提高原油采收率原理(第三章聚合物驱)

1、第三章 聚合物驱,Polymer Flooding,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,4,2,采 油 井,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。,式中：fo采出液中油分流量； Krw

2、水相相对渗透率； Kro油相相对渗透率； w水相粘度； o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：,式中： q1、q2分别是层段1及层段2中阶段瞬时吸水量； 1、2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

3、是层段2中阶段瞬时水、油相对渗透率； w 、o 分别是水、油粘度常数。,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 (Partially hydrolyzed polyacrylamide, 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501043000 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。,CH2CH C=0

4、NH2,x,Structure of Polyacrylamide,CH2CH C=0 NH2,x-y,CH2CH C=0 ONa,y,Structure of Hydrolyzed Polyacrylamide,耐盐，但易于生物降解，价格高，约万元吨，应用较少。 （3）新型缔合聚合物（New associative polymers, 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(Xanthan Gum, 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

5、）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 resembles a flexible coil）。 hy? 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

6、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,式中 sp增比粘度，sp=（s-）/； N粒子的个数；Vm单个粒子的体积； Vs溶液的体积； s溶液粘度； 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：,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

7、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表示，即：,表观粘度是随剪切速率而变的粘度函数。,式中：s溶剂粘度。mPas； r相对粘度，无量纲； R对比粘度，L/mg； 在非常低的浓度下测定的聚合 物溶液粘度，mPas；聚合物特性粘数L/mg。,2）特性粘数 ：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Hu

8、ggins方程。,式中：KHuggins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：,式中 K=0.050.005。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sp/C或lnr/C与浓度C之间的关系将sp/CC或lnr/CC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

9、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 (Rheological Properties),1.流变性基本知识,（1）牛顿流体 ：剪切应力,shear stress ：流体粘度,solution viscosity ：剪切速率（速度梯度）, shear rate, 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 (

10、n0) K：稠度系数， n：流动特征指数,（4）胀流性流体(Shear Thickening Fluid),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,t1 t2 t,t1 t2 t,t1 t2 t,弹性体,粘弹体,施加外力,lg,Lower Newtonian,Upper Newtonian,Shear Thinning,lg,(1)剪切速率低，溶液

11、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 地面设备中流速变化处（闸门、喷嘴、静混器、泵、管线等）； 机械搅拌过程中； 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

12、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：,式中 Q-流速；A-截面积；-孔隙度； -岩石颗粒平均半径。,(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 o-聚合物溶液降解前初始浓度，mPas； -聚合物溶液降解后浓度，mPas。,式中 SFo-聚合物降解前筛网系数（Screen Factor）； 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 采用低速搅拌器，低剪切注塞式注液泵，避免使用针形阀； 对于套管射孔完井，增大射孔密度和孔径； 对于渗透率较低的油藏，注聚合物前对井筒附近采用

13、小型酸化 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

14、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

15、能 力的度量参数。,1.过滤因子（Filter Factor）,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（Screen Factor）,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一个简单实用的

16、指标。,第四节 合物溶液在孔隙介质中的流变性,一.聚合物在多孔介质中的滞留,聚合物在孔隙介质中滞留是指聚合物分子从水相中逃逸出来并粘附在多孔介质表面，或阻塞在孔喉处，使溶液中聚合物浓度降低现象。聚合物滞留造成注入水中聚合物浓度降低，粘度下降，是其不利的方面；滞留可使岩石水相渗透率降低，是其有利的方面。但从总体效果而言，聚合物的滞留作用会使驱油效果变差。,吸附 (Adsorption) 将岩石颗粒置于聚合物溶液中，直到达到吸附平衡。,聚合物溶液在孔隙介质中的滞留包括：吸附滞留、机械滞留等。,W=（C0 - C）V / G W：吸附量，mg/g岩石， C0：聚合物溶液原始浓度，mg/L C：吸附后

17、聚合物溶液浓度，mg/L V：聚合物溶液体积，L G：岩石颗粒重量，g,溶液浓度C(mg/L),吸附规律：满足Langmuir吸附等温式。,吸附量 W（g/g岩石),吸附量一般几十几百微克。,水解度，%,吸附量与水解度的关系,吸附量 W（g/g岩石),0 20 40 60,500 200 100 50 20 10,影响静态吸附的因素,（1）CaCO3吸附量大，因CaCO3表面上的Ca2+离子与聚合物羧基上的负电发生静电作用。 （2）SiO2不吸附，地层水存在Ca2+离子时，吸附量增加。 （3）岩石长期在水中，使表面羟基化，产生 -OH，与PAM分子通过氢键吸附。,聚合物大分子通过孔隙介质时产生

18、的一种过滤作用。 机械滞留主要发生在入口端，可用实验证明。 实验：用不吸附的聚四氟乙烯粉做岩芯，流动时CC0，可得到机械滞留量。 机械滞留现象在岩石中有三种情况： （1）注入浓度大于产出浓度，直到滞留达到平衡为止； （2）沿注入方向捕集的聚合物分子数目急剧下降； （3）滞留现象可以传递。,2.机械滞留(mechanical entrapment),3.水动力学滞留 由于流动方向或流速改变而引起的滞留。,二.不可入孔隙体积（IPV）,用于判断哪些孔隙中聚合物大分子可以到达。 不可入孔隙：岩石中所有直径小于聚合物分子流体力学等价球直径的孔隙。 IPV：聚合物分子不可入孔隙的体积占岩石孔隙体积(PV

19、)的百分比。,先通盐水：,再通聚合物溶液：,由于注入速度恒定，几何形状不变，故对盐水的有效孔隙度大于对聚合物溶液的有效孔隙度，说明存在着HPAM溶液不可进入的孔隙。,试验证实，,如果聚合物在岩心中仅存在不可入孔隙的体积效应，那么在相同的注入环境中聚合物分子通过岩石的流速要比水的流速快。假设体积流量为Q，岩心截面积为A，岩心孔隙度为，聚合物不可入孔隙度为in，水和聚合物分子的流速分别为 ：,所以VwVp。如果同时存在吸附、滞留和不可入孔隙体积那么是否VwVp？这取决于附、滞留和不可入孔隙体积各自的影响大小，如果吸附、滞留而损失的聚合物分子数大于因IPV效应提前产出的聚合物分子数，则聚合物的流速小

20、于水的流速，反之则是。如果二者影响相同，则流速相同。,IPV范围 1- 30%，取决于聚合物和孔隙介质。不可入孔隙对聚合物分子不可入，但小分子（如水）是可入的。IPV的存在使得驱油过程中聚合物分子推进速度比水分子速度快，因而在出口端提前突破。,地层中的不可入孔隙为原生水所饱和时： 减少了HPAM的滞留，缩短HPAM的排驱时间，减少原生水对HPAM的稀释和离子作用。对聚合物驱提高驱油效果是有利的。 若地层中的不可入孔隙为原油所饱和时： 则会影响驱油的效果，是不利的。,三、 阻力系数与残余阻力系数,水的流度对聚合物溶液流度的比值。反映了聚合物降低驱动介质流度的能力。其值大于1。,1.阻力系数： 描

21、述聚合物溶液流度控制和降低渗透率能力的重要指标，是水的流度对聚合物溶液流度的比值，即,阻力系数反映了聚合物降低驱动介质流度的能力，它的数值总大于1。,2.残余阻力系数： 是指聚合物溶液通过岩心前后的盐水渗透率比值，即,残余阻力系数反映了聚合物降低孔隙介质渗透率的能力，它的数值总大于1。,由于Kp=Kwa，Kw=Kwb。所以：,阻力系数-与增粘作用和降低渗透率有关； 残余阻力系数-只与减低渗透率有关。,阻力系数总大于残余阻力系数，这是由于阻力系数既与聚合物的增粘作用有关，也与聚合物通过滞留而使孔隙介质降低渗透率有关，而残余阻力系数则只与聚合物通过滞留而使孔隙介质降低渗透率有关。,3.阻力系数残余

22、阻力系数的影响因素,（1）相对分子质量 相对分子质量越大RF和RK越大。 （2）聚合物浓度增加RK逐渐增大并趋于稳定，RF随 之增加。 （3）渗透率 （4）矿化度 （5）注入速度 （6）其它因素,考虑以下条件： 油藏温度、深度、类型 地层水矿化度 非均质变异系数 油水流度比 可动油饱和度 其它限制条件（是否进入气顶；是否存在渗透率极高的贼层、水道或裂缝),第五节 聚合物驱的室内评价与设计,一、油藏筛选,聚合物驱的室内实验的主要目的一是筛选适合于油藏的聚合物，二是进行聚合物驱的敏感性分析，三是为聚合物数模提供必要的输入参数。 聚合物驱的室内实验主要内容包括：聚合物配伍性（筛选实验）实验、岩心实验

23、和驱油实验三项内容。,二、室内评价,1 聚合物的配伍性（筛选）实验 聚合物的商用指标 相对分子质量、水解度、残余单体含量、不溶物含量、溶解速度、粘度等。 聚合物的增粘性 粘度-浓度关系曲线 机械稳定性实验 化学稳定性实验（老化实验） 通过测定聚合物溶液长期在油藏条件下粘度保留值，确保筛选聚合物在驱替时间内能够保留其粘度。 聚合物溶液的过滤性 目的在于检测聚合物的质量和聚合物的注入性能。,测定聚合物驱数值模拟直接需要的参数。 内容包括： （1）吸附（滞留）量； （2）不可入孔隙体积； （3）阻力系数与残余阻力系数； （4）多孔介质中的流变性； （5）聚合物扩散系数与粘性指进系数。,2 岩心流动试

24、验,3 驱油实验,目的在于分析影响驱油效果的敏感性分析，如聚合物分子量、段塞尺寸、浓度、不同段塞组合下驱油效果，以及聚合物驱油时机选择等其他条件的限制。 需要指出的是驱油实验结果并不能代表油藏的实际效果，通常要把驱油实验结果与数值模拟结合起来，才能获得比较符合实际的结论。,1 聚合物驱设计内容和程序 聚合物驱的设计涉及到油藏地质、采油工程以及地面建设诸多方面，需要全面、系统、综合地考虑各方面的因素，因此，在聚合物驱设计的主要任务是油藏工程师的工作范围，主要手段是油藏数值模拟。油藏数值模拟在聚合物驱设计中起着决定性的作用。因为一个油藏的聚合物驱实验只能进行一次，而数值模拟可以对油藏进行多次聚合物

25、驱。通过数值模拟可以了解不同聚合物驱方案下的驱油效果，通过比较不同方案的结果，可以优选出最佳的聚合物驱方案，为降低聚合物驱风险，提高聚合物驱的效果奠定基础。,三、聚合物驱的设计,油藏地质模型建立,聚合物驱方案编制,聚合物驱经济评价,聚合物驱参数确定,聚合物驱方案优化,聚合物驱现场实施,地质资料、开发动态、示踪剂数据及数值模拟技术,流变性、阻力系数、残余阻力系数、IPV、吸附量,注入参数和注入方式的优化与选择,注入参数和注入方式、地面采油和集输工程,聚合物驱动态和经济分析,聚合物驱设计流程图,聚合物驱数值模拟,注入参数及方式的确定,聚合物驱效果预测,聚合物驱经济评价,聚合物分子量 聚合物用量 聚

26、合物浓度 注入速度 分层注入方式 段塞注入方式 段塞组合方式,最终采收率 累计增油量 含水下降幅度 节约注水量 吨聚合物增油量 产量随时间的变化,总投资值 年生产费用 年生产成本 净现值 累计折现流通量 投资风险费用,2 油藏描述的方法 3 聚合物注入参数及方式的确定 在编制聚合物驱方案时应结合室内实验、矿场试验和数值模拟研究结果，充分论证所选注入参数和注采方式。 聚合物相对分子质量选择 聚合物用量选择 聚合物溶液浓度选择 注入速度选择 注采井网和段塞组合 分层注入方式 聚合物段塞注入方式,4 聚合物驱开发效果预测 聚合物驱开发效果预测主要包括聚合物驱最终采收率，与水驱相比提高采收率的值，累积

27、增产油量，综合含水下降最大幅度，节约注水量，每注入聚合物的增产油量，累积注入量，综合含水和累积产油量的变化等。通过聚合物驱开发效果预测指标，可以看出所确定的聚合物驱油效果的技术效果如何。,1 配制母液：聚合物一般先用低矿化度的清水配制成高浓度的水溶液，既聚合物母液，为保证聚合物溶液注入地层后达到良好的驱油效果，一般要求地面配制的聚合物母液浓度在5000mg/L左右，聚合物注入浓度在8002000mg/L之间，粘度一般大于25 mPa.s。,四、聚合物现场实施,2 熟化：聚合物的配制过程中，熟化是很重要的。所谓熟化就是聚合物在水中的水解，并充分溶解，以获得所要求的粘度的化学变化和物理变化的综合过程。聚合物干粉经分散装置润湿后，仍需悬浮在水中一定时间，经过溶胀阶段，一般6-8小时，现场实际2小时左右，才能充