收率5%左右。根据大庆油田试验结果分析，只要选择合适的油藏，有正确的注入体系设计，聚合物驱可提高采收率10%以上5。国内外专家认为，这是由于聚合物在一定注入速度下具有粘弹效应，从而提高了微观驱油效率。水驱后残余油主要分布形式有：流动通道盲端中的残余油；吸附在岩石壁面上的油膜；由于存在毛管力而滞留在孔吼处的油珠（滴）；水驱后圈闭在微观孔隙中的油珠或油簇。大庆石油学院的夏惠芬教授6对各种残余油的聚合物驱替机理作了深入的研究。主要机理有：粘弹性聚合物溶液对孔隙盲端中残余油的拖拉携带这类残余油的形成主要是由岩石孔隙结构决定的，油水界面的法线垂直于聚合物溶液的流线。实际多孔介质中，直径急变的孔道随处可见，驱替液流动的速度时快时慢。在这样变化中，聚合物长链分子不断发生弹性变形和变形恢复。对于油湿状盲端中的残余油，可部分被“拽”出盲端。对于具有弹性的溶液，其后续流体对前缘的流体不仅有推动作用，而且前缘的流体又对其边部及后续流体有“拉、拽”的作用。这个“拉、拽”作用是由于聚合物长分子链间的相互缠绕及分子链间的相互“拉、拽”。但是，对于水湿状的盲端残余油的作用不明显。聚合物溶液对连续油膜的携带机理这类残余油主要存在于油湿岩心中，残余油以连续油膜的形式附着在岩石孔道的壁面。在聚合物驱油过程中，聚合物溶液从壁面剥离油膜的力与该界面附近的速度梯度成正比，而在相同的流动条件下，粘弹性的聚合物溶液的速度梯度大于无弹性流体的，而且分子量越大，速度梯度也越大。因此聚合物溶液对壁面油膜的携带力大于水的，可携带部分残余油膜流动。粘弹性聚合物溶液对孔喉处的残余油的携带机理这类残余油的形成主要是因为油与岩石的界面张力及毛管力而使其束缚在孔喉处，其油水界面的法线垂直于聚合物溶液的流线，水驱后，剩余油、水在孔喉处处于平衡状态。在聚合物驱油过程中，由于聚合物溶液的粘弹性，孔喉处的残余油被聚合物溶液携带出来，降低了孔喉处的残余油量，同时使该处的毛管力发生变化。当其两端的外力不同，并且若残余油量较小，其变形不能产生足够大的毛管压力抵消此推力，则聚合物溶液可能将剩余的残余油从压力大的一端推向压力小的一端，从而被采出。综上所述，由于聚合物溶液的粘弹特性，可将部分该类残余油从孔喉处携带出来；另一方面，因孔喉处的残余油被携带出来，使其毛管力发生变化，从而增加了孔喉处的残余油滴被驱替出来的机会。聚合物溶液的粘弹性对圈闭残余油的携带机理这类残余油主要是由微观孔隙的非均质性及毛管力而形成的。主要以两种形式存在，即单个油珠或连续的油簇，分布在微观低渗透孔隙中，且周围被水所圈闭。在外力P的作用下将油珠推出收缩的孔道几乎是不可能的。但是，由于孔隙介质的不规则性，聚合物溶液将会绕道迂回流过。当其流线与该圈闭油珠的油水界面的法线垂直时，可将部分残余袖携带出来。2.3.2 聚合物驱油影响因素6由于聚合物驱主要是利用聚合物提高注入水的粘度，降低油水流度比，因此，聚合物水溶液的粘度大小，直接影响聚合物驱的效果，是聚合物驱油的主要影响因素。（1）聚合物的结构及浓度的影响聚合物增加水的粘度，主要是因为聚合物为长链的高分子化合物，当溶于水时，聚合物分子向各个方向延伸，并相互缠绕，使之具有挠性、类似胶状的特性。聚合物分子越大，聚合物相互缠绕的程度越大，聚合物溶液的粘度越大。水解度是影响聚合物溶液粘度的重要因素,一般水解的聚丙烯酰胺要比相应未水解的聚丙烯酰胺的视粘度高，这主要是由于已水解分子上的电荷能使聚合物分子的链最大限度展开，并由此提高了溶液的视粘度。聚合物的浓度也是影响聚合物溶液粘度的一个重要因素。因为聚合物的浓度越大，被溶解在水中的聚合物分子越多，分子相互缠绕的机会明显增多，聚合物溶液的粘度增加。但这种缠绕作用同时伴随着剪切应力增加，使其具有明显的的假塑性特性，即溶液的粘度更易受剪切应力的影响。聚合物浓度较低时，溶液的粘度较低，受剪切的作用相对比较小，溶液接近于牛顿流体的特性。（2）油藏岩石类型的影响降低聚合物在地层中驱油效果的一个重要因素是聚合物在岩石表面的吸附。产生吸附使溶液中聚合物的浓度下降，另外降低渗透率，增加油水的流动阻力。吸附不仅与聚合物的性质有关，还与岩石的类型及矿物组成有关。不同的岩石，在地层水中及岩石表面产生的离子也不同，有些离子与聚合物的离子相互作用，产生沉淀物质，或者进行自由基取代，使聚合物降解，聚合物溶液的粘度下降。因此，用聚合物驱油时必须考虑岩石的组成。（3）地层水矿化度的影响地层水矿化度增加，聚合物在岩石表面上的吸附量越大，会使聚合物溶液的有效浓度下降，粘度降低。除此之外，矿化度增加，水中的离子与聚合物分子链上的离子之间的排斥力增大，聚合物分子伸展的能力大大降低，聚合物溶液的粘度下降。另外，矿化度的增加，使聚合物对剪切更加敏感。（4）注入速度的影响聚合物溶液的粘度受剪切的影响是很大的，特别是聚丙烯酰胺。聚合物溶液的流动速度越大，即剪切速率越大，其溶液的粘度下降的越快。（5）注入水水质的影响注入水的水质直接影响聚合物驱的效果。因为注入水中含有一些离子、氧及细菌等，这些成分对聚合物溶液的粘度极为不利。水中的离子可与聚合物的离子进行自由基取代或使聚合物产生胶凝、聚结、沉淀等；氧可使聚合物在地层中进行氧化作用，产生化学降解；细菌对聚合物特别是多糖可产生生物降解。所有这些作用都会使聚合物溶液的粘度下降。在水注入地层之前，一般必须进行必要的处理，以减小上述因素对聚合物驱油效果的影响。如在水中加入除氧剂或抗氧剂等，抑制聚合物的氧化，同时会使水中的高价阳离子还原成低价阳离子，减少聚合物的聚结、胶凝等。第四节 聚合物驱油的适用条件62.4.1 聚合物的选择对于聚合物的选择，必须从驱油效果和经济上进行考虑，同时不能伤害地层，因此，油田上应用的聚合物应满足：（1）具有水溶性：能在常用驱油剂（水）中溶解；（2）具有明显的增粘性：加入少量的聚合物就能明显地提高水的粘度；（3）具有非牛顿特性，从而改善流度比；（4）化学稳定性好：所应用的聚合物与油层水及注入水中的离子不发生化学降解。对于生物聚合物，受细菌的影响应尽可能小；（5）剪切稳定性好：在多孔介质中流动时，受到剪切作用后，溶液的粘度不能明显的降低；（6）抗吸附性：防止因聚合物在孔隙中产生吸附而堵塞地层，使渗透率下降或使溶质粘度降低；（7）在多孔介质中有良好的传输性：良好的传输性是指除了聚合物具有较强的扩散能力外，注入时不需要太大的压力以及在较大的注入量下不出现微凝胶、沉淀和其它残渣等；（8）来源广，价格低：应用的聚合物来源要广，以便在油田上能够广泛应用。能满足上述要求的聚合物很少，在应用时，根据油层条件，选择出适合岩石性质的聚合物。2.4.2 油层的要求由于聚合物驱油受油层条件和岩石组成的影响，因此，聚合物驱油时必须考虑油层条件。（1）油藏几何形状和类型：对于具有气顶的油藏，或者地层具有裂缝、孔洞的油层不能应用聚合物驱。因为注入的聚合物会充填到气顶中，或者沿着裂缝前进造成聚合物绕流，而不能在多孔介质中的孔隙中流动降低流体的流度。（2）油层岩石为砂岩，不含泥岩或含量非常少。防止聚合物的吸附量过多而影响驱油效果；岩石渗透率及其分布是聚合物驱能否成功的重要因素，渗透率决定聚合物溶液的注入能力和聚合物的滞留量，因此岩石平均渗透率最好大于10010-3m2。（3）原油性质在很大程度上决定了聚合物驱是否可行。原油粘度越高,聚合物驱对流度比改善越大。一般原油粘度在5mPas到50mPas之间比较适合聚合物驱。此外，地层的含油饱和度必须大于残余油饱和度，而且含油饱和度越高，聚合物驱效果越好。（4）油层温度：聚合物驱的油层温度不能太高，虽然许多聚合物的热稳定性可以达到120或者更高，但使用时油层温度不能太高。多数聚合物在70左右，其性质会发生变化，聚丙烯酰胺在70表现出很强的絮凝倾向高温下降解反应会加速，吸附量增大。温度对聚合物所需的其它化学添加剂，如杀菌剂、除氧剂等有影响。油层温度太低，对聚合物也有不利影响，因为在这样的温度下细菌的活动通常会加剧。（5）地层水的性质是聚合物筛选的重要依据之一。如果地层水矿化度很高，就必须选用耐盐性能好的聚合物，或者用淡水对地层进行冲洗。利用聚合物溶液驱油时，由于地层岩石、流体等的复杂性，会影响聚合物的驱油效果。因此，在油田上应用时，必须根据岩石性质选择适当的聚合物。第三章 实验设备与仪器及实验方案与效果评价第一节 实验设备及仪器（1） RUSKA PRORORTIONING PUMP简称：美国RUSKA数字驱动泵,型号：225780423 Ruska Instrument Corporation TOUSTON TEXAS U.S.A,本仪器范围0.11200ml/h，精度控制为0.1ml/h,用于岩心渗实验恒速控制。（2） 压力传感器美国Validyne Engineering CO.制造.MODLE CD12.根据不同的要求可以选择不同的量程以满足测压精度要求。 （3） 标准压力表 DM-S-4型，日本HIYACHI公司制造，用于显示压力。 （4） 真空泵 ZX-4型旋片真空泵，用于岩心抽空。其抽气速度4L/min，极限真空度0.0005毫米汞柱,沈阳市真空机械二厂制造。 （5） 真空表 丹东市大华仪表厂制造，用于测量真空度。 （6） 恒温箱 江苏省无锡市石油仪器设备厂制造的80-B2型保温箱，用于实验流程装置的恒温。（7） JB-3型手动泵 海安石油科研仪器厂制造，用于施加环压。（8） HIGH PRESSURE PUMP和MODEL314 METERING PUMP（简称美国314泵） INSRUMENTATION SPECIALTIES CO.备用。（9） ZR-74A型，ZR-3型等中间容器（4000ml，3000ml，2000ml等） 江苏省海安县沙岗阀门厂。其它还有有机玻璃容器，活塞容器，阀门，管线等。（10）电子天平 由瑞士Mettler公司生产制造，型号PM200，精度0.001g，用于各种化学试剂的定量称量。（11）磁力搅拌器 用于聚合物及二、三元体系的配制。（12）标准数字压力计 用于校验压力表。（13）平流泵北京卫星制造厂生产，用于实验恒流控制。（14）分光光度计 用于分析流出物聚合物的含量。第二节 实验方案方案一（前期） （1）水驱至含水98%以上；注入1500mg/L聚合物1.35PV；后续水驱至含水98%以上。（2）水驱至含水98%以上；注入2000mg/L聚合物1.01PV；后续水驱至含水98%以上。（3）水驱至含水98%以上；注入2500mg/L聚合物0.808PV；后续水驱至含水98%以上。方案二（前中期）（1）水驱至含水98%以上；注入1000mg/L聚合物驱至含水80%；注入1500mg/L聚合物0.68PV；后续水驱至含水98%以上。（2）水驱至含水98%以上；注入1000mg/L聚合物驱至含水80%；注入2000mg/L聚合物0.51PV；后续水驱至含水98%以上。（3）水驱至含水98%以上；注入1000mg/L聚合物驱至含水80%；注入2500mg/L聚合物0.408PV；后续水驱至含水98%以上。方案三（中期）（1）水驱至含水98%以上；注入1000mg/L聚合物驱至含水达到最低点；注入1500mg/L聚合物0.68PV；后续水驱至含水98%以上。（2）水驱至含水98%以上；注入1000mg/L聚合物驱至含水达到最低点；注入2000mg/L聚合物0.51PV；后续水驱至含水98%以上。（3）水驱至含水98%以上；注入1000mg/L聚合物驱至含水达到最低点；注入2500mg/L聚合物0.408PV；后续水驱至含水98%以上。方案四（中后期）（1）水驱至含水98%以上；注入1000mg/L聚合物驱至含水再次升到80%以上；注入1500mg/L聚合物0.68PV；后续水驱至含水98%以上。（2）水驱至含水98%以上；注入1000mg/L聚合物驱至含水再次升到80%以上；注入2000mg/L聚合物0.51PV；后续水驱至含水98%以上。（3）水驱至含水98%以上；注入1000mg/L聚合物驱至含水再次升到80%以上；注入2500mg/L聚合物0.408PV；后续水驱至含水98%以上。方案五（后期）（1）水驱至含水98%以上；注入1000mg/L聚合物0.75PV；水驱至含水98%以上；注入1500mg/L聚合物 0.967PV；后续水驱至含水98%以上。（2）水驱至含水98%以上；注入1000mg/L聚合物0.75PV；水驱至含水98%以上；注入2000mg/L聚合物 0.72PV；后续水驱至含水98%以上。（3）水驱至含水98%以上；注入1000mg/L聚合物0.75PV；水驱至含水98%以上；注入2500mg/L聚合物0.58PV；后续水驱至含水98%以上。第三节 实验结果分析与讨论高浓聚合物驱提高采收率值可达20%以上，在提高采收率幅度上与三元复合驱的结果完全相近。尤其重要的是，在驱油效果与三元复合驱相当的情况下，高浓聚合物驱经济合理性会优于三元复合驱。如果解决高浓聚合物注入压力过高问题（注入压力必须低于地层破裂压力），优选注聚方案，应用粘弹性聚合物驱，可进一步挖掘聚合物驱油技术的增油潜能，大大提高油田经济效益。针对高浓聚合物提高采收率幅度、注入方案和低压注入方法进行了系统的室内研究，并在采油一厂萨中开发区工业化注聚区选择了9口井（高、中、低渗各3口井）作为高浓聚合物低压注入试验井，取得阶段成果如下。（1）高浓聚合物提高采收率及对注入压力的影响物理模拟实验研究结果表明，见表3-1（附录1），不论均质岩心还是非均质岩心，高浓度聚合物（分子量16001900104）提高采收率可以接近或超过20%（三元复合驱的水平），总采收率达到6065%OOIP。同时从表3-1（附录1）中还可以看出在分子量相同条件下聚合物浓度越高，采收率越高。在注入浓度相同的条件下聚合物分子量越高，采收率越高。但是随着聚合物浓度的升高，注入压力也升高。随着聚合物分子量的增加，注入压力也增加。（2）注入时机对常规聚驱转注高浓聚合物提高采收率影响及经济评价根据目前大庆油田开采的实际情况和现场低压注入试验方案设计的聚合物浓度，与三元体系化学剂成本相当的基础上，在变异系数VK=0.72的两维纵向非均质岩心上开展了常规聚驱不同时期转注高浓聚合物物