提高原油采收率原理(第三章聚合物驱)

表观粘度是随剪切速率而变的粘度函数。
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：
ln / s ln r lim lim C 0 C C 0 C
s lim lim C 0 C s
o 100% 1 100% o o
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。
SF SFo SF 100% SFo
式中 SFo-聚合物降解前筛网系数（Screen Factor）；
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
(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：
2Q e AD p
式中 Q-流速；A-截面积；Φ -孔隙度； Dp-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
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
NVm p w k w Vs
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。
பைடு நூலகம்
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：

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
（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。
黄原胶的化学结构式 由黄 单胞 菌属 细菌 将碳 水化 合物 发酵 制得。 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
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。
根据水驱油的相对渗透率曲线及油水粘度可计算
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
10.43 14.33 3.25 3.29
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。
C 0
R
R
s C s
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。
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。

施加外力
t1

t2
t
弹性体

t1
t2
t
粘弹体
t1 t2 t
2.聚合物溶液具有的流变性
lgμ Lower Newtonian Shear Thinning
Upper Newtonian
lgγ (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。


（4）胀流性流体(Shear Thickening Fluid) ＝ K n (n>1)
= / =K n-1 (n-1>0) K：稠度系数， n：流动特征指数


（5）粘弹性流体
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。
第二节 聚合物驱提高采收率机理
图4-2 水驱与聚合物驱的相对渗透率曲线
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
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。
降低了水油的流度比－提高了波 及系数－提高了采收率
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。
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）。
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。
图3-4 渗透率基差对纵向波及效率的影响 K2>k3>k1
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
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：
K1K rw1 / w K1K ro1 / o q1 1 K1 o / w K rw1 K ro1 q2 2 K 2 K rw 2 / w K 2 K ro 2 / o K 2 2o / w K rw 2 K ro 2
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。
sp
C K C
2
sp
s s
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： ln r 2 K C C 式中 K``=0.05±0.005。根据Huggins方程在给定的盐水中，通
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）塑性流体
－ y＝
y ：屈服应力，剪切应力大于该应力时，流体 才能流动。

y
（3）假塑性流体 ＝ K n (n<1) (n-1<0) = / =K n-1
K：稠度系数(power-law constant) n：流动特征指数(power-law exponent)
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。
爱因斯坦粘度定律 式中 μ
NVm sp k Vs
sp—增比粘度，μ sp=（μ s-μ
）/μ ；
N—粒子的个数；Vm—单个粒子的体积； Vs—溶液的体积； μ s—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：
K ro / o 1 fo K rw / w K ro / o 1 o K rw w K ro
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。
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