聚合物驱

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聚合物驱是指向地层中注入聚合物进行驱油的一种增产措施。在宏观上,它主要靠增加驱替液粘度,降低驱替液和被驱替液的流度比,从而扩大波及体积;在微观上,聚合物由于其固有的粘弹性,在流动过程中产生对油膜或油滴的拉伸作用,增加了携带力,提高了微观洗油效率。
中文名
聚合物驱
外文名
polymer flooding
性    质
提高采收率的方法
特    点
降低驱替液和被驱替液的流度比
应    用
胜利油田等
机    理
流度控制、调剖等

聚合物驱发展

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聚合物驱技术由于其机理比较清楚、技术相对简单,世界各国开展研究比较早,美国于五十年代末、六十年代初开展了室内研究,1964年进行了矿场试验。1970年以来,前苏联、加拿大、英国、法国、罗马尼亚和德国等国家都迅速开展了聚合物驱矿场试验。从20世纪60年代至今,全世界有200多个油田或区块进行了聚合物驱试验。聚合物驱是在注入水中加入少量水溶性高分子聚合物,通过增加水相粘度和降低水相渗透率来改善流度比、提高波及系数,从而提高原油采油率。
近年来,研制出具有耐温、耐盐、抗剪切的新型疏水缔合水溶性聚合物。它是聚合物亲水性大分子链上带少量疏水基团的一类水溶性聚合物。由于疏水基团的疏水作用以及静电、氢键或范德华力的作用而在分子间自动产生具有一定强度但又可逆的物理缔合,从而形成巨大的三维立体网状空间结构。其独特的性能越来越受到人们的关注。
目前我国已经成为世界上使用聚合物驱技术规模最大,大面积增产效果最好的国家,聚合物驱技术成为我国石油持续高产稳产的重要技术措施。 [1] 

聚合物驱机理

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1、流度控制作用
聚合物溶液的流度控制作用是聚合物驱油的重要机理之一,对于均质油层,在通常水驱油条件下,由于注入水的粘度往往低于原油粘度,驱油过程中油水流度比不合理,导致采出液中含水率上升很快,过早地达到采油经济所允许的极限含水率的结果,使得实际获得的驱油效率远远小于极限驱油效率。向油层注入聚合物的结果,可使驱油过程中的油水流度比大大改善,从而延缓了采出液中的含水上升速度,使实际驱油效率更接近极限驱油效率,甚至达到极限驱油效率。
2、调剖作用
调整吸水剖面,扩大波及体积,是聚合物提高采收率的另一项重要机理。因为在聚合物的调剖作用下,油层水淹体积的扩大,将在油层的未见水层段中采出无水原油。这就是说,油层水淹孔隙体积扩大多少,采出油的体积也就增加多少。
聚合物的调剖作用只有在油层剖面上存在渗透率的非均质状态时才能发生。对于这类油层,在通常水驱条件下往往发生注入水沿不同渗透率层段推进不均匀现象。高渗透率层段注入水推进快,低渗透率层段注入水推进慢。加上注入水的粘度往往低于原油粘度,水驱油过程中高流度流体取代低流度流体的结果,导致注入水推进不均匀的程度加剧,甚至在很多情况下会出现高渗透率层段早已被注入水所突破,而低渗透率层段注入水推进距离仍然很小的情况,致使低渗透率层段原油不能得到有效的开采。 1.3其他驱油机理
聚合物溶液存在着粘弹性,在水驱过程中,表现了三种粘度,即本体粘度、界面粘度、拉伸粘度。在这三种粘度的共同作用下,聚合物驱不仅可以提高波及系数,而且还可以提高水波及域内的驱油效率。其提高驱油效率的机理有:本体粘度使聚合物在油层中存在阻力系数和残余阻力系数,驱替水驱未波及剩余油和簇状残余油;界面粘度使聚合物溶液在多孔介质中的粘滞力增加,是驱替膜状、孤岛状残余油)拉伸粘度使聚合物溶液存在粘弹性,是驱替盲状残余油的主要原因。 [1] 

聚合物驱需满足的条件

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在长达30年的聚合物驱室内研究和现场试验中,总结出聚合物驱用的聚合物应满足下列条件:
1、水溶性好
2、稠化能力强
3、对热稳定
4、对剪切稳定
5、对化学因素稳定
6、对生物作用稳定
7、滞留量低
8、来源广
9、便宜等

聚合物驱驱油剂性质

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聚合物的一般性质包含有9项指标:干重(固含量)、相对分子质量、水解度、浓度、溶液黏度、筛网因子(系数)、过滤因子、溶解性、聚合物不溶物含量、流变性。
固含量是指从聚合物中除去水分等挥发物以后,固体物质的百分含量。聚合物的相对分子质量是表征聚合物性能的一个重要指标,也是影响聚合物驱效果的重要参数。
合成聚合物的相对分子质量用动力学链长和平均聚合度两个物理量来表示。无链转移时,聚合物的相对分子质量用动力学链长表示;有链转移时,聚合物的相对分子质量用平均聚合度表示。
水解度是聚合物质检的重要指标之一。水解度不合格,聚合物抗盐能力差,
筛网因子(系数)用筛网黏度计测量聚合物黏弹性的量度方法求得。在相同条件下,筛网因子小,说明聚合物溶解性较好,水不溶物少。筛网因子综合反映了聚合物溶液受到剪切和拉伸时的流变性。
过滤因子是指聚合物溶液中少量不溶物对岩石堵塞程度影响的大小。过滤因子(FF)是一种简单的评定聚合物溶液通过孔隙介质能力的参数,它可以通过一定流量的聚合物溶液流经过滤装置的时间比来计算。FF越小,溶液通过孔隙介质的能力越大,即注入性越好。
溶解性的好坏直接关系到聚合物在现场应用时是否能在预定的时间内完全溶解。聚合物在水中溶解经历润湿、溶胀、溶解3个阶段。润湿和溶胀阶段主要是水分子进入聚合物分子线团的结构内部,使聚合物线团胀大,这时可见到絮状的分子线团。当胀大的聚合物分子均匀地分散在水中时,水聚合物完全互溶,黏度达到稳定,这时溶液是均质透明的。可将一定质量的聚合物样品洒在适量的水中,定时观察其溶解过程,以判断聚合物溶解的快慢。
聚合物不溶物是指产品中不溶于水的机械杂质。若不溶物含量过高,易造成堵塞。筛选标准是不溶物含量小于0.2% 。可用微孔滤膜在一定压差下过滤聚合物溶液,然后将滤膜烘干称重,测定过滤前后滤膜的质量差来测定不溶物的含量。若不溶物含量高于筛选标准,则聚合物溶液需过滤才能注入油层。
聚合物的流变性是指其在外力作用下的流动和变形性。聚合物流变性是聚合物驱油设计的理论基础。
通过对聚合物驱油剂一般性质的研究,以求设计出更加有效的驱油剂,具有良好的热稳定性、剪切稳定性、对盐类及不同矿化度的适应性。 [2] 

聚合物驱影响因素

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由于聚合物驱主要是利用聚合物提高注入水的粘度,降低水油流度比,因此,聚合物水溶液的粘度大小,直接影响聚合物驱的效果,是聚合物驱油的主要影响因素。
(1)聚合物的结构及浓度的影响。
聚合物分子越大,聚合物相互缠绕的程度越大,聚合物溶液的粘度越大。水解度是影响聚合物溶液粘度的重要因素,一般水解的聚丙烯酰胺要比相应未水解的聚丙烯酰胺的视粘度高,这主要是由于已水解分子上的电荷能使聚合物分子的链最大限度展开,并由此提高了溶液的视粘度。
聚合物的浓度也是影响聚合物溶液粘度的一个重要因素。因为聚合物的浓度越大,被溶解在水中的聚合物分子越多,分子相互缠绕的机会明显增多,聚合物溶液的粘度增加。但这种缠绕作用同时伴随着剪切应力增加,使其具有明显的的假塑性特性,即溶液的粘度更易受剪切应力的影响。聚合物浓度较低时,溶液的粘度较低,受剪切的作用相对比较小,溶液接近于牛顿流体的特性。
(2)油藏岩石类型的影响。
降低聚合物在地层中驱油效果的一个重要因素是聚合物在岩石表面的吸附。产生吸附使溶液中聚合物的浓度下降,另外降低渗透率,增加油水的流动阻力。吸附不仅与聚合物的性质有关,还与岩石的类型及矿物组成有关。不同的岩石,在地层水中及岩石表面产生的离子也不同,有些离子与聚合物的离子相互作用,产生沉淀物质,或者进行自由基取代,使聚合物降解,聚合物溶液的粘度下降。因此,用聚合物驱油时必须考虑岩石的组成。
(3)地层水矿化度的影响。
地层水矿化度增加,聚合物在岩石表面上的吸附量越大,会使聚合物溶液的有效浓度下降,粘度降低。除此之外,矿化度增加,水中的离子与聚合物分子链上的离子之间的排斥力增大,聚合物分子伸展的能力大大降低,聚合物溶液的粘度下降。另外,矿化度的增加,使聚合物对剪切更加敏感。
(4)注入速度的影响。
聚合物溶液的粘度受剪切的影响是很大的,特别是聚丙烯酰胺。聚合物溶液的流动速度越大,即剪切速率越大,其溶液的粘度下降的越快。
(5)注入水水质的影响。
注入水的水质直接影响聚合物驱的效果。在水注入地层之前,一般必须进行必要的处理,以减小上述因素对聚合物驱油效果的影响。如在水中加入除氧剂或抗氧剂等,抑制聚合物的氧化,同时会使水中的高价阳离子还原成低价阳离子,减少聚合物的聚结、胶凝等。随着温度的增加,聚合物溶液的粘度下降很快,同时,聚合物的化学及生物降解也会加重。因此,在选择聚合物驱时,必须考虑油层温度的高低。

聚合物驱现状应用

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目前,我国的大型油田,如大庆油田、胜利油田等东部油田都已进入开发末期,产量都有不同程度的递减,而新增储量又增加越来越缓慢,并且勘探成本和难度也越来越大,因此控制含水,稳定目前原油产量,最大程度的提高最终采收率,经济合理的予以利用和开发,对整个石油工业有着举足轻重的作用,而三次采油技术是目前为止能够达到这一要求的技术,国家也十分重视三次采油技术的发展情况,在“七五”、“八五”和“九五”国家重点科技攻关项目中,既重视了室内研究,又安排了现场试验,使得我国的三次采油技术达到了世界领先水平。目前的三次采油技术中,化学驱技术占有最重要的位置,化学驱中又以聚合物驱技术最为成熟有效。聚合物驱机理就是在注入水中加入高分子聚合物,增加驱替相粘度,调整吸水剖面,增大驱替相波及体积,从而提高最终采收率。
我国油田主要分布在陆相沉积盆地,以河流三角洲沉积体系为主,储油层砂体纵横向分布和物性变化均比海相沉积复杂,油藏非均质性严重,而且原油粘度高,比较适合聚合物驱。对全国25个主力油田资料的研究表明,平均最终水驱波及系数0.693,驱油效率0.531,预测全国油田水驱采收率仅仅为34.2%,剩余石油储量百亿吨。目前这些已经投入开发的老油田,大部分已经进入高出程度、高含水期,开展新的采油技术十分必要。国内自1972年在大庆油田开展了小井距聚合物驱矿场试验以来,我国的大庆、胜利、大港、南阳、吉林、辽河和新疆等油田开展了矿场先导试验及扩大工业试验。经过“七五”、 “八五”和“九五”期间的共同努力,这一技术在我国取得了长足发展,其驱油效果和驱替动态可以较准确的应用数值模拟进行预测,聚合物已经形成系列产品,矿场试验已经取得明显效果,并形成配套技术。目前我国已经成为世界上使用聚合物驱技术规模最大,大面积增产效果最好的国家,聚合物驱技术成为我国石油持续高产稳产的重要技术措施。
在大庆油田的应用
1972年我国开始在大庆油田开始进行聚合物驱试验。大庆油田的油层特征是渗透率较高,油层温度较低(45℃),油层水的矿化度较低,基本满足聚合物驱条件。在1987年到1988年萨北地区现场试验的基础上,1990年又在中西部地区开始试验。这些试验获得了较高的经济效益,平均每吨聚合物增产原油150吨。大庆油田将聚合物驱油技术应用于整个油田,并建设生产聚丙烯酰胺工厂。大庆油田聚合物驱自1996 年投入工业化应用以来, 已经取得了显著的技术经济效果。2002年, 大庆油田聚合物驱年产油量已经突破千万吨, 大庆油田三次采油技术以其规模大、技术含量高、经济效益好, 创造了世界油田开发史上的奇迹。聚合物驱技术已成为保持大庆油田持续高产及高含水后期提高油田开发水平的重要技术支撑。
在胜利油田的应用
胜利油田从1992年开始在孤岛油田开展了注聚先导试验,1994年在孤岛和孤东油田开展了注聚扩大试验,1997年进行了工业推广应用,均得到了明显的降水增油效果。到2001年底共实施聚合物项目15个,覆盖地质储量19700万吨,注入井749口,受益井1312口,已经累计增油474.36万吨,达到了年增油131万吨的水平。同时形成了一套完善的高温高盐油藏条件下聚合物驱配套技术,主要包括室内聚合物产品筛选及配方研究技术、方案优化技术、数模跟踪预测技术、矿场实施跟踪评价技术等。
在大港油田的应用
大港油田从1986年开始对其主要油田,港西油田的一部分地层进行聚合物驱的先导试验,试验历时约两年半,增产效果比较明显。试验前产量为每天7吨,到1989年中期,每天为80吨,增产效果达到十倍以上。平均含水也有大幅度下降。试验表明,经济效益较为显著,平均1吨聚合物增产原油300吨。长远目标是把聚合物驱技术运用到整个油田。国内的其他油田也都进行了聚合物驱试验,以期望能成为
特高含水油田降水增油、增加可采储量的有效途径之一。 [3] 

聚合物驱技术不足之处

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聚合物驱技术现在存在的问题
目前聚合物驱技术已经相当成熟,但是也存在着很多问题。 [4] 
聚合物注入油层后, 在高温条件下会发生热降解和进一步水解, 破坏聚合物的稳定性, 大大降低聚合物的驱油效果. 同时地层水和注入水矿化度低有利聚合物增粘. 因为水的矿化度高, 可导致聚合物的粘度降低, 增加聚合物的注入量, 从而增加成本, 不利于聚合物驱油的应用. 因此需在抗温、抗盐研究方面加大力度, 筛选出适合的添加剂, 使驱油剂不仅有较强的增粘性, 同时也有较好的稳定性。
目前,各大油田的研究方向大都放在新型廉价质优的聚合物研究上,疏水缔合物、改性聚丙烯酰胺等。目前胜利油田地质研究院就正在做适合高温高盐高矿化度地层的新型聚合物的现场试验。相信在不久的几年,聚合物驱技术的应用范围将会越来越广。
参考资料
  • 1.    王小光. 聚驱机理及开发现状与趋势[J]. 内蒙古石油化工, 2014(1): 145-146.
  • 2.    刘平德, 张松等. 新型表面活性聚合物驱油剂[J]. 石油勘探与开发, 2012(5): 580-584.
  • 3.    刘玉章.EOR聚合物驱提高采收率技术:石油工业出版社,2006
  • 4.    宋考平, 杨二龙等. 聚合物驱提高驱油效率机理及驱油效果分析[J]. 石油学报, 2004, 25(3): 71-74.