1、聚合物溶液的粘弹性行为在提高聚合物 驱油效率中的机理分析与运用讲解 聚合物溶液的粘弹性行为在提高聚合物驱油效率中的机理分析与运用Mojdeh Delshad, Do Hoon Kim, Oluwaseun A. Magbagbeola, Chun Huh, Gary A. Pope, Farhad Tarahhom 编（石油工程师协会，美国德克萨斯大学奥斯汀分校）摘要越来越多的室内实验和矿场试验都证实了聚合物溶液的粘弹特性有助于提高聚合物驱油效率。对高分子量部分水解的聚丙烯酰胺聚合物进行大量的流变测量和岩心驱替实验后，表明了聚合物溶液的粘弹性行为在聚合物驱提高原油采收率中起着作用。在使用UTC
2、HEM模拟器对提高油层波及系数进行定量评价后，将不同聚合物溶液的弹性作用模拟成在多孔介质中聚合物溶液的表观粘度。随着高浓度和高分子量聚合物的使用，使聚合物驱的应用范围延伸至对更高粘度原油的开采。对聚合物在多孔介质中流变性机理的了解及其精确的数值模拟是聚合物驱矿场试验成功的关键。对不同的剪切速率（与在岩心中流动速度和渗透率）、聚合物浓度和分子量进行振荡和剪切粘度的测定和聚合物岩心流动实验。聚合物的剪切增稠特性与通过它的分子松弛时间的Deborah数有关，它反过来又决定于流变数据。表观粘度模型是根据聚合物在多孔介质中的剪切稀释和剪切增稠来符合实验数据而发展起来的。这种模拟器被应用于组分化学驱模拟器
3、中和成功历史拟合所开发的岩心驱替原油开采试验中。系统的流变性测定和岩心驱替，以及使用表观粘度模拟器都证实了不同的聚合物弹性作用有助于提高聚合物的驱油效率。尤其对聚合物溶液的剪切增稠性进行描述时，是根据大量的流变测定而得到的分子松弛时间来决定的。一、前言对大多数油藏来说，由于油藏的非均质性，在大规模水驱之后仍然有大量的原油无法被采出。一旦水在高渗透区形成渠道后，随后的注入水在低渗透区只能绕过，而未波及处原油将滞留下来。为了开采出未波及到的原油，用低浓度的聚合物溶液增加注入水的粘度来提高原油的波及效率。50多年来为了发展和改善聚合物驱方法开展了大量研究（见Sorbie所述，1991年）。现在聚合物
4、驱被认为是一种技术性和商业性有力的提高原油采收率的方法，尤其是中国北部的大庆油田实施大规模的聚合物驱之后，每天都能增产300,000桶左右的油量（王某等人，2001年）。像其他运用的地方，部分水解聚丙烯酰胺被应用于全球可利用的低成本之处。聚合物能用于聚合物驱油，关键是它的剪切稀释作用。聚合物溶液的粘度随着剪切速率减小，因此它在油藏岩石中的表观粘度一般随流动速度减小。这是一个理想的特性，因为聚合物溶液被注入井内的流度速度很高，而没有过大的压力降落。同时这种特性在驱替油藏深部的未波及原油中存在一个弱点，由于流动速度在高渗透区比低渗透区更大，所以聚合物溶液的粘度在高渗透区要低于在低渗透区的粘度。因此
5、，让更多的注入液体到达低渗透区的目的是无法实现的。Jonse在1980年用一个简单的分析阐明了这个观点。他表明对于大油藏来说，尤其是在近井带存在着剪切增稠的流体能够更有效地驱替低渗透区未波及的原油。在高渗透区聚合物溶液的表观粘度能够增高，实现提高波及效率的目的，对于聚合物溶液的这个理想化特性能使近井带流体的粘度降低，除此之外就是剪切增稠带来的高粘度影响。HPAM的剪切增稠行为HPAM溶液在多孔介质中流动的一个重要特征是指由低到中间流动速度（或有效剪切速度）之间为剪切稀释作用，当超过这个流动速度后就成为高剪切增稠（见Maerker所述,1984年）。其主要原因是高表观粘度，因为聚合物分子流经油藏
6、岩石中的一系列孔隙空间和喉道时，流场发生伸展和收缩现象。假如流动速度太高，聚合物分子没有足够的松弛时间伸长和重新环绕来适应流动状态，由此产生的弹性应变导致了明显的高粘度。在给定的流速下，高分子量的HPAM比低分子量的HPAM表现出更强的剪切增稠作用。对这一点下面将会进一步的阐述。 这个有趣的推理和上述提到的大庆油田聚合物驱德效果，此时是值得注意的。大庆油田研究人员在实验室进行的岩心流动实验中观察到HPAM溶液的粘弹性有助于驱替出大规模水驱后的残余油，而且它们将随着相当高分子量（MW1500万）的HPAM流动，表现出更显著的粘弹性行为（王某等人，2001年）。虽然人们普遍认为聚合物驱无法驱替水驱
7、的残余油饱和度，原因是当聚合物驱之前没有进行水驱时，它的残余油饱和度可能低于水驱残余油饱和度（见Hub和Pope，2008年文献综述）二次聚合物驱使残余油饱和度减小的可能机理在Huh和Pope之间的讨论（2008年）。原油采收率进一步提高的另一个解释可能是由于聚合物的剪切增稠行为有助于更快地驱替出那些在残余油附近仍可动的但很难驱替的原油，或更有效地驱替出那些小规模非均质性的未波及到的原油。基于更早的文献依据和中国人的研究，表明了聚合物溶液的剪切增稠特性与它的增粘能力相结合对提高未波及原油的波及效率有影响，其原因是油藏的非均质性。实际上，剪切增稠能够提高波及效率的潜在作用早已经被认识到了（见Jo
8、nes所述，1980年）。由于聚合物的剪切增稠引起了注入井中迅速的压力降落和潜在的机械降解，这个关键问题仍然需要被解决。很多研究人员很早就试图研究聚合物在中等流动速度下的剪切增稠作用，以及在高度流动速度下的剪切稀释作用（见Maerker 和Sinton,1984年）。这种聚合物被称为双功能聚合物或伴生聚合物，它们的制造成本相当昂贵，在油藏中也很难控制它们的行为。调整它们的分子结构来适应不同流动速度和不同油藏的盐度要求也是很困难的。随着相对较低分子量的HPAM已经在早期提高采收率被应用，而其剪切增稠行为通常没有在油藏条件下的一系列流动速度中被研究。因而，剪切稀释流变模型如Carreau模型的应用
9、下面给以描述。随着分子量大于2000万的HPAM的使用，剪切增稠行为变得更重要，原因是剪切稀释和剪切增稠行为的可靠流变关系需要被研究。认识到它的重要性之后，大量的研究人员试图依据聚合物分子参数及流体在多孔介质中的流动条件来模拟剪切增稠行为。（Hirasaki 和Pope,1974年；Haas 和 Durst, 1981年；Heemskerk 等人, 1984年；Masuda等人, 1992年；Ranjbar等人, 1992年；Han等人，1995年）。这项研究的主要目的是在没有测量聚合物溶液油藏岩石中流动的表观粘度的情况下，研究整个系列流动速度流变测量粘度的相关性。二、聚合物溶液的流变模型表观
10、粘度模型涵盖了在油藏岩石中的全部牛顿流型，剪切稀释和剪切增稠行为。它是Carreau模型和剪切增稠粘度随Deborah数相关经验模型的组合，Deborah数是聚合物分子在孔隙空间和喉道之间的松弛时间与平均滞留时间的比值。这种模型的关键特征是表观粘度通过有效剪切速率能得到与达西流动相关的全部流速。这种模型的一个重要优点是与不同聚合物和不同岩石相关联的表观粘度可以由聚合物溶液粘度的流变来测量和一些有限的岩心流动数据得到的。Deborah数可以由流变测量和Rouse模型（Bird,1977年）的松弛时间获得。全速度范围的表观粘度模型在制定一项全面的表观粘度模型时，我们假设它依靠的是达西流速（或有效剪
11、切速率）所包含的两部分：剪切粘度主导部分sh和伸展粘度主导部分el。 =sh+el (1)混合表观粘度模型是由以Carreau方程为代表的剪切粘度主导部分和以依据Deborah数为代表的伸展粘度主导部分组成，它已被Hirasaki和Pope及其他人在1974年所模拟。剪切稀释流态下的表观粘度 聚合物表现出的剪切稀释行为广泛地应用于一些聚合物溶液的流变模型中的是Carreau模型(Cannella等人, 1988年)： (2)其中， 多孔介质中表观剪切粘度；和分别表示在低剪切极限和高剪切极限下的极限牛顿粘度；有效剪切速率（式3）；和n特定聚合物的经验常数；一般取2。对于中间剪切速率，Carrea
12、u方程表现出的是幂的关系。上面的解释能够证实聚合物溶液在多孔介质中流动时的表观粘度可以用粘度计测量粘度，可以在合适的可渗透岩石中有效剪切速率来表示： (3)其中，聚合物溶液中水相速度；k渗透率；kw水相相对渗透率；Sw含水饱和度；孔隙度。Cannella等人在1988年发表：当上式C=6.0时，表观粘度与广泛的岩石驱替数据更符合。然而，C值一般是渗透率和孔隙度的函数。Wreath等人在1990年对有效剪切速率的不同表示作了一个复杂的综述，其中包括上式。剪切增稠流态下的表观粘度当聚合物分子流经油藏岩石中的一系列孔隙空间和喉道时，流动区域将出现伸展和收缩现象。因此，聚合物分子重新伸展和卷曲来适应流
13、动状态。假如流动速度过高，聚合物分子没有足够的松弛时间来重新伸展和卷曲来适应流动状态。这种弹性伸展的结果将导致聚合物出现明显的高粘度，表示为剪切增稠行为。为了说明剪切增稠行为，和其他人一样，我们假设是Deborah数（NDeb）的一个经验函数。Deborah数是聚合物分子松弛时间（r）与流体流经一系列孔隙空间和喉道时伸展和收缩特征时间（E）的比值，它描述了聚合物的弹性伸展能力（Bird等人，1977年）。 Hirasaki和Pope于1974年提出一个模型： (4)Masuda等人于1992年提出： (5)其中，Cc和mc为经验常量。这里我们提出一个不是由 标量的模型： (6)其中，max，2
14、和n2为经验常量。式6中所提出的模型与上面的式4和式5的模型有一个明显的区别，上面模型中的值el是随NDeb增加而不确定性的增加，然而我们提出的模型提供的是max的恒定值。 在上式中Deborah数可以被定义为： (7) Masuda等人所提出的与式3中的有效速率正好相反，它是一个平均滞留时间（E）的近似值 。Hirasaki和Pope于1974年，Durst等人于1981年及Haas和Durst于1981年都近似得出与油藏岩石中流动伸展和收缩比值相反的平均滞留时间，： (8)其中，v隙间流速，d平均孔隙大小，使用Kozeny-Carman方程得到的式8下面的表达式。注意式3和式8的有效剪切速
15、率都依靠于关键参数uw，k和krw，但系数值是不同的。 表观粘度的表达式包含有达西速度的全部区域，联立式1，2和6得： (9)一些模型已经被提出来预测聚合物分子的松弛时间，下面会作出简要的综述。聚合物分子的松弛时间模型松弛时间模型被广泛地分为两类：（）全部依靠经验测定；（）依靠溶液中聚合物分子的动态理论考虑。下面对这两个应用比较广泛的模型进行描述，其他模型将在附录中作简要讨论。粘性的相对大小和聚合物溶液的瞬时粘度的弹性部分是常用动态扫频测试与流变仪获得。由于压力引起的振荡应变得到的复杂的溶液粘度，它是由和曲线得到的，分别是聚合物溶液想象和真实粘度部分。这里的是角频率(rad/s);G为保留量，
16、代表聚合物溶液粘弹性中的弹性部分；G”为损失量，代表它的粘性部分。G和G”跨越点模型由于G和G”分别表示粘弹性的弹性和粘性部分, 曾有人提出G和G”交叉区域的聚合物溶液的特征松弛时间与频率成反比(Volpert 等人, 1998年；Castelletto等人, 2004年)。这个交叉区域也被描述为所谓纠结耦合现象开始的一种征兆。这种现象依靠一种相邻分子间强烈的耦合来维持链间的分子行程。Rouse模型动态扫频测试数据(G和G”对比频率)与这个模型的匹配是为了得到松弛时间系列。此模型公式如下： (10) (11)其中，Cp为聚合物浓度(g/cc)；p为松弛时间(s)。聚合物分子是由N个珠子与N-1
17、条弹性链相连而成的，松弛时间系列中最长的时间是使用岩心流动实验而得到的(Heemskerk 等人, 1984年)。值得注意的是不像附录中的其他模型一样，它是聚合物浓度影响的结果。三、实验结果和模型的证实松弛时间模式的最佳的特点是首先得到可用流变仪数据。应用聚合物流动的岩心驱替数据，来验证所提出的表观粘度模型（式9），然后进行测试。用流变仪数据测试松弛时间模型由袁某（1981年）和此项研究得到的一些振荡粘度数据来测试以上的模型。来自TA导师研制的ARES LS-1流变仪被用于测量体积粘度和振荡粘度或动态物性，如聚合物溶液的保留量与损失量。这是一个机械性光谱仪，它可得到来自已被应用的动态的或稳定的
18、应变样本所产生的扭矩的结果。原动机可适用于应变测量，而扭矩是用传感器来衡量。ARES包括一个0-60范围的动态频率。这些实验所用的聚合物是由SNF Floerger研制的粉状flopaam 3630s和flopaam 3330s（见表1所示）。用不锈钢压滤机与橡胶O型环制造而成的过滤器是用于微孔隙中。流体过滤被付诸表决，通过一个配有接头套管的不锈钢容器，并与压滤机连接到顶端。使用氩气，对流体进行加压强迫其通过过滤器。聚合物溶液是在15psi的压力下用1.2m的滤纸过滤所得。盐水溶液可用盐水A，它包含有20000ppm的总固相含量，其中含有15400ppm的Na+，2540ppm的Ca+和210
19、0ppm的Mg+。对1500ppm的Flopaam 3630S进行动态扫频测试得到聚合物保留量和损失量（G，G）,如图1所示。聚合物溶液中的G-G上的点是在转速为17.62rad/s的角频率下得到的，此时的松弛时间r=0.0568s。图1中的数据也应用来测试经典Rouse模型。用三元回归来拟合式10和式11（p和p=1 to 3）的实验数据，如图2所示。得到的松弛时间有1，2，3分别为0.0859s，0.0002s，0.0090s。最长松弛时间1，可用于计算Deborah数。从G-G跨越点的模型和经典Rouse模型（0.0568和0.0859）的数值的合理近似给我们用他们来计算Deborah数
20、多了一些信心。图3和图4显示的是在同一种盐水组成中500ppm的低浓度Flopaam 3360S与1500ppm Flopaam 3330S的聚合物进行相似性分析。聚合物的特性与用Rouse模型计算出的松弛时间如表1所示。更高分子量或更高浓度的聚合物溶液有更长的松弛时间。此外，在同一溶剂下，浓度为500ppm的聚合物的松弛时间仍然比浓度为1500ppm的低分子量的聚合物要长。在我们所做的一系列实验中都表明了聚合物的分子量比浓度对松弛时间的影响更为主要。岩心驱替结果证实了表观粘度模型岩心驱替是建立在没有可支撑的金属岩心夹持器的水平构造上。岩心夹持器可提供大约1000psi的极限压力，这是为了在实
21、验中有效地夹持岩心在某个位置。一些转换器被使用来更精确地测量压力降落。转换器被连接在岩心夹持器中，是为了测量进口与中间部分、中间部分到出口及通过整个岩心的压力差。直径为1,长度为8的Berea砂岩岩心被使用。其表观粘度计算为： (12)其中，A岩心横截面积；q流动速率；p压力下降大小；L岩心长度。所提出的粘弹性粘度模型于1981年被袁某首次测试并发表了在1%NaCl和0.1%NaCl溶液中浓度为1000ppm的Push 700聚合物的粘度数据。图5和图6给出了剪切速率全区域的表观粘度的优良匹配。剪切增稠行为是在剪切速率约为20s-1的低盐度下开始的和剪切速率为100s-1的高盐度下的聚合物溶液
22、中进行。图7描述了我们在Berea岩心中，浓度为1500ppm的Flopaam 3630S溶液单相流动中所测量的与粘弹性模型之间优良的匹配。浓度为1500ppm的Flopaam 3630S在高盐度的盐水A中的剪切增稠行为开始，其有效剪切速率约为20s-1。这个结果表明了粘弹性模型的提出能够预测不同HPAM聚合物、聚合物浓度和剪切速率下广泛的聚合物分子量的单相流动行为。在UTCHEM模拟器中粘度模型的实现与证实UTCHEM是德克萨斯大学化学驱模拟器(Delshad等人，1996年； Delshad 等人，2002年)。在UTCHEM模拟器中非牛顿流动的聚合物溶液粘度是有效剪切速率的函数，可以用M
23、eter方程表示：. (13)其中，是在和平均值所得的粘度与P经验系数下的剪切速率。有效剪切速率用式3计算，其中n为0.48。剪切稀释稳定粘度（）是聚合物常数（Cp）和有效盐度（CSEP）的函数，计算式如下： (14)其中，A P1，A P2，A P3，h和SP为输出常量恒定模型的聚合物的有效盐度考虑到阴离子和二价阳离子浓度，可以被定义为： (15)其中，C51为水中总的阴离子浓度（Eq/l）；C61为水中总的二价阳离子浓度（Eq/l）；C11为液相水浓度（体积组分）；p为输入模型参数常数。在UTCHEM中粘弹性模型的实行如式9，假设=2和高剪切粘度（）通过的水粘度（w）。 （16）与剪切稀释
24、稳定粘度相同的是剪切增稠稳定粘度（max）是由聚合物系数（Cp）和有效盐度(CSEP)的函数计算的，如下式： （17）其中，Ap11和Ap22是模型输入参数。表2总结出了用一些聚合物数据设定的式16的拟合模型参数。UTCHEM 岩心驱替历史匹配粘弹性模型，其延伸至油水两相流和其在UTCHEM中的运行被Masuda等人于1992年用聚合物驱提高采收率实验结果所证实。Masuda等人用200ppm的HPAM溶液在玻璃球部件中测定其流变行为和在毛细粘度仪中测量其体积粘度，如图8所示。我们从图8中得到的数据与粘弹性模型所得结果有着成功的匹配。剪切增稠区域以有效剪切速率为2s-1而开始。Masuda等人
25、于1992年在玻璃球部件中进行一维聚合物驱提高原油采收率实验，并测得原有采收率、压力降落和含油量。我们使用修改的UTCHEM成功匹配出岩心驱替结果，如图9-11所示。表3给出的是在模拟器中使用的岩心和流体的物性。另一个模拟器被我们用于在UTCHEM中用原来的剪切稀释粘度模型进行操作（式13）。结果表明，压力降落、含油量和采收率可以被预测，由粘弹性模型得到的岩心驱替结果比剪切稀释模型数据更接近于所测数据（如图9-11）。我们的研究结果与Masuda等人是一致的。大分子聚合物在高流速驱替中的剪切增稠行为对提高采收率可能有所影响。四、总结与结论 在不同的剪切速率、聚合物浓度和分子量下进行了振荡和剪切
26、粘度测量和聚合物岩心流动实验，并成功地应用于开发一种在多孔介质中流动的聚合物溶液表观粘度新模型。 聚合物的剪切增稠特性与通过它的分子松弛时间的Deborah数有关，它反过来又决定于流变数据。 从动态扫频测试中得到聚合物保留量和损失量（G，G）。G-G曲线上点相应的松弛时间与经典Rouse模型得到的非常相近，可以用来计算Deborah数。 由历史匹配的聚合物岩心驱替结果开发和测试出聚合物在多孔介质中的剪切稀释和剪切增稠行为描述的表观粘度模型。 粘弹性模型与在较广泛的达西速度中一些聚合物溶液的表观粘度有着成功的匹配。 在UTCHEM模拟器中进行的粘弹性模型和成功的历史性匹配的原油采收率的聚合物驱实
27、验结果已经被发表。五、致谢 作者感谢参与化学驱提高采收率工业联营项目的18家公司给予的财政支持，以及感谢美国德克萨斯大学奥斯汀分校的石油与地质系统工程中心（http:/www.cpge.utexas.edu/ceor/）给予的支持。六、参考文献 1. Bird, R.B., Armstrong, R.C., and Hassager, O., Dynamics of Polymeric Liquids, Vol.1, John wiley & Sons, New York, 1977.2. Castelletto, V., Hamley, I.W., Xue, W., Sommer, C.,
28、Pederson, J.S., and Olmsted, P.D., Rheological and Structural Characterization of Hydrophobically Modified Polyacrylamide Solutions in the Semidilute Regime, Macromolecules, 37, 1492-1501, 2004. 3. Cannella, W. J., Huh, C., and Seright, R. S., Prediction of Xanthan Rheology in Porous Media, SPE 1808
29、9, presented at 63 rd Annual Tech. Conf. SPE, Houston, TX, Oct. 2-5, 1988.4. Chauveteau, G., Fundamental Criteria in Polymer Flow Through Porous Media. And Their Importance in the Performance Differences of Mobility-Control Buffers, in Water Soluble Polymers Beauty with Performance, Adv. Chem. Serie
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