粘弹性聚合物驱提高驱油效率机理的实验研究

论文摘要

关于多孔介质中聚合物驱的驱油机理,得到广泛认可的理论是对于一定的液体-岩石系统,驱油效率由驱替液的粘滞压力梯度和残余油上滞留力的比值决定,前者与驱替液的粘度和流速成正比,后者主要取决于界面张力,二者的比值定义为毛管数。根据该理论,聚合物溶液与原油间的界面张力与水驱相近,宏观压力梯度相同,两种驱替液的毛管数相近,因此聚合物驱的驱油效率与水驱相同,这与聚合物驱的室内和现场实验数据不符。此时,无法用宏观力解释聚合物溶液粘弹性对驱油效率的影响,聚合物驱时驱油效率的提高只能是不增加宏观压力梯度的微观力引起的。本文通过对不同种类聚合物溶液粘弹性的测试,系统的对比了不同聚合物溶液的粘弹特性,找出了适合本实验的定量表征聚合物溶液粘度和弹性的方法;从残余油的微观受力分析出发,提出了驱替液的弹性性质会改变孔隙中的微观流线,从而增加作用于残余油团突出部位的微观作用力,使突出部位移动这一微观驱油机理;通过宏观岩心驱替实验验证了微观力对不同类型残余油的作用,及粘弹性和毛管数对驱油效率的影响。本研究中采用的聚合物包括聚丙烯酰胺类聚合物、梳形聚合物和缔合聚合物三种。通过动态力学实验和稳态剪切实验分别测试了三种聚合物溶液的粘弹特性,分析了聚合物相对分子质量、质量浓度等对溶液粘弹性的影响。通过测试结果的对比分析,揭示了三种不同分子结构的聚合物溶液的粘弹性特点。结果显示,聚丙烯酰胺类聚合物溶液的粘度和弹性随分子量和聚合物质量浓度的增加而增加,在动态力学试验和稳态剪切实验中都观察到了相同的结果,粘度对质量浓度更为敏感而弹性对分子量更为敏感;与同分子量的聚丙烯酰胺类聚合物相比,梳形聚合物溶液在质量浓度相同时具有更高的粘度,但弹性较低,当聚合物种类不同时,动态力学实验的结果在粘弹性的对比中往往不如稳态剪切实验的结果准确,利用稳态剪切实验中第一法向应力差随剪切速率变化直线的斜率可以定量表征不同聚合物体系的弹性大小;缔合聚合物在低浓度时体现出的粘弹性质与普通聚丙烯酰胺相同,浓度达到一定程度后溶液的粘度急剧上升,该浓度为缔合聚合物溶液的临界缔合浓度,实验结果显示,高于临界缔合浓度后的缔合聚合物溶液具有比高分子量聚丙烯酰胺溶液更高的粘度,缔合作用对弹性贡献不大,弹性仍然取决于聚合物的分子量。分析了不同孔隙介质条件下微观残余油的状态及分步,对稳定状态下残余油团的应力分步进行了分析,研究发现,残余油团在综合驱动力的作用下必然会在沿流动方向的后段形成一个突起部位以提供足够的毛管力平衡前方的驱动力,使残余油团平衡。因此驱替液的流线在突起部位变化最大,微观流速的改变会产生微观的惯性力,对残余油团的突出部位产生推动力。粘弹性流体由于具有法向应力效应,流线改变的幅度大于牛顿流体;另外,粘弹性流体在毛细管中的速度剖面更均匀,靠近残余油团处的流速更大,所以粘弹性流体可以产生更大的微观驱动力,并且弹性越高,微观力越大。微观力是粘弹性流体提高驱油效率的主要原因。在亲油和亲水人造均质岩心上研究了不同聚合物溶液驱时粘弹性及毛管数对驱油效率和残余油饱和度的影响。利用驱替过程中岩心两端的压力梯度计算毛管数值,有效的避免了驱替液粘度和渗透率等因素的影响。对于聚丙烯酰胺类聚合物、梳形聚合物和缔合聚合物等不同类型的聚合物驱,增加体系的毛管数和增加溶液的弹性都可以有效的提高驱油效率、降低残余油饱和度。对具有不同粘弹性特点的聚合物溶液的驱油效果进行对比,发现驱油效率与聚合物溶液弹性的对应关系具有很好的规律性,证明了弹性对驱油效率的作用。梳形聚合物和缔合型聚合物由于弹性低于同分子量的聚丙烯酰胺溶液,所以驱油效率较低,粘度对驱油效率没有影响。合理的提高驱替液的弹性,可以获得与超低界面张力同样的驱油效果。高浓度聚合物驱的现场试验结果显示,提高驱油效率的幅度达到20%OOIP以上,为普通聚合物驱的二倍,且聚合物溶液前缘更加平缓,波及效率更高。综上所述,聚合物溶液的弹性性质,在不增加驱替压力梯度的情况下,可以提高多孔介质中的驱油效率。粘弹性驱替液提高驱油效率的主要机理是:驱替液的弹性性质会改变孔隙中的微观流线,从而增加作用于残余油团突出部位的微观作用力,使突出部位移动。这一机理可以比较好地解释聚合物驱在微观实验和宏观试验中所见到的现象,有助于化学驱化学剂的设计、合成与筛选,有助于化学驱驱油方案的设计和优选、化学驱数模的发展和微观渗流力学的发展。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本文研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究概况和发展趋势
• 1.2.1 聚合物溶液的流变特性
• 1.2.2 疏水缔合型聚合物
• 1.2.3 梳形聚合物
• 1.2.4 聚合物驱油技术
• 1.2.5 聚合物驱油机理
• 1.3 本文的主要研究工作
• 第二章 聚合物溶液的流变性和粘弹性
• 2.1 聚合物溶液粘弹性理论基础
• 2.2 聚合物溶液的粘性
• 2.2.1 粘度的概念
• 2.2.2 非牛顿液体的剪切依赖粘度
• 2.3 聚合物溶液的粘弹性
• 2.3.1 线性粘弹性
• 2.3.2 法向应力
• 2.4 聚合物溶液粘弹性的数学描述
• 2.4.1 数学模型的发展
• 2.4.2 本构方程
• 2.5 表征聚合物溶液弹性的参数
• 2.5.1 松弛时间
• 2.5.2 德博拉（Deborah）数
• 2.5.3 威森博格（Weissenberg）数
• 2.5.4 储能模量
• 2.5.5 第一法向应力差
• 2.6 本章小结
• 第三章 不同聚合物体系粘弹性实验研究
• 3.1 高分子浓溶液体系的粘弹性特点
• 3.1.1 从稀溶液到浓溶液
• 3.1.2 浓溶液的流变性质
• 3.2 实验条件
• 3.2.1 实验材料
• 3.2.2 实验仪器
• 3.3 部分水解聚丙烯酰胺溶液的粘弹特性
• 3.3.1 分子量为1800 万HPAM 的粘弹性
• 3.3.2 分子量为2300 万HPAM 的粘弹性
• 3.3.3 分子量为3500 万HPAM 的粘弹性
• 3.3.4 分子量对聚丙烯酰胺溶液粘弹性的影响
• 3.4 梳形聚合物溶液的粘弹特性
• 3.4.1 梳形聚合物的粘弹性
• 3.4.2 梳形聚合物的粘弹性与普通聚合物的比较
• 3.5 缔合型聚合物溶液的粘弹特性
• 3.5.1 动态力学实验结果
• 3.5.2 稳态剪切实验结果
• 3.5.3 缔合作用的主要影响因素
• 3.6 表面活性剂对聚合物溶液粘弹性的影响
• 3.7 本章小结
• 第四章 聚合物驱微观驱油机理
• 4.1 微观力的提出
• 4.2 粘弹性流体的流线特点
• 4.2.1 应力分布对流线的影响
• 4.2.2 流速剖面及流线对微观力的影响
• 4.3 微观力的特点及其与宏观力的异同
• 4.3.1 微观力的特点
• 4.3.2 微观力与宏观力的异同
• 4.4 稳定状态残余油团的形状
• 4.5 可视岩心实验结果
• 4.6 本章小结
• 第五章 聚丙烯酰胺类聚合物驱实验结果
• 5.1 实验条件
• 5.1.1 实验材料及设备
• 5.1.2 实验步骤
• 5.2 毛管数的计算
• 5.3 分子量1800 万聚丙烯酰胺溶液驱实验结果
• 5.4 分子量2300 万聚丙烯酰胺溶液驱实验结果
• 5.4.1 亲水孔隙介质中粘弹性及毛管数对驱油效率的影响
• 5.4.2 亲油孔隙介质中粘弹性及毛管数对驱油效率的影响
• 5.5 分子量3500 万聚丙烯酰胺溶液驱实验结果
• 5.6 本章小结
• 第六章 梳形聚合物驱实验结果
• 6.1 弱亲油岩心中梳形聚合物驱实验结果
• 6.2 与聚丙烯酰胺类聚合物驱效果的比较
• 6.3 本章小结
• 第七章 缔合型聚合物驱实验结果
• 7.1 弱亲油岩心中缔合型聚合物驱实验结果
• 7.2 与聚丙烯酰胺类聚合物驱油效果的比较
• 7.3 甘油验证实验
• 7.4 不同聚合物溶液弹性对驱油效率的影响
• 7.5 本章小结
• 第八章 高浓度聚合物驱现场试验
• 结论
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢
• 详细摘要