聚合物溶液黏度與黏彈性損失對(duì)驅(qū)油效率的影響

馬云飛，侯吉瑞，尚丹森，趙鳳蘭，吳凡

中國(guó)石油大學(xué)(北京)提高采收率研究院, 北京 102249

聚合物溶液黏度與黏彈性損失對(duì)驅(qū)油效率的影響

馬云飛，侯吉瑞*，尚丹森，趙鳳蘭，吳凡

中國(guó)石油大學(xué)(北京)提高采收率研究院, 北京 102249

為了研究聚合物溶液在多孔介質(zhì)間長(zhǎng)距離運(yùn)移過程中黏度與黏彈性的變化規(guī)律，并確定其損失對(duì)驅(qū)油效率的影響，本文通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)聚合物驅(qū)進(jìn)行了模擬。建立了30 m長(zhǎng)填砂物理模型，在注入聚合物驅(qū)的過程中，于模型沿程不同位置分別采出樣品，分析溶液表觀黏度、聚合物分子量和濃度的變化規(guī)律?；谝陨辖Y(jié)果，配制與不同距離下采出液性質(zhì)相同的聚合物溶液進(jìn)行巖心驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，并與同黏度丙三醇水溶液進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，聚合物驅(qū)過程中溶液濃度和聚合物分子量隨運(yùn)移距離的增加而降低，基本滿足線性規(guī)律；溶液黏度隨距離的增加先快速下降，而后趨于平穩(wěn)；儲(chǔ)能模量在近井地帶的損失非常嚴(yán)重。聚合物驅(qū)的驅(qū)油效率提高值隨著運(yùn)移距離的增大而逐漸降低，運(yùn)移距離越遠(yuǎn)，聚合物溶液的提高采收率能力越弱，這與溶液黏度和黏彈性的損失密切相關(guān)，其中彈性損失對(duì)驅(qū)油效率的影響比黏性更為顯著。該室內(nèi)研究成果可為聚合物驅(qū)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的參考。

聚合物驅(qū)；黏度損失；黏彈性損失；提高采收率；驅(qū)油效率

0 前言

聚合物驅(qū)是一種重要的提高采收率技術(shù)，由于其機(jī)理明確、技術(shù)簡(jiǎn)單，得到廣泛應(yīng)用。西方各國(guó)很早就對(duì)聚合物驅(qū)展開了研究，美國(guó)于1964年進(jìn)行了礦場(chǎng)試驗(yàn)，1970年以來，前蘇聯(lián)、加拿大、英國(guó)、法國(guó)、羅馬尼亞和德國(guó)等國(guó)家都開展了聚合物驅(qū)礦場(chǎng)試驗(yàn)。國(guó)內(nèi)已在大慶、勝利、新疆及大港等油區(qū)開展了大規(guī)模的礦場(chǎng)應(yīng)用，平均提高采收率12%左右[1-2]。

石油工程領(lǐng)域普遍認(rèn)可的聚合物驅(qū)提高采收率的機(jī)理是利用聚合物黏度提高宏觀波及效率、調(diào)整油水流度比[3]。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究表明，聚合物驅(qū)溶液與原油存在最佳水油黏度比[4]，驅(qū)替劑與原油的黏度比宜取2～4，聚合物驅(qū)提高采收率13.1%～16.8%[5]。復(fù)合體系黏度直接受聚合物的濃度影響[6]，聚丙烯酰胺的損失將使體系黏度降低；隨著體系運(yùn)移，巖石孔喉對(duì)聚合物分子的剪切會(huì)使其分子量減小，黏度降低[7]，而這種因素造成的黏度下降是不可恢復(fù)的[8]，因此黏度損失對(duì)開發(fā)效果存在較深的影響。近年來，研究發(fā)現(xiàn)聚合物溶液不僅可以在宏觀上擴(kuò)大波及體積，而且可以在微觀層面上提高洗油效率[9-10]。在常規(guī)聚合物驅(qū)之后采用高濃度、高分子量聚合物驅(qū)可以進(jìn)一步提高采收率[11]，證實(shí)黏彈性的提高確實(shí)可以提高驅(qū)油效率。聚合物由于其固有的黏彈性，在流動(dòng)過程中產(chǎn)生對(duì)油滴的拉伸作用，增加了攜帶力，這種作用對(duì)盲端狀和膜狀殘余油的啟動(dòng)都有比較明顯的助益[12-13]。聚合物溶液黏彈性受溶液濃度、分子量以及多孔介質(zhì)剪切的影響比較顯著[14-15]，當(dāng)以上因素發(fā)生變化時(shí)，溶液黏彈性的改變將對(duì)驅(qū)油效率產(chǎn)生影響。

但是，聚合物溶液在地下的作用是一個(gè)長(zhǎng)距離、長(zhǎng)時(shí)間的過程，因此驅(qū)油劑在油層中的損耗[16-17]就成為了研究者們普遍關(guān)心的問題。在地面配制的聚合物溶液注入到地下，由于運(yùn)移過程中經(jīng)過吸附、滯留、擴(kuò)散和地層流體對(duì)溶液的稀釋，以及多孔介質(zhì)的剪切作用，聚合物發(fā)生損耗，黏度和黏彈性都會(huì)隨之降低，這將影響聚合物驅(qū)的應(yīng)用效果。

常規(guī)室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ烷L(zhǎng)度通常不超過1 m，難以用來分析體系性質(zhì)的變化，在本文的實(shí)驗(yàn)研究中建立了一套超長(zhǎng)物理模擬驅(qū)油模型(30 m)，借助該模型可以更加真實(shí)地模擬研究聚合物溶液在多孔介質(zhì)流動(dòng)過程中黏度與黏彈性的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，并通過一系列室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析其對(duì)提高采收率的影響，為聚合物驅(qū)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要的實(shí)驗(yàn)參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑和材料

(1)實(shí)驗(yàn)試劑

聚合物：部分水解聚丙烯酰胺(北京恒聚化工)，分子量分別為2 500、2 200、2 000、1 700、1 400、1 000和800萬g/mol，平均水解度為26.7%；

丙三醇(分析純)，去離子水；

用于濃度檢測(cè)的試劑主要有：氯化鈉、水合醋酸鈉、水合硫酸鋁、甲酸鈉、溴化鉀，溴水、淀粉、碘化鎘等，以上試劑均為分析純。

(2)實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用油：大慶油田采油二廠脫氣脫水原油與航空煤油按比例稀釋配制的模擬油，黏度7.1mPa·s(45 ℃)；

實(shí)驗(yàn)用水：模擬大慶地層水，礦化度5130.36 mg/L，其中成分為：

NaHCO3142 g/L、Na2SO40.043 g/L、Na2CO30.517 g/L、MgCl2·6H2O 0.041 g/L、CaCl20.090 g/L、KCl 0.061 g/L、NaCl 1.237 g/L；

油砂：大慶油田天然巖心經(jīng)過抽提、解集處理得到的油砂，水濕、粒度40～100目、黏土含量8%～12%。

巖心：人工壓制巖心，規(guī)格為4.5×4.5×30 cm，水測(cè)平均滲透率735×10-3μm2。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置和儀器

物理模擬驅(qū)油實(shí)驗(yàn)裝置包括：HW-II型恒溫箱(Haian Petroleum Scientific Instrument, LTD, Jiangsu)，HAS-100HSB型恒壓恒速泵(Huaan Scienti fi c Instrument, LTD, Jiangsu)，5L中間容器，巖心夾持器(4.5×4.5×30 cm)、30 m長(zhǎng)填砂模型，壓力傳感器，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及所需耐壓閥門、管線若干。

其中30 m長(zhǎng)填砂物理模型為自主研制，由35根直徑為2.5 cm的填砂管連接而成，管中填充油砂約16 kg。為了測(cè)試不同距離下聚合物溶液的黏度、濃度和聚合物分子量的變化，每間隔一段距離設(shè)計(jì)一個(gè)采樣點(diǎn)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、長(zhǎng)填砂管物理模型、壓力測(cè)量系統(tǒng)等幾部分組成，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由中間容器和柱塞泵構(gòu)成，壓力測(cè)量系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集器、若干個(gè)壓力傳感器以及一臺(tái)數(shù)據(jù)計(jì)算器。實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示，采樣測(cè)壓點(diǎn)的分布見表1。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖(采樣點(diǎn)以具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)為準(zhǔn))Fig. 1 Flooding experiment with the 30 m sand packed model (sampling points are decided by concrete experiment)

聚合物溶液性能分析實(shí)驗(yàn)儀器包括：DV-II+Pro型Brook fi eld黏度計(jì)(Brook fi eld Engineering Labs，美國(guó))、Physica MCR301界面流變儀(Anton Paar，奧地利)、烏氏黏度計(jì)、UV2000型紫外-可見分光光度計(jì)(Rainin Instrument, 美國(guó))以及其他玻璃儀器。

表1 采樣點(diǎn)的分布Table 1 Distribution of sampling points

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟及方案

(1)超長(zhǎng)填砂模型驅(qū)油實(shí)驗(yàn)①按照?qǐng)D1搭建驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置，檢查體系密閉性。②將填砂模型抽真空72 h，以0.4 mL/min的流速飽和地層水，測(cè)量模型孔隙度及水相滲透率。用油驅(qū)替填砂模型，注入速度0.4 mL/min，直到出口端采出液不含水，建立起束縛水飽和度，之后老化原油10 d。

③進(jìn)行水驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，注水速度0.4 mL/min，至出口端含水率達(dá)到98%。

④在一次水驅(qū)之后，以0.4 mL/min的速度注入聚合物溶液1.0 PV，進(jìn)行二次水驅(qū)，注入速度0.4 mL/min，至采出液含水率大于等于98%。

以上所有步驟都在45 ℃恒溫下進(jìn)行。聚合物分子量2 500萬，初始濃度1 200 mg/L，初始黏度56 mPa·s。

(2)樣品采集和分析

為了能同時(shí)分析聚合物運(yùn)移全過程在各取樣點(diǎn)的性質(zhì)，注入量設(shè)計(jì)為1.0 PV，在理想狀態(tài)下聚合物段塞剛好填充滿模型的孔隙空間。在驅(qū)替過程中對(duì)模型沿程各采樣點(diǎn)進(jìn)行聚合物溶液樣品采集。從注入聚合物溶液開始，在注入量達(dá)1.0 PV時(shí)于各采樣點(diǎn)收集樣品一次，每個(gè)樣品15 mL；分別測(cè)定采出溶液的表觀黏度、聚合物濃度和分子量。

具體測(cè)試條件和方法如下：

①用布氏黏度計(jì)測(cè)量黏度，條件為定剪切速率7.34 s-1，測(cè)定溫度為45 ℃。

②用淀粉-碘化鎘法測(cè)定聚合物濃度[18]。

③聚合物分子量以黏度法測(cè)定[19]。

(3)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

根據(jù)采得的各樣品溶液的聚合物分子量和濃度，以現(xiàn)有的不同分子量部分水解聚丙烯酰胺配制驅(qū)替劑，代表運(yùn)移至不同距離處的聚合物溶液，以界面流變儀分別測(cè)定溶液的儲(chǔ)能模量和損耗模量。以不同比例丙三醇和去離子水混合配制純黏流體作為對(duì)比驅(qū)替劑，其黏度分別與不同運(yùn)移距離處的聚合物溶液一致，代表彈性完全損失后的驅(qū)替劑溶液，以界面流變儀分別測(cè)定溶液的儲(chǔ)能模量和損耗模量。

①按照?qǐng)D1搭建驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置，將圖中超長(zhǎng)填砂模型替換為巖心夾持器，檢查體系密閉性。

②將系統(tǒng)抽真空2 h，以0.4 mL/min的流速飽和地層水，測(cè)量模型孔隙度及水相滲透率。用油驅(qū)替填砂模型，注入速度0.4 mL/min，直到出口端采出液不含水，建立起束縛水飽和度，之后老化原油48 h。

③進(jìn)行水驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，注水速度0.4 mL/min，至出口端含水率達(dá)到98%。

④在一次水驅(qū)之后，以0.4 mL/min的速度連續(xù)注入聚合物溶液/丙三醇水溶液，直到出口端不再產(chǎn)油。

上述實(shí)驗(yàn)均在45 ℃恒溫進(jìn)行。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 聚合物溶液性質(zhì)隨運(yùn)移距離的變化

30 m長(zhǎng)填砂模型中聚合物驅(qū)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，注入1.0 PV聚合物，在水驅(qū)基礎(chǔ)上提高采收率23.7%。雖然聚合物溶液濃度較低(1200 mg/L)，但注入量(1.0 PV)非常高，且模型為一維均質(zhì)，不存在平面波及問題和層間矛盾，因此最終總采出程度比較高。

注入量為1.0 PV時(shí)，理論上所注入的聚合物溶液段塞剛好到達(dá)采出端，并占據(jù)全部孔隙空間，此時(shí)對(duì)沿程12個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行樣品采集，以觀察聚合物性能隨運(yùn)移距離的變化。觀察發(fā)現(xiàn)，隨運(yùn)移距離增加，聚合物分子量和濃度基本呈現(xiàn)線性下降的變化規(guī)律，如圖2所示。隨著聚合物溶液注入及其在孔隙間的運(yùn)移，受吸附、滯留等影響，聚合物濃度逐漸下降，受巖心孔隙喉道的剪切、拉伸作用，聚合物分子鏈發(fā)生斷裂，分子量逐漸降低，這二者的共同作用導(dǎo)致聚合物溶液的黏度發(fā)生損失。

表2 模型參數(shù)及采收率Table 2 Parameters of the model and the recovery ef fi ciency

由于采樣點(diǎn)取得的樣品體積較小，不足以測(cè)定黏彈性，更無法用于驅(qū)油，因此需要根據(jù)采出液聚合物分子量和濃度的測(cè)定信息，擬合出分子量和濃度的線性回歸曲線，如圖2所示。再用不同分子量聚合物，參照回歸公式配制替代的聚合物溶液，用以測(cè)定黏彈性，并進(jìn)行驅(qū)油實(shí)驗(yàn)。

具體步驟如下：

①已知試劑部分水解聚丙烯酰胺的平均分子量(如表3所示)，根據(jù)分子量線性回歸曲線(圖2)，得知該分子量聚合物所對(duì)應(yīng)的回歸距離(表3)。

②根據(jù)濃度線性回歸曲線(圖2)和回歸距離(表3)，可以求得該分子量聚合物在該距離下的回歸濃度(表3)。

③最后用該試劑配制回歸濃度的聚合物溶液，如表3所示。

所配制的聚合物溶液與采樣點(diǎn)取出樣品的黏度對(duì)比見圖3，可以看出，所配制溶液的黏度、聚合物濃度和分子量重合性良好，可以代表聚合物段塞運(yùn)移到該距離處的溶液性質(zhì)。

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，聚合物溶液的黏度隨運(yùn)移距離增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在近井地帶下降比較迅速，隨運(yùn)移距離的增加下降趨勢(shì)逐漸放緩。在運(yùn)移距離達(dá)到一半時(shí)，溶液黏度已經(jīng)下降為初始值的1/3左右，而出口端采出液黏度僅為4.2 mPa·s，流度控制能力基本損失。由此可見，隨著運(yùn)移距離增加，黏度損失是不可避免的，進(jìn)入油藏深部后，溶液的剩余黏度應(yīng)該很小，據(jù)此推測(cè)在油藏深部必然存在較為可觀的剩余油有待進(jìn)一步開發(fā)。

圖2 聚合物濃度及分子量與運(yùn)移距離的關(guān)系Fig. 2 Polymer concentration and molecular weight change curves vs. distance

表3 配制聚合物溶液參數(shù)Table 3 Parameters of the polymer solutions prepared

綜合上述分析，本文用配制溶液代替實(shí)驗(yàn)采出液進(jìn)行了黏彈性測(cè)定，并進(jìn)行30 cm巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。

本文通過初步的納米壓痕實(shí)驗(yàn)，對(duì)川南龍馬溪組黑色頁巖的微觀力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行定量化表征，獲得不同礦物組份、紋層的彈性模量和硬度。利用掃描電鏡(SEM)、光學(xué)顯微鏡等觀察和分析了頁巖的微觀變形特征；通過對(duì)頁巖的TOC、礦物含量、孔隙體積等分析，初步探討了頁巖微觀力學(xué)性質(zhì)的影響因素及其類型劃分。本文研究可為頁巖微觀力學(xué)性質(zhì)的研究提供一種思路和技術(shù)方法，對(duì)揭示頁巖力學(xué)行為、頁巖氣的高效開發(fā)具有一定的意義。

測(cè)定配制溶液的儲(chǔ)能模量G’和損耗模量G”，表征黏彈性與運(yùn)移距離的關(guān)系，如圖4所示(設(shè)定角頻率=1.0 s-1)。由圖4可以看出，聚合物溶液的儲(chǔ)能模量與損耗模量都隨運(yùn)移距離的增加而下降，但前者下降更快。當(dāng)運(yùn)移距離超過50%時(shí)，溶液的儲(chǔ)能模量已經(jīng)降低到不足初始值的5%，在接近采出端處已經(jīng)接近0。以上結(jié)果說明，隨著運(yùn)移距離的增大，聚合物溶液的彈性比黏性下降更多、下降速度也更快，尤其在運(yùn)移距離超過1/2后，溶液仍具有一定的黏性，但彈性幾乎完全損失。

2.2 黏度與彈性損失對(duì)驅(qū)油效率的影響

由于巖心為一維均質(zhì)，不存在宏觀波及體積的差別，所以驅(qū)油效率提高值△ED可以近似代表采收率提高值△Re。以配制的溶液進(jìn)行巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，在水驅(qū)基礎(chǔ)上連續(xù)注入聚合物溶液直到不再產(chǎn)油為止，以評(píng)價(jià)該體系的極限驅(qū)油效率。同時(shí)，為了考察驅(qū)替劑彈性對(duì)驅(qū)油效率的貢獻(xiàn)，以丙三醇和去離子水按不同比例配制成與聚合物溶液表觀黏度相近的溶液，作為等表觀黏度下純黏流體驅(qū)替劑，在相同條件下進(jìn)行巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，考察其極限驅(qū)油效率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

定義距離i處的溶液黏度損失率為：

圖3 樣品測(cè)量黏度與配制溶液黏度Fig. 3 Viscosity of the samples and the solutions prepared

圖4 配制溶液黏彈性與運(yùn)移距離的關(guān)系Fig. 4 Viscoelasticity of the solutions prepared change curve vs. distance

表4 巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 Result of core fl ooding experiments

儲(chǔ)能模量損失率為：

驅(qū)油效率提高值的損失率：

其中，μ0，分別表示聚合物溶液在入口處的初始黏度、儲(chǔ)能模量及驅(qū)油效率提高值；μi、分別表示距離i處的溶液黏度、儲(chǔ)能模量和驅(qū)油效率提高值。

由圖5可見，隨著運(yùn)移距離增大，聚合物黏度損失不斷升高，同時(shí)伴隨著彈性損失，ΔED也同步逐漸損失。當(dāng)運(yùn)移距離達(dá)到53.6%時(shí)，黏度損失超過了70%，儲(chǔ)能模量損失更高達(dá)94%，ΔED的損失也達(dá)到了60%，表明當(dāng)聚合物溶液段塞運(yùn)移超過50%距離時(shí)，其提高驅(qū)油效率的能力不足初始值的40%。當(dāng)溶液運(yùn)移至距離注入端92.6%時(shí)，彈性幾乎完全損失，黏度損失也超過90%，此時(shí)ΔED的損失率為88.9%，即表示其提高驅(qū)油效率能力僅為初始值的約11%。此外，在運(yùn)移距離超過50%后，G′損失殆盡，趨于平穩(wěn)，而隨著黏度的損失，ΔED會(huì)繼續(xù)損失，可以認(rèn)為當(dāng)運(yùn)移距離低于50%距離時(shí)，ΔED的損失是由黏性和彈性的損失共同造成的，而超過50%之后，黏性損失對(duì)ΔED的影響更為顯著。

為了研究彈性和黏性對(duì)驅(qū)油效率的具體貢獻(xiàn)，通過純黏性流體丙三醇水溶液驅(qū)油實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)其提高采收率效果，并與聚合物溶液進(jìn)行對(duì)比，如圖6和圖7所示。

由表4和圖6可知，在實(shí)驗(yàn)條件下，驅(qū)油效率提高值和溶液黏度隨運(yùn)移距離的變化趨勢(shì)相仿。在黏度相近的條件下，丙三醇溶液的入口ΔED僅有10.94%，聚合物驅(qū)的較高，為24.17%，說明彈性對(duì)驅(qū)油效率的影響非常顯著。隨著體系的注入和運(yùn)移，驅(qū)油效率隨著運(yùn)移距離的增大而降低，而且丙三醇的驅(qū)油效率明顯低于聚合物驅(qū)。隨著運(yùn)移距離的增大，二者的差距逐漸縮小。在接近采出端處，聚合物溶液的彈性幾乎完全損失，顯示出近似純黏流體特征，其驅(qū)油效率與丙三醇溶液相近(ΔED不足3%)。

由于丙三醇溶液為純黏流體，以丙三醇驅(qū)的ΔED表示黏性對(duì)驅(qū)油效率的貢獻(xiàn)，則彈性對(duì)驅(qū)油效率的貢獻(xiàn)值為同黏度聚合物驅(qū)ΔED與丙三醇驅(qū)ΔED的差值，其結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?，隨著運(yùn)移距離的增大，彈性和黏性對(duì)驅(qū)油效率的貢獻(xiàn)都在降低，而彈性的貢獻(xiàn)下降更快。在入口處，彈性對(duì)聚合物驅(qū)驅(qū)油效率的貢獻(xiàn)率為54.7%，且在前39%的距離內(nèi)彈性的貢獻(xiàn)都高于黏性。在超過50%距離后，由于儲(chǔ)能模量下降迅速，彈性貢獻(xiàn)率降低，在53.6%處已不到50%。隨著距離的進(jìn)一步增大，彈性影響越來越弱，在接近出口端處，彈性的貢獻(xiàn)率僅為10%左右。以上結(jié)果表明，如果未經(jīng)吸附、滯留和剪切的損失，聚合物驅(qū)彈性的貢獻(xiàn)是高于黏性的；但隨著運(yùn)移距離的增大，聚合物濃度和分子量的降低，使彈性嚴(yán)重?fù)p失，導(dǎo)致其貢獻(xiàn)率不斷降低。因此可以判斷，彈性損失是導(dǎo)致聚合物溶液在油藏深部提高采收率能力不斷減弱的主要因素。

綜上所述，制約聚合物驅(qū)驅(qū)油效率提高的一個(gè)關(guān)鍵因素就是黏彈性的降低，彈性對(duì)聚合物驅(qū)的貢獻(xiàn)高于黏性，同黏度下純黏性驅(qū)替劑的驅(qū)油效率遠(yuǎn)低于黏彈性聚合物溶液。彈性損失對(duì)聚合物驅(qū)的影響非常大，隨著運(yùn)移，經(jīng)剪切和滯留后失去彈性的溶液驅(qū)油效率很低。因此，在對(duì)聚合物驅(qū)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，不應(yīng)一味地以提高溶液的黏度為目的提高聚合物的分子量和用量，應(yīng)優(yōu)先考慮如何提高和維持聚合物驅(qū)的彈性，提高溶液的注入能力和抗剪切能力。

圖5 聚合物溶液黏度、彈性損失與驅(qū)油效率損失的關(guān)系Fig. 5 Viscosity, elasticity and displacement efficiency loss vs. distance

圖6 聚合物驅(qū)與丙三醇驅(qū)提高采收率與運(yùn)移距離的關(guān)系Fig. 6 Enhanced recovery ef fi ciency by polymer fl ooding and glycerol fl ooding vs. distance

圖7 彈性對(duì)驅(qū)油效率的貢獻(xiàn)Fig. 7 Contribution to displacement ef fi ciency by elasticity

3 結(jié)論

(1)實(shí)驗(yàn)條件下，聚合物驅(qū)過程中溶液濃度和聚合物分子量隨距離的增加而降低，基本滿足線性下降規(guī)律。黏度隨體系運(yùn)移而嚴(yán)重?fù)p失，運(yùn)移至一半距離處黏度已經(jīng)降為初始值的1/3。但彈性比黏性下降更迅速，運(yùn)移至50%距離處彈性已經(jīng)降低到不足初始值的5%。

(2)相同黏度下，黏彈性流體的驅(qū)油效率高于純黏性流體，二者的驅(qū)油效率隨運(yùn)移距離的增大而降低，且差距逐漸縮小。

(3)當(dāng)運(yùn)移距離小于39%時(shí)，彈性對(duì)聚合物驅(qū)油效率的貢獻(xiàn)高于黏性，但彈性隨運(yùn)移距離增大而嚴(yán)重?fù)p失。當(dāng)超過53.6%距離時(shí)，彈性對(duì)驅(qū)油效率的貢獻(xiàn)率不足50%，至出口端僅為10%左右，彈性損失是導(dǎo)致聚合物驅(qū)在油藏深部提高采收率能力減弱的主要因素。

[1] 劉朝霞, 王強(qiáng), 孫盈盈, 等. 聚合物驅(qū)礦場(chǎng)應(yīng)用新技術(shù)界限研究與應(yīng)用[J]. 油氣地質(zhì)與采收率, 2014, 21(2): 22-24.[LIU Z X, WANG Q, SUN Y Y, et al. Study and application of new technological limit for polymer fl ooding in fi eld application. PGRE, 2014, 21(2): 22-24]

[2] ABIDIN A Z, PUSPASARI T, NUGROHO W A. Polymers for enhanced oil recovery technology[J]. Procedia Chemistry, 2012, 4(12): 11-16.

[3] PEYMAN B, PEZHMAN K, SEDIGHEH M, et al. A novel approach for modeling and optimization of surfactant/polymer fl ooding based on Genetic Programming evolutionary algorithm[J]. Fuel, 2016, 179: 289-298.

[4] 郭蘭磊, 李振泉, 李樹榮, 等. 一次和二次聚合物驅(qū)驅(qū)替液與原油黏度比優(yōu)化研究[J]. 石油學(xué)報(bào), 2008, 29(5): 738-741.[GUO L L, LI Z Q, LI S R, et al. Optimization of oil-to-polymer viscosity ratios in the primary and secondary polymer fl ooding[J]. Acta Petrolei Sinica, 2008, 29(5):738-741.]

[5] 王克亮, 廖廣志, 楊振宇,等. 三元復(fù)合和聚合物驅(qū)油液黏度對(duì)驅(qū)油效果影響實(shí)驗(yàn)研究[J]. 油田化學(xué), 2001, 18(4): 354-357. [WANG K L, LIAO G Z, YANG Z Y, et al. The effect on oil displacement ef fi ciency of viscosity of alkaline-surfactant-polymer and polymer fl ooding solutions[J]. Oil fi eld Chemistry, 2001, 18(4): 354-357.]

[6] ZHU H, LUO J, KLAUS O, et al. The impact of extensional viscosity on oil displacement ef fi ciency in polymer fl ooding[J]. Colloids & Surfaces A Physicochemical & Engineering Aspects, 2012, 414(46): 498-503.

[7] 馮世德. 大慶油田聚合物溶液黏度控制因素研究[D]. 東北石油大學(xué), 2013.[FENG S D. Study on controlling factors of viscosity of polymer solution in daqing oil fi eld[D]. Daqing: Northeast Petroleum University, 2013.]

[8] 雷巧會(huì), 田根林. 聚合物黏度剪切損失與恢復(fù)的研究[J]. 西安石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 1997(6): 36-38.[LEI Q H, TIAN G L. A study on shear loss of polymers and its restoration [J]. Journal of Xian Petroleum Institute, 1997(6): 36-38.]

[9] 王德民, 程杰成, 楊清彥. 黏彈性聚合物溶液能夠提高巖心的微觀驅(qū)油效率[J]. 石油學(xué)報(bào), 2000, 21(9): 45-51.[WANG D M, CHENG J C, YANG Q Y, et al. Viscous-elastic polymer can increase microscale displacement efficiency in cores[J]. Acta Petrolei Sinica, 2000, 21(5): 45-51.]

[10] 謝毅, 尹洪軍, 鐘會(huì)影,等. 黏彈性聚合物溶液微觀波及效率分析[J]. 特種油氣藏, 2013, 20(5): 110-113.[XIE Y, YIN H J, ZHONG H Y, et al. Analysis on microscopic sweep ef fi ciency of viscoelastic polymer solution[J]. Special Oil & Gas Reservoirs, 2013, 20(5): 110-113.]

[11] 朱凱. 常規(guī)聚合物驅(qū)后高濃度聚合物溶液黏彈性對(duì)驅(qū)油效果的影響研究[J]. 中國(guó)科技博覽, 2014(40): 140.[ZHU K. The effect of viscoelastic of high concentration polymer solution on recovery ef fi ciency after conventional polymer fl ooding[J]. China Science and Technology Review, 2014(40): 140.]

[12] 張立娟, 岳湘安, 劉中春, 等. 黏彈性流體在盲端孔隙中的流場(chǎng)[J]. 水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展, 2002, 17(6): 748-755.[ZHANG L J, YUE X A, LIU Z C, et al. Flow fi eld of viscoelastic fl uid in pores with dead ends[J]. Journal of Hydrodynamics, 2002, 17(6): 748-755.]

[13] 王剛, 王德民, 夏惠芬, 等. 聚合物溶液的黏彈性對(duì)殘余油膜的作用[J]. 東北石油大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 31(1): 25-30.[WANG G, WANG D M, XIA H F, et al. Efffect of viscoelastisity of HPAM solution on residual oil fi lm[J]. Journal of Daqing Petroleum Institute, 2007, 31(1): 25-30.]

[14] 葉仲斌, 彭?xiàng)? 施雷庭,等. 多孔介質(zhì)剪切作用對(duì)聚合物溶液黏彈性及驅(qū)油效果的影響[J]. 油氣地質(zhì)與采收率, 2008, 15(5): 59-62.[YE Z B, PENG Y, SHI L T. The in fl uence of shear action in porous medium on viscoelasticity and oil displacement ef fi ciency of polymer[J]. Petroleum Geology & Recovery Ef fi ciency, 2008,15(5): 59-62.]

[15] 夏惠芬, 張九然, 劉松原. 聚丙烯酰胺溶液的黏彈性及影響因素[J]. 東北石油大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 35(1): 37-41.[XIA H F, ZHANG J R, LIU S Y. Viscoelasticity and factors of polymer solution[J]. Journal of Daqing Petroleum Institute, 2011, 35(1): 37-41.]

[16] WEATHERILL A. Surface development aspects of alkali-surfactant-polymer (ASP) fl ooding[C]. International Petroleum Technology Conference, Doha, Qatar, 2009.

[17] YUAN S Y，YANG P H，DAI Z Q, et al. Numerical simulation of alkali/surfactant/polymer flooding. International Meeting on Petroleum Engineering, Beijing, China, 1995.

[18] 田利，鄒明珠，許宏鼎. 采油污水中部分水解聚丙烯酰胺濃度的測(cè)定. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào), 2003，41(2): 224-227.[TIAN L, ZOU M Z, XU H D, et al. Determination of concentration of hydrolyzed polyacrylamine in waste from oil extraction[J]. Acta Scientiarium Naturalium Universitatis Jilinensis, 2003, 41(2): 224-227.]

[19] 楊菊萍. 黏度法測(cè)定部分水解聚丙烯酰胺的分子量[J]. 高分子學(xué)報(bào), 2001(6): 783-786.[YANG J P. Determination of molecular weight of partially hydrolyzed polyarylamide by viscosimetry[J]. Acta Polymerica Sinica, 2001, 34(6): 783-786.]

Effect of the loss of viscosity and viscoelasticity on displacement ef fi ciency in polymer fl ooding

MA Yunfei, HOU Jirui, SHANG Dansen, ZHAO Fenglan, WU Fan
EOR Institute of China University of Petroleum-Beijing, Beijing 102249, China

To investigate the trends of change of viscosity and viscoelasticity during long distance migration in polymer fl ooding and to research the effect of the loss of viscosity and viscoelasticity on displacement ef fi ciency, a series of laboratory physical experiments were conducted to simulate polymer fl ooding. A 30 m long sand packed model was built for the physical simulation. Following the injection, samples were obtained from sampling points along the model, and the properties of the samples such as polymer concentration, molecular weight and viscosity were analyzed. Based on the results, polymer solutions which have similar properties to the samples were prepared for the core displacement experiments. For comparison, glycerol solutions similar in viscosity were used as displacement agents in the same conditions. The results indicated that polymer concentration and molecular weight decreased with increase in the migration distance, and followed an approximately linear trend. The viscosity declined rapidly fi rst, and then stabilized with the distance increase. The storage modulus decreased sharply in the near inlet area.Furthermore, the increment of displacement ef fi ciency decreased with increasing distance, which was closely related to the loss of viscosity and viscoelasticity. This suggested that elasticity loss had a deeper impact than viscosity on displacement ef fi ciency. This research can provide a basis for the optimization of polymer fl ooding design.

polymer fl ooding; viscosity loss; viscoelasticity loss; enhanced oil recovery; displacement ef fi ciency

10.3969/j.issn.2096-1693.2017.01.013

(編輯 馬桂霞)

*通信作者, houjirui@126.com。

2016-10-13

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51174216)和國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05052)聯(lián)合資助

馬云飛, 侯吉瑞, 尚丹森, 趙鳳蘭, 吳凡. 聚合物溶液黏度與黏彈性損失對(duì)驅(qū)油效率的影響. 石油科學(xué)通報(bào), 2017, 01: 133-141

MA Yunfei, HOU Jirui, SHANG Dansen, ZHAO Fenglan, WU Fan. Effect of the loss of viscosity and viscoelasticity on displacement ef fi ciency in polymer fl ooding. Petroleum Science Bulletin, 2017, 01: 133-141. doi: 10.3969/j.issn.2096-1693.2017.01.013