（油气田开发工程专业论文）聚合物表面活性剂二元复合驱室内实验研究.pdf

a b s t r a c t l a b o r a t o r yi n v e s t i g a t i o no fp o l y m e r - s u r f a c t a n ts y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ep r o g r e s so fe x p l o r a t i o n ，d a q i n go i lf i e l dh a st u r n e di n t oh i g h - w a t e rp e r i o d a s pf l o o d i n gi s a n o t h e ri m p o r t a n te o rt e c h n o l o g ya f t e rp o l y m e rf l o o d i n g f i e l da p p l i c a t i o ni n d i c a t e st h a ta s pf l o o d i n g c a ne n h a n c eo i lr e c o v e r yo v e r2 0 ，b u tm a n yp r o b l e m sf o l l o w s a m o n go ft h e m ，t h em o s ts e v e r ee f f e c to n f o r m a t i o ni st h a ta l k a l i n ec a nl o w e rf o r m a t i o np e r m e a b i l i t yb e c a u s ei tc a nd i s p e r s ef o r m a t i o nc l a ya n d m a k et h e mm o v ea n ds w e l l a l k a l is c a l ef o r m sa f t e ri tr e a c t sw i t hf o r m a t i o nf l u i da n dr o c kw h i c hd o e s h a r mt of o r m a t i o n a tt h es a m et i m e ，a l k a l is c a l ef o r m si nt h eo i lw e l lt or e d u c et h ep r o d u c t i o n ，s h o r t e n s p e r i o do fc h e c k i n gp u m pe t c a l k a l im a k e si td i f f i c u l tt od e m u l s i f yf o rp r o d u c t i o nf l u i da n dc a l ll o w e r l a r g e l yv i s c o e l a s t i c i t yo f p o l y m e r f u t u r er e s e a r c h e sf o c u so ns u r f a c t a n t - p o l y m e rf l o o d i n gt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , i n t e r f a c i a lt e n s i o n ，v i s c o s i t y , e m u l s i f i c a t i o np e r f o r m a n c eo fp o l y m e r - a n r f a c t a n ts y s t e m t h a tm i x e sr m a 1s u r f a c t a n tw i t h p o l y m e ra r ee v a l u a t e d c h r o m a t o g r a p h i cs e p a r a t i o n e f f e c ta n d c o m p a t i b i l i t yo ft h es y s t e mi ss t u d i e d s t a t i ca n dd y n a m i ca d s o r p t i o nc a p a c i t i e so fp o l y m e r - s u f f a e t a n i s y s t e ma f ；cm e a s u r e d d i s p l a c e m e n te f f e c t i v e n e s so fb i n a r ys y s t e mi ss y s t e m a t i c a l l ys t u d i e db yp h y s i c a l s i m u l a t i o ne x p e d m e n t s e x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t et h a ti n t e r f a c i a lt e n s i o no ft h ep o l y m e r - s u r f a c t a n t s y s t e ma n dc r u d eo i lf r o md i f f e r e n tf a c t o r i e si sl o w e rt h a n1 0 。3m n ma m o n gw i d er a n g eo fs u r f a c t a n t c o n c e n t r a t i o na n dt h i s p o l y m e r - s u r f a c t a n ts y s t e mi sc o m p o s e do fr m a 1 s u r f a c t a ma n du l t r ah i g h m o l e c u l a rw e i g h t ( u h m w ) p o l y m e r t h es t a b i l i t yo f v i s c o s i t ya n di n t e f f a c i a lt e n s i o ni sb e t t e r t h ec r u d e e m u l s i o ni ss t a b l ea n di th a sg o o de m u l s i f i c a t i o ne f f e c t p h y s i c a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a t t h ep o l y m e r - s u r f a c t a ms y s t e mc a ne n h a n c eo i lr e c o v e r yo v e r2 0 k e yw o r d s ：p o l y m e r - s u f f a c t a n tf l o o d i n g ；p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n ；p h y s i c a ls i m u l a t i o n ；i n t e f f a c i a l t e n s i o n ；c h r o m a t o g r a p h i cs e p a r a t i o n ；a b s o r p a t i o n 大庆石油学院硕士研究生学位论文 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果据我所知，除文中巴经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰 写过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说 明并表示谢意 学位论文使用授权声明 本人完全了解大庆石油学院有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位 论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用 于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容 编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文 在解密后适用本规定。 学位论文作者签名：副砑认殳导师签名：2 一爱f 裘 日期：2 口叼2 2 j 日期： 上- ，7 ，2 1 弓 人庆钉油学院顺上研宄生学位论文 创新点摘要 l 、对r m a i 新型表面活性剂与聚合物复配的二元体系的界面张力性能、粘度性能、 乳化性能进行了实验评价，同时对体系的色谱分离效应以及相容性进行了实验研究，并 测定该体系的静吸附量以及动滞留量。由于对二元体系的各方面性能进了综合评价，因 此该体系的评价结果更加准确。 2 、由于驱油实验采用了贝雷岩心和天然岩心使实验更加接近现场实际情况，同时 通过开展不同类型岩心的驱替实验以及对不同体系驱油效果的对比，使实验结果更具说 服力，室内物理模拟实验结果表明该体系可以提高采收率2 0 以上。 人瓜厶油学阮碗i 雠究生掌缸论文 引言 石油是一种不可再生的资源，在国民经济中具有举足轻重的地位，随着油田的不断 开采和新探明储量的减少，如何继续开采用常规方法开采不出来的原油，提高原油采收 率，已成为世界各国普遍关注的问题【1 , 2 1 。石油的开采过程分为三个阶段：利用地层天然 能量的开采过程称为一次采油，如溶解气驱，气顶驱，这种开采方式由于受到天然能量 的限制，产量递减速度快、采油速度慢、原油采收率低，一般只能采出不足地下原油的 1 0 3 1 ：随着渗流理论的发展，达西定律应用于油田开发，人们认识到油井产量与压力 梯度成正比关系，一次采油采收率低的主要原因是油层能量的衰竭，从而提出了人工注 水( 气) ，保持油层压力的二次采油方法，使石油采收率提高到3 0 5 0 ，这是当今世 界上油田的主要开发方式，是油田开发技术上的第一次飞跃。二次采油后所不能开采的 那部分原油构成了三次采油或强化采油的目标油量，它包括所谓的“剩余油”和“残余 油”【4 1 残余油是指二次采油达到经济极限后，残留在油层内的原油。严格来说，残余油 应指由于油藏内的滞留和捕集作用，而被圈闭在油藏孔隙中的原油。这些油以滴状或膜 状等非连续相形态存在于油藏中。而剩余油是指由于油藏的非均质性，水驱没有波及到 的地方留有的呈连续相分布的原油，有时个别层带还保持有原始含油饱和度。剩余油的 形成与宏观排驱效率有关，任何排驱过程的原油采收率都依赖于侵入流体所接触的油藏 体积，而残余油与微观驱油效率有关，即驱替液波及到的地方的扫油效率。 因此驱油过程的总的驱替效率可视为波及效率和微观驱油效率的乘积。定义为： e = e e d 则对于一个指定的油田来说，采出的油量可由下式表示： n p = n o e = n o e ，e d 其中： 。- 为累积产出油量； 。油层原始地质储量； e 。驱替相在油层中的宏观波及系数，为纵向波及系数和平面波及系数的积； e 。一为微观驱油效率。 显然，对于特定的油田或油藏来说，地质储量m 是定值。那么，要想最大限度地 提高最终采油量，必须最大限度地提高油层的宏观波及系数e 。( 平面波及系数和或纵 向波及系数) 和微观驱油效率晶。因此，提高采收率可以从两个方面着手：一是提高 注入流体在油层中的波及系数，主要的办法是改善油藏的非均质性或者减小驱替相的流 度，稳定驱替前沿，一般采取调剖或者通过增加驱替流体的粘度( 加入聚合物) 来实现： 另一个方面就是提高洗油效率，主要的方法是改变岩石表面的润湿性和减少毛细管现象 的不利影响，降低残余油饱和度，一般是利用表面活性剂的界面活性来实现的1 5j 。从这 引言 两个方面着手，人们发展了各种各样的强化采油方法。 主要的三次采油方法包括：化学驱、气体混相驱、气体非混相驱，热力采油，微生 物采油等方法1 6 i 。根据我国提高采收率方法的筛选、潜力分析及发展战略研究结果，我 国注水开发油田( 其储量及产量占全国的8 0 以上) 提高采收率的方法主要为化学驱方 法，覆盖地质储量达6 0 1 0 8 t 以上，可增加可采储量1 0 x 1 0 8 t ，为各种提高采收率方法潜 力的7 6 ，是我国三次采油提高采收率研究的主攻方向【7 i 。 聚合物驱始于2 0 世纪5 0 年代f 8 1 ，提高采收率的幅度可达1 0 左右，是一项发展较 为成熟的技术。它通过把水溶性聚合物加到注入水中以增加水相粘度、改善流度比、稳 定驱替前沿、扩大注入水波及体积，因此又称为稠化水驱。由于聚合物驱通常不能降低 残余油饱和度，即不能提高驱油效率，所以聚合物驱后的残余油饱和度仍然比较高。它 能提高残余油产出的幅度只是在2 1 2 的范围内 9 1 。应用表面活性剂驱虽然可获得很 高残余油采收率，但是由于表面活性剂的价格昂贵，且吸附较大，因而其使用范围受到 很大限制 j o l 。另外，碱水驱虽然可以降低油水界面张力，产生润湿性反转、乳化、乳化 夹带以及刚性膜溶解等机理采出残余油，但是由于碱耗较大，注入的碱其浓度范围和流 度难以控制等缺点，迄今为止，矿场应用成功的实例仍很少。 鉴于单一的聚合物驱、碱水驱、表面活性剂驱各自有其优缺点，将它们联合使用， 利用化学剂之间协同效应，以达到最佳驱油效果，这就是各种形式的复合化学驱。其代 表性的复合驱为a s p 驱。8 0 年代初，碱表面活性剂聚合物( a s p ) 三元复合体系的研 究迅速兴起，它是继聚合物后又一项提高原油采收率的新技术。与聚合物相比，它在扩 大波及体积的基础上，能够进一步提高驱油效率。其特点是利用表面活性剂和碱的协同 作用，使复合体系与原油形成超低界面张力。碱可以减小活性剂及聚合物在油藏中的吸 附滞留损耗，聚合物主要起流度控制作用，增加体系粘度，扩大波及体积。三元复合体 系中表面活性剂的浓度仅为0 1 o 6 ，大大地降低了化学驱的成本。室内实验和矿 场试验表明：a s p 三元复合驱可提高石油采收率2 0 以上。 大庆油田已进入高含水后期开发阶段，水驱最终采收率为3 5 4 0 ，采用聚合物驱 油技术原油采收率可提高l o l5 ，碱表面活性剂聚合物三元复合驱是继聚合物驱后 进行剩余油挖潜的又一项重要三次采油技术。三元复合驱中表面活性剂和碱的协同效应 降低了油水的界面张力并改变岩石的润湿性，能够使油水界面张力降至1 0 。m n m 以 下，剩余油受力状况发生改变：聚合物降低了驱替剂的流度，提高了波及系数，实现原 油采收率大幅度提高。大庆油田室内研究及先导性矿场试验表明，三元复合驱可比水驱 提高2 0 以上的原油采收率。三元复合驱在提高原油采收率的同时，随之而来也出现一 些问题【l 卜h j ：特别是注入碱将引起地层粘土分散、运移、膨胀，导致地层渗透率下降， 碱与油层流体及岩石矿物反应，可形成碱垢，如碳酸盐垢、硅铝酸盐垢，对地层造成伤 害，引起油井结垢，生产井产液能力下降、检泵周期缩短等一系列问题影响油井正常生 产。另外，碱的存在大幅度降低了聚合物粘度，不利的流度比还将导致粘性指进现象， 大大降低了波及体积。同时，碱还降低聚合物弹性，弹性损失会使原油采收率损5 左 2 大庆石油学院硕上研究生学位论文 右【i ”。此外采出液中残留的碱、表面活性荆和聚合物导致油水乳化程度加大，增大了采 出液地面处理的难度。 这些不利因素严重制约着三元复合驱技术的进一步发展。因此有必要加强弱碱、低 碱、甚至无碱表面活性剂及其驱油体系的研究。聚合物表面活性剂二元复合驱油体系相 对于三元复合体系来说，配方中去掉了碱，可以最大限度发挥聚合物的粘弹性；同时兼 具较低的油水界面张力，在提高波及系数的同时，还能提高洗油效率。室内驱油实验结 果表明，二元复合驱采收率也可提高2 0 以上( 1 ”，驱油效果接近三元复合驱：同时提高 了驱油剂的环保性能，因而，聚合物表面活性剂二元复合驱油技术成为三次采油新的研 究方向，在三次采油中具有广阔的发展前途。 本文提出的聚合物表面活性剂二元复合体系是在三元的基础上去掉碱后所形成的 低浓度的聚合物表面活性剂二元复合体系。文中对聚合物表面活性剂二元复合体系界 面张力性能、粘度稳定性、乳化性能、色谱分离效应以及相容性进行了系统的实验研究， 通过实验测出了二元复合体系的静吸附量以及动滞留量：同时通过室内物理模拟实验对 二元复合体系的驱油效果进行了研究。 第1 嚣化学驱油的基本原理 1 1 碱水驱 第1 章化学驱油的基本原理 对于原油中含有较多有机酸的油层可以注入浓度为0 0 5 - - - 4 的n a o h 、n a 2 c 0 3 等 碱性水溶液，在油层内和这些有机酸生成表面活性剂的方法称为碱水驱【i ”。碱水驱是化 学驱提高采收率研究最早的方法之一，早在1 9 1 7 年美国的s q u i r e 就提出了“向注入水中 加入碱可以提高采收率的观点，十年后a t k i n s o n 在美国申请了碱水驱的第一项专利。碱 水驱的主要驱油机理是碱剂与原油中的有机酸反应，生成了具有表面活性的石油酸皂， 降低了碱水与原油的界面张力f l s l 。此外，由于碱水的特殊作用，还可使油层岩石润湿性 发生反转、使原油与地层水产生乳化以及流动过程中的乳化携带作用、聚并以及刚性膜 溶解等。显然，原油中有机酸的含量、地层水二价阳离子含量，是影响和决定碱水驱成 功与否的重要条件因素【1 9 1 。因为碱剂便宜易得，人们对碱水驱的研究较为深入。但如今 矿场实验成功的事例比较少，主要原因是碱水驱机理比较复杂，碱与岩石相互作用造成 大量碱耗产生低张力的碱浓度范围比较窄。并且酸值较大的原油，粘度一般都比较高， 流度控制比较困难；此外，对碱水驱的另一限制是地层水中二价阳离子的含量，因为二 价阳离子会形成活性剂的钙盐沉淀，使界面张力急剧上升。碱耗量的大小是碱水驱成败 的关键，它不仅会大量消耗碱，使过程难于控制并且还会在地层和井筒中结垢，使矿场 应用失败。 1 i 1 碱水驱油机理 可做碱剂的化学剂主要有：氢氧化钠，原硅酸钠、氢氧化胺、氢氧化钾、磷酸三钠、 碳酸钠、硅酸钠等，其机理为： ( 1 ) 降低界面张力 在水中加入碱后，它可电离出o h ，但o h 。本身并不是一种表面活性剂。然而，当 碱性水与原油中有机酸混合时，则会生成表面活性剂并集中在油水界面上，降低油水界 面张力。因此，碱水驱油时，原油中必须有一定的有机酸。 ( 2 ) 油层岩石的润湿性发生反转 碱水驱生成的表活剂除聚集在油水界面外，还有一部分吸附在岩石表面，改变岩石 的表面润湿性。如岩石表面的润湿性由亲油转变为亲水时，水变为润湿相，从而，水在 毛细管力作用下进入小孔道及颗粒表面而油占据孔隙中间，油和水的相对渗透率向有利 于提高采收率的方向转化。如岩石表面的润湿性由亲水转变为亲油时，油层内的不连续 非润湿相残余油变为连续的润湿相，就可为其它的被捕获的原油提供流动通道。 ( 3 ) 乳化和捕集作用 当碱水驱产生的表活剂使油水界面张力足够低时，在亲水岩石中的剩余油将被乳 化，形成水包油乳状液。在小孔道产生阻塞效应，抑制了粘性指进，提高了洗油效率， 4 人次石油学院硕上研究芏学位论空 扩大了波及系数。当乳状液滴尺寸小于或等于岩石的乎均孔隙直径时，这些乳状液滴被 携带着进入连续流动的碱水相中，残余油以非常细小的乳状液随水一起流出。 ( 4 ) 增溶油水界面处形成的刚性薄膜 碱性水溶液的注入使油水界面上的刚性薄膜破坏，并被增溶。从而使剩余油具有较 强的流动能力。 上述为碱水驱油基本机理。这些机理是在特定的p h 值、碱的浓度等条件下出现的。 1 1 _ 2 影响碱水驱油的因素 ( 1 ) 岩石组成的影响 岩石性质是影响碱水驱油效果的重要因素。一方面，碱和多孔介质矿物之问相互作 用，产生沉淀，损害地层；另一方面消耗大量的碱。 ( 2 ) 原油酸值的影响 原油酸值是影响碱水驱油效果的重要因素，对于碱水驱，比较理想的原油酸值等于 或大于o 5 m g g 。 ( 3 ) 溶液p h 值的影响 碱水溶液的p h 不同其驱油原理也不同，此外p h 值也影响碱的消耗量。 ( 4 ) 油藏温度的影响 油藏温度是影响碱水驱油效果的重要因素。温度太高。大量的碱会被耗掉，而且形 成的乳状液不稳定；温度太低，不利于碱与原油中的有机酸反应，使界面张力达不到希 望数值。 ( 5 ) 矿化度的影响 矿化度对碱水驱油有明显的影响。随着矿化度的增加，形成的乳状液由水包油型转 变油包水型，而且乳状液稳定。 1 2 表面活性剂驱 d eg r o o t 在上世纪2 0 年代首先提出了使用表面活性剂提高石油采收率的方法，在 实验室证明了浓度为2 5 1 0 0 0 m g l 的多环磺化物和木质素亚硫酸盐废液能够提高水驱 替原油的效率。在此之后，h o l b r o o k 报道了脂肪酸皂、聚二醇酯、脂肪酸盐或磺酸盐、 聚氧乙烯类化合物及有机高氟化合物都能够降低驱替液界面张力，提高采收率。2 0 世纪 6 0 年代表面活性剂驱油技术有了较大的发展1 2 啦”，随着合成表面活性剂的应用，发现离 子表面活性剂溶液在形成胶团的浓度范围内及形成乳液的浓度范围内有两个性质发生 突变的区域，表面活性剂溶液与普通的原油体系在这两个浓度范围内能够形成超低界面 张力。并有较好的驱油效果，继而发展成了低张力驱油体系和微乳液驱油体系两种不同 类型的技术【z ”。表面活性剂能够提高采收率的原因可归纳为以下几个方面： ( 1 ) 降低油水界面张力，使残余油变为可流动油 大量的试验证明，当油水界面张力降低时，油滴容易变形，油滴通过孔隙喉道时阻 5 第1 章化学驱油的基本琢理 力减小，这样在亲水岩石中处于高度分散状态的残余油就会被驱替出来形成流动油。 ( 2 ) 改变岩石表面的润湿性 在亲油岩石中，部分残余油以薄膜状态吸附在岩石表面：表面活性蒯在岩石上的吸 附可使岩石的润湿性由亲油变为亲水，从而使岩石表面的油膜脱离而被驱替出来。 ( 3 ) 增加原油在水中的分散作用 由于界面张力的降低，原油可以分散在活性水中，形成o w 型乳状液；同时，由 于表面活性剂吸附在油滴表面而使油滴带负电荷，这样油滴就不易再吸附到岩石表面。 ( 4 ) 形成胶束或微乳液 由于胶束或微乳液对油或水具有较强的增溶作用，一定程度上消除了驱替液与被驱 替原油之间的界面，达到混相驱的目的。同时由于胶束和微乳液驱替液在油层孔隙中流 动时表观粘度( 达西粘度) 值与流动速度有关，即在定条件下与流动速度成正比；在 地层中，驱替液先进入高渗透层，当流速增大，粘度也随之增大，迫使驱替液进入低渗 透层驱油，从而提高波及系数。 表面活性剂驱虽然可以大幅度的提高采收率，但是由于化学剂用量大，价格昂贵， 整体成本较高，同时，表面活性剂在地层中吸附滞留量大，且易与地层水中二价离子反 应，生成沉淀失效及流度控制等问题，限制了表面活性剂驱的应用。 1 3 聚合物驱 1 3 1 聚合物驱油概述 聚合物驱始于二十世纪五十年代末和六十年代初。美国于1 9 6 4 年进行了第一次聚 合物驱矿场试验，随后在1 9 6 4 - - 1 9 6 9 年问，实施了6 1 个聚合物驱项目。从二十世纪七 十年代到1 9 8 5 年共实施了1 8 3 个聚合物驱项目，大多取得了明显的经济效益；前苏联 的阿尔兰油田、加拿大的h o r s e f l y l a k e 油田、r a p d a n 油田、法国的c h a t e r e n a r d 油田以 及德国，阿曼等都进行了聚合物驱矿场试验，原油采收率提高了6 0 - 1 7 。 我国自1 9 7 2 年大庆油田开展小井距的聚合物驱试验以来，聚合物驱得到了迅速发 展 2 3 彩j ，特别在t 八五”、“九五”期间，在聚合物驱室内研究、数值模拟技术、注入工艺 以及动态监测技术等方面进行了大量的研究和试验，为聚合物驱进入工业化应用阶段奠 定了基础。1 9 8 7 1 9 9 3 年，大庆油田在非均质河流三角洲储层成功地进行了两次聚合物 驱先导性试验，在这两次试验成功地基础上，大庆油田修建了一座年产5 7 1 0 4 吨的聚 合物生产厂，使聚合物驱提高采收率技术进入工业化应用阶段。目前，聚合物驱在大庆、 胜利等油田己进入工业化应用阶段，大庆油田的聚合物驱己成为世界上最大的聚合物驱 项目。 现代石油工业发展的趋势是要求是最大限度的提高油藏原油储量的最终采收率。提 高原油的采收率己成为人们所瞩目和关注的中心，其原因有以下几点： 第一、目前在世界范围内普遍存在着石油采收率不高，较先进的国家( 利用水驱油) 也只能采出原始地质储量的3 0 5 0 。因此，如能有效地提高石油采收率，经济与合 6 大庆油学院硕上研究生学位论文 理地予以利用和开发，将是人类很重要的能源资源。这就促使人们为提高采收率而寻求 新的采油方法，从而在二次采油一水驱的基础上出现了所谓三次采油：聚合物驱、热力 驱、混相驱等。 第二、5 0 - 7 0 年代世界范围内投产的高产大油田己经很少，目前现有的大油田的高 产储量己大多采出，原油产量正在急剧下降，油井产水率大多处于中高含水期：而低产、 低储量的小油田己经投入大规模开发，难采石油储量比例增大，开采这些储量要求采用 更复杂，更昂贵的技术、设备和工艺过程采用更有效的提高产层采收率的新方法；再 加上钻井成本不断上升，而且钻井成本将继续增长：石油勘探成本的提高和新区勘探难 度的增大，迫使石油工作者为提高原油可采储量而不得不寻求新的提高采收率技术。从 而产生了三次采油6 i 。 油田开采的过程中，一般是先利用油层原油的能量采油称为内能消耗方式。驱动 原油由地层流向井简的能量主要是油中溶解的天然气，故称溶解气驱。 当溶解气能量消耗到不能再把原油推到井底时，这一开采期便结束了，油田一般是 在内能消耗法开采的某一阶段实行人工注水或注气，以向地层补充能量并将原油驱向井 底。通常将内能消耗法采油称为一次采油，人工注水或注气采油称为二次采油。 内能消耗法的采收率很低，人工注水的采收率比内能消耗法要高得很多。砂岩油层 经人工注水后采收率可达2 8 一8 7 。石灰岩地层一般可达6 8 0 。 人工注水固然可以提高原油的采收率，但仍然有一部分原油残留在油层当中，如何 采出这部分二次残余油或水驱残余油，是人们非常关注的问题，因而发展了三次采油技 术。 三次采油是向地层中注入地层中没有的物质的采油阶段，其特点是向油层注入水以 外的其他驱油剂来采油的，目的是进一步提高原油采收率，因此也称为提高采收率技术。 如向油层中注入热蒸汽、注入表面活性剂体系、注入聚合物溶液、注碱溶液、注浓硫酸、 注二氧化碳等均可较大幅度的提高原油的采收率1 2 ”。 其中注入聚合物溶液是目前公认的最经济最有前途的三次采油技术。 聚合物溶液驱油是把聚合物加入到注入水中，增加注入水的粘度，降低水相渗透率， 从而降低注入水流度的一种驱油方法。由于流度比的下降大大提高了体积扫油效率，降 低了波及区域的含油饱和度，即提高了水驱效率。目前，在油田生产中采用聚合物驱有 以下三种目的： ( 1 ) 对周围地层进行处理，堵塞高导流通道从而改善注水井或见水生产井的生产 动态； ( 2 ) 聚合物随同无机金属阳离子一起注入，在油层内起交联剂作用，堵塞高渗层； ( 3 ) 作为降低注入水流度或油水流度比的试剂。 1 3 2 聚合物驱油机理 ( 1 ) 改善水油的流度比 7 第l 孽化学轻油n 勺蝰奉琢理 聚合物驱油2 8 - 3 3 1 的主要机理是改善了水油的流度比( m ) 。流度比的定义如下： m ：生：丝( i - 1 ) a ow k ， 式中：丸一油的流度； 砧一水的流度； e 孔隙介质相对于油的有效渗透率； k ，孔隙介质相对于水的有效渗透率； 以一油的枯度： 脚一水的粘度。 聚合物通过增加水的粘度和减少水相的有效渗透来降低水的流度，从而降低水、油 流度比。聚合物增加了水的粘度，聚合物吸附或滞留在油层孔隙中降低了水相渗透率， 结果水的流度下降，而聚合物又不溶于油，对油粘度几乎没有影响，由于油滴在聚合物 前缘聚集，油相渗透率增加，油流度加大，结果水油流度比大幅度降低了，提高了平面 波及效率，克服了注水指进，又提高了垂向波及效率，增加了吸水厚度。 利用聚合物驱油时，必须考虑两种情况： i ) 不利流度比的水驱； 2 ) 油层的严重非均质性。 在m i 时，微观纵向波及效率很差，容易产生水的过早突破，且随着含水率的上 升，油水产出的拖尾时间也长。 此外，由于油层与流体不配伍，将产生粘性指进( 非混相) ，使水驱的面积波及效 率变差。在非均质性严重的情况下，如果水驱流度比非常不利( 含有高渗透率通道) ， 驱油效果会变得很差。 聚合物驱油通过改善流度比，并克服了不利的粘性指进，从而改善了纵向波及系数， 也提高了面积波及效率。即使m = i 的油层中，由于油层的非均质性，波及效率也可能 很差。例如，大多数油层的基本特征是由若干个小层构成，通常相邻的两个小层的渗透 率差异很大。这样就容易在高渗透层发生水窜。导致纵向波及率变差。 许多研究认为，聚合物驱只是改善的水驱，即聚合物只能增加扫油效率，而不能提 高驱替效率，若是这样，就决定了聚合物驱只能提高5 左右的采收率。但是，实际情 况并不是这样的。根据大庆油田的矿场实验分析，只要选择合适的油藏，有正确的注入 体系设计，聚合物驱提高采收率的幅度可达1 0 以上。由此断定，聚合物不仅在纵向上、 平面上扩大了波及系数，而且在油藏微观孔隙结构上也增加了水驱体积。中科院万庄分 院渗流力学研究所利用核磁共振仪，对比分析了水驱和聚驱的人造岩心，认为聚合物驱 扩大了原有的孔隙数量。根据大庆油田聚合物驱后检查井密闭取芯的资料证明，仅靠增 加波及系数达不到如此高的采收率，而正是由于增加波及系数与提高驱替效率的迭加效 果，才可能使聚合物驱的采收率达到1 0 以上。水驱后残余油在岩石中以簇状，柱状， 8 大庆石油学院硕l 研究生学位论文 孤岛状膜状，盲状五种形态滞留在孔隙介质中。 流度比降低是聚合物驱替簇状残余油的主要原因之一，由于聚合物是水溶液性高分 子，分子中含有许多亲水基团，一些亲水基团在聚合物分子外形成的“水鞘”，增加了相 对移动的内摩擦力。同时，上述基团在水中解离，产生许多带电符号相同的链节，这些 链节互相排斥，使聚合物分子线团在水中更加舒展，因而聚合物有很强的增粘能力。 聚合物驱不仅只是增加了驱替相的粘度，降低油水粘度比，而且由于聚合物分子量 相当大，在岩石上产生滞留，增加了驱替相流体在孔隙介质中的流动阻力，引起了水相 渗透率的下降，使油水流度比进一步下降。 由于聚合物驱明显降低了水油流度比，减少了水的指进，提高了微观波及系数。从 而将水驱后的簇状残余油驱替出来。 驱替相溶液剪切应力的增加，是驱替孤岛状，膜状残余油机理。 研究表明，聚合物溶液可通过拉丝的方式逐渐剥离孤岛状残余油及膜状残余油，直 到全部携带而推走。 在此驱油过程中，驱替相作用在油相上的剪切力可用下式表示： r = g a z , 肼 ( 1 2 ) 式中： f 一驱替相作用在油相上的剪切应力； 竺鲁一为两相流体间的界面速度梯度； 以一驱替相在油相表面外的粘度。 对此粘弹性聚合物溶液与水在直观中的流动速度剖面，可发现聚合物溶液的前缘速 度比水低得多。速度剖面更加“平坦”管壁边界处的速度梯度更大。 由于聚合物溶液在毛细管边界处的速度梯度远远大于水，加上聚合物溶液在残余油 表面处的粘度又比水大得多，因此，聚合物“剥离”管壁上的油膜的能力要比水大的多。 聚合物溶液的粘弹性驱替盲状残余油。 孔隙中的残余油其两端的油一水界面平行于聚合物驱替液的流线方向，此类型的残 余油受到毛细管力的作用而无法流动。 大量的残余油受到毛细管力的作用被束缚在孔喉中，对于亲水牛顿流体，只有压差 尸满足如下： a p t 兰； ( 1 - 3 ) 马r 2 孔喉中的残余油可能被驱替出来( 其中焉、是是孔道两端的直径) 。而对于具有弹 性的聚合物溶液而言，孔喉中的残余油两端均被聚合物溶液不同程度地“拽”出，至少有 5 0 的可能性r ，减少量大于足。在这两种情况下，束缚油滴的毛管力降低，油滴就很容 9 第l 章化学驱油的摹奉原理 易被聚合物驱替出来。由于孔喉中油滴见端较大，因此，有5 0 以上的可能性聚合物 溶液由r ，端“拽”出来的油比r 端多。当然，也存在凡，的减少幅度小于置端的情况，此 时束缚油滴的毛细管力增加，与聚合物驱前的状态一致，油滴无法流动，不可流动残余 油也不再增加。 毛细管束缚的此类残余油在亲油岩心中，聚合物驱替时，其残余油降低的程度与亲 水岩心实验相似。 总之，流度比降低使此类残余油的原因主要有两方面：第一是残余油滴的两端受聚 合物溶液弹性的作用，同时被“拽”出。第二，至少有5 0 的可能性，束缚油滴的毛细管 力也降低，从而增加了孔喉中油滴被驱替出来的可能性。由毛管数与残余油的关系可知， 只有粘滞力增加到一定程度后，才能克服束缚油滴的毛管力。相对低速，高界面张力的 牛顿流体不能将此类残余油“拽”出来。 ( 2 ) 聚合物在多孔介质中的滞留 聚合物溶液流经孔隙介质时，发生聚合物分子在孔隙介质中的滞留现象，它对溶液 在孔隙介质中的流变性和孔隙介质的渗透率降低起着很大的作用。 聚合物在孔隙介质中的滞留分为吸附滞留和机械捕集两种方式。 1 ) 吸附滞留 驱油用的水溶性聚合物在岩石表面上的吸附，服从l a n g m u i r 吸附等温式，吸附是 单分子吸附，吸附量随聚合物浓度的增加而增加，达到一定的浓度后吸附量不再增加， 即吸附达到饱和。 组成岩石的矿物主要是二氧化硅碳酸盐粘土等。在相同条件下，聚合物分子在这 些矿物表面上的吸附量不同，在碳酸盐和粘土表面上的吸附量要比在二氧化硅上的吸附 量要高的很多。如部分水解聚丙烯酰胺在碳酸盐表面上的吸附，主要是聚合物分子中羧 基与碳酸盐表面上的阳离子通过静电作用而产生吸附。二氧化硅几乎不吸附部分水解聚 丙烯酰胺，但是在溶液中加入氯化钠后，钠离子在二氧化硅表面上吸附，聚合物分子中 的羧基可与钠离子发生静电吸附。 除静电吸附外，也存在氢键吸附。尤其是砂岩表面在长期冲刷下发生羟基化作用， 因此可与聚合物分子中的酰胺基羟基或羧基发生氢键吸附。 2 ) 机械捕集 曾有人用不吸附的聚丙烯酰胺和聚四氟乙烯粉末做成非胶结的人造岩心，当聚合物 溶液流过此岩心时，渗透率和孔隙度都下降了，这说明一部分聚合物分子滞留在岩心孔 隙当中。 用含有残余油的砂岩岩心进行驱替试验，发现聚合物溶液通过岩心的滞留量与距岩 心入口的距离有关，离岩心入口近处滞留量大，随着距离增大滞留量降低。这是因为一 些较大的分子首先在岩心入口的附近滞留在小孔隙入口处，而一些较小的分子和从大孔 隙通过的分子却未受到岩心的捕集。他们继续向前流动，不时会遇见直径更小的孔隙而 滞留下来。这种连续不断的对大分子的过虑作用逐渐把大分子滞留下来。 1 0 夫庆 i 油学院硕上研究生学位论文 聚合物溶液通过孔隙介质时产生的非吸附性滞留称为机械捕集。 3 ) 物理堵塞 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、聚合物与地层及其中流体发生化学反应而生成沉淀，如地层中的二价阳离子使部分 水解聚丙烯酰胺絮凝或沉淀等。这种堵塞一般是不可逆的。 聚合物溶液通过多孔介质时，聚合物的滞留导致孔隙结构变形、孔隙直径变小，从 而使多孔介质的渗透率下降。聚合物降低渗透率的特性可用阻力系数、残余阻力系数和 筛网系数来表示。 由于聚合物分子在孔隙介质中的滞留，增加了流体在孔隙介质中流动的阻力，所以 使渗透率下降。 1 3 3 聚合物驱油的影响因素 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。下面 介绍影响聚合物驱油过程中聚合物水溶液粘度的因素。 ( 1 ) 受聚合物的结构及浓度影响； ( 2 ) 受油藏岩石类型的影响； ( 3 ) 受地层水矿化度的影响； ( 4 ) 受注入速度的影响； ( 5 ) 受注入水水质的影响。 1 3 4 大庆油田开展聚合物驱的情况 大庆油田进行聚合物驱的有利条件： ( 1 ) 大庆油田油层非均质变异系数在0 6 加8 之间 研究结果表明，正韵律、多段多韵律和复合韵律类型油层均适合聚合物驱，但油层 渗透率变异系数v k 对聚合物驱效果影响极大。对正韵律类型油层在v k 值小于o 7 2 以前， 随着v k 值增加聚合物驱效果越好。在v 值大于o 7 2 以后，随着v k 值增加聚合物驱效 果急剧下降。大庆油田适合聚合物驱的2 7 8 x 1 0 8t 地质储量的油层，渗透率变异系数在 o 6 3 5 - - 0 7 1 8 之间，恰好处于聚合物驱提高采收率最大的范围内。 ( 2 ) 大庆油田的地层水矿化度适中 大庆油田配制聚合物水的矿化度只有4 0 0 8 0 0m g l ，而且钙、镁离子浓度仅十几个 毫克每升，用相对分子质量为1 0 0 0 1 0 4 1 7 0 0 x 1 0 4 的聚合物，在1 0 0 0m g l 浓度下，聚 合物溶液的粘度可达3 5 - - - 4 5 m p a s 。大庆油田原始地层水矿化度在7 0 0 0m g l 左右，目前 采出水矿化度2 5 0 0 3 0 0 0m g l 有利于聚合物溶液在油层中保留较高的粘度，大幅度降 低油水流度比，提高聚合物驱油效果。 ( 3 ) 大庆油田的油层温度适合聚合物驱 研究结果表明，在油层温度大于6 5 c 时，聚合物就会发生严重的热氧降解。大庆油 第1 章化学驱油的基奉原理 田油层温度在4 5 左右，不会发生热氧降解。因而在聚合物配注过程中，不需要除氧工 艺，从而可以大大提高聚合物驱的经济效益。 2 0 世纪6 0 年代仞，大庆油田在萨中和萨北地区开辟了三次采油试验区。由于大庆 原油属于石蜡基低酸值原油，开展表面活性剂驱难度很大，因此，2 0 世纪8 0 年代初， 大庆油田开展了聚合物驱三次采油科技攻关。2 0 世纪9 0 年代大庆油田又开展了三元体 系的复合驱油技术研究。通过“七五”、“八五”及“九五”以来的国家重点项目科技攻关， 大庆油田的聚合物驱油技术和三元复合驱技术均取得了突破性进展，尤其是聚合物驱油 技术己大规模进入工业化应用。2 0 0 0 年大庆油田聚合物驱原油产量达9 0 0 万吨以上，为 大庆油田“高水平，商效益，可持续发展”作出了突出贡献。 为了进步提高水驱后的油田采收率，降低原油生产成本，提高经济效益，大庆油 田“七五”以来，主要围绕聚合物驱技术、三元复合驱技术、泡沫复合驱技术等几个方面 开展了攻关研究。通过研究，使得大庆油田聚合物驱工程更加系统化，聚合物驱注采工 艺技术、采出液处理水平得到进一步提高，地面设备实现了国产化和系列化，聚合物驱 应用范围不断扩大、效果更加显著。 聚合物驱油技术步入工业化生产，开创了三次采油新局面。从1 9 9 6 年起，聚合物 驱油技术陆续步入工业化生产，到2 0 0 0 年底大庆油田己投入聚合物驱区块共1 4 个。动 用面积1 4 3 4 4 k m 2 ，地质储量2 5 6 9 0 x i 0 4 t ，总井数2 3 6 8 口。2 0 0 0 年聚合物驱产油量己 达9 0 0 1 0 4 t 以上，占大庆油田当年产油量的1 7 ，开创了中国聚合物驱三次采油的崭新 局面，成为2 l 世纪大庆油田乃至中国石油可持续发展的重要技术支柱【3 ”。 1 4 碱表面活性剂聚合物三元复合驱 碱驱提高采收率是许多人研究的课题，并进行过许多先导性实验【3 5 j ，但是绝大多数 却不太理想。后来有人在此基础上提出了加入聚合物 3 6 1 和表面活性剂方法1 3 7 1 ，从而发展 为现在的碱表面活性剂聚合物三元复合驱( a l k a l i n e - s u r f a c t a n t - p o l y m e r 即a s p ) 。三元 复合驱综合发挥了碱、表面活性剂、聚合物等化学剂的作用，并产生了较好的协同效应， 充分提高了各种化学剂效率，并大幅度降低了化学剂尤其是表面活性剂的用量p “”。 该方法中表面活性剂的使用浓度只有o 1 - - o 3 ( 有效浓度) ，其实质是用廉价的 城部分替代价格昂贵的表面活性剂，以降低化学驱中所需表面活性剂的用量舯，4 l l 。此外， 碱剂的加入又降低了表面活性剂和聚合物的吸附滞留损失，特别是价格昂贵的表面活性 剂，降低幅度可以达到5 0 以上；同时，碱剂与原油中的有机酸反应生成石油酸皂，石 油酸皂与外加表面活性剂产生较好的协同效应：同时拓宽形成超低界面张力的表面活性 剂浓度范围和矿化度范围。另外由于注入水中加入了高分子量的聚合物，起到了很好的 控制流度的作用，因此与聚合物驱相比，三元复合驱在扩大波及体积的基础上，能够进 一步提高驱油效率。 目前，三元复合驱技术国外仍处在室内研究和先导性试验阶段 4 2 挪j ，美国先后在 w e s tk i e h l 油田和c a m b r i d g e 油田进行了小型先导性矿场试验，并取得了一定的效果。 1 2 人庆石油学院硕f ，研究生学位论文 大庆油田通过国家“七五”、“八五”，“九五”重点科技攻关，三元复合驱技术取得了突破 性进展，在不同井网、井距、不同性质的油层进行了五个先导性矿场试验 4 4 - 4 9 1 ，结果表 明：三元复合驱可比水驱提高采收率2 3 o o i p 左右f 5 0 j ，取得了较好的增油降水效果。 此外，我国的胜利油田、克拉玛依油田、南阳油田也进行过三元复合驱的室内研究和先 导性矿场试验，都取得了较好的效果。从试验的规模、数量以及整体研究水平来看，该 项技术国内处于世界领先地位。 1 4 i 三元复合驱提高采收率机理 三元复合驱就是利用碱表面活性剂聚合物的复配作用进行驱油是通过同时注入 界面张力降低剂和流度控制剂来提高采收率，因此，它同时增加采收率方程中两个系数 以达到最大采收率。采收率方程如下【5 i j ： ：e o e v s o , v p ( 1 - 4 ) 吃 式中：。一采出原油的总体积： 以一洗油效率系数； b 一体积波及系数； s 。一原始含油饱和度； 以孔隙体积； 只一地层体积系数。 碱与表面活性剂联合作用改变了相渗特性而使e 。增大，碱与表面活性剂联合作用 改变了相渗特性有以下三种基本机理：降低界面张力；增溶油作用和改变