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聚合物驱提高采收率的技术及应用
聚合物驱提高采收率的技术及其应用
聚合物驱是一种比较有效的提高原油采收率的三次采油方法。
综述了聚合物驱技术在国内外的应用和研究进展,分析了聚合物驱的驱油机理。
介绍聚合物驱油的的方法以及在现实生产过程中的应用。
石油是重要的能源化工原料,有“工业血液”之称,随着国民经济的高速发展,要求石油工业提供越来越多的石油产品。
世界各国为了满足国民经济发展对石油产量的需求,一方面加强勘探寻找新储量,一方面努力提高已开发油田的采收率,积极进行3次采油的探索与应用。
通过注入驱油剂来开采油层的残余油为强化采油（EnhancedoilRecovery,简称EOR或ImprovedoilRecovery,简称IOR）,又称3次采油（TertiaryoilRecovery）,可使采收率提高到80%~85%。
聚合物驱就是一种比较有效的提高原油采收率的3次采油方法,它能在常规水驱开采后期,使油藏采收率再提高8%左右,相当于增加四分之一的石油可采储量。
我国对聚合物驱提高油田采收率技术极为重视，投入了大量的人力、物力进行理论技术攻关和现场试验，并取得了丰硕的成果。
特别是“七五”“八五”“九五”科技攻关及国家973项目的研究，大大促进了聚合物驱油技术的发展。
自1996年聚合物在大庆、胜利、大港等油田大规模推广应用以来，形成了1000×104t的生产规模，为国家原油产量保持稳中有升发挥了关键的作用。
以大庆油田为例，截止到2003年12月，已投入聚合物驱工业化区块27个，面积321.36km2，动用地质储量5.367×108t，投入聚合物的油水井5603口，累积注入聚合物干粉46.89×104t，累积产油6771.89×104t，累积增油2709.67×104t。
2003年，工业化聚合物驱全年产油1044.4×104t。
大庆油田聚合物驱提高采收率以其规模之大，技术含量高，居世界领先地位，创造了巨大的经济效益。
1、聚合物驱概述
聚合物驱（PolymerFlooding）是指在注入水中加入少量水溶性高分子量的聚合物,增加水相粘度,同时降低水相渗透率,改善流度比,提高原油采收率的方法。
它的机理是所有提高采收率方法中最简单的一种,即降低水相流度,改善流度比,提高波及系数。
一般来说,当油藏的非均质性较大和水驱流度比较高时,聚合物驱可以取得明显的经济效果。
2、聚合物驱提高采收率的机理
原油采收率是采出地下原油原始储量的百分数,即采出的原油量与原始地质储量的比值,它取决于驱油剂在油藏中波及体积和驱油效率。
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表现在以下几个方面:
（1）、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增加,是驱替水驱未波及残余油和簇状残余油的主要原因。
对于渗透率相近的人造岩样,分别水驱至残余油状态（含水98%）,用相同粘度的甘油、聚合物溶液分别驱替0.6PV后,继续用水驱至残余油状态,驱替过程中测量岩样两端的压差。
测定结果表明,聚合物驱时岩样两端的压差远高于甘油驱时岩样两端的压差。
这是由于聚合物溶液是粘弹性流体,不仅增加了驱替相的粘度,降低油水粘度比,而且由于聚合物在岩石中的滞留,引起了水相渗透率的下降,因而残余阻力系数>,l使油水流度比进一步降低。
而甘油是粘性流体,只能通过增加水相粘度,使油水流度比下降。
所以,尽管两者的粘度相同,但驱油效率却不同。
而且聚合物驱对甘油驱替不出来的细喉道中的残余油,也有一定的驱替效果。
由此可见,聚合物溶液不仅有粘性作用,而且还有部分弹性作用。
（2）、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、孤状残余油的主要机理。
由于聚合物溶液与残余油之间的界面粘度远远高于注入水与残余油间的界面粘度值,聚合物溶液粘度的增加,是由于聚合物分子中含有许多亲水基团,这些亲水基团在聚合物分子外形成的“水鞘”,增加了相对移动的内摩擦力。
同时,上述基团在水中解离,产生许多带电极性相同的链节,这些链节互相排斥,使聚合物分子线团在水中更加伸展,因而有更好的增粘能力。
因此,聚合物溶液在多孔介质内的渗流过程中,其粘度值要比用粘度计测量的视粘度高许多倍。
综上所述,聚合物溶液作用在残余油表面的粘力远远大于水在其上的粘滞力,因此,聚合物能够部分孤岛状残余油和膜状残余油驱走。
（3）、聚合物的粘弹性同样对提高驱油效率有很大帮助。
柔性聚合物分子在应力作用下将产生形变,其弹性又会使其恢复、收缩。
因此,当具有粘弹性的柔性聚合物溶液通过多孔介质时,既存在着剪切流动,也存在着拉伸流动。
特别是聚合物分子在流经孔道尺寸变化处时,聚合物分子就受到拉伸而表现出弹性。
这种特性使进入盲端孔隙的聚合物溶液,具有与流动方向垂直、指向连通孔道的法向力。
正是在上述聚合物溶液粘弹性的作用下,才使得聚合物溶液能够进入盲端中驱油。
由此可见,聚合物驱油技术,既能扩大波及系数,也能提高驱油效率,在开采特高含水油层中能很好的形成油墙,大幅度增加产油量,提高原油采收率。
3、常见驱油聚合物
[1]、聚丙烯酰胺
聚丙烯酰胺是丙烯酰胺（简称AM）及其衍生物的均聚物和共聚物的统称，工业上凡含有50﹪以上的AM单体的聚合物都泛称为聚丙烯酰胺。
聚丙烯酰胺是一种线型水溶性高分子化合物，相对分子质量高（105~107），水溶性好，是水溶性高分子化合物中应用最为广泛的品种之一。
1893年有Mourell用丙烯酰氯与氨在低温下反应制得，1954年首先在美国实现商业化生产，用于铀矿工业，从铀盐水溶液中除去微小杂质。
20世纪60年代初开始生产聚丙烯酰胺，主要用于净化电解用的食盐水，当时生产规模很小，直到1979年，由于石油开采工业的需要，其产量才大幅度增长，在石油开采的钻井、固井、完井、修井、压裂、酸化、注水、堵水调剖、三次采油作业过程中，都要用到聚丙烯酰胺，特别是钻井、堵水调剖、三次采油领域应用更为广泛。
[2]、黄胞胶
黄胞胶是一种由假黄单孢菌属发酵产生的单孢多糖，是一种性能优良的水溶性多功能生物高分子聚合物。
相对分子质量一般在（200~600）×104。
1940年美国农业部研究院北部地区研究中心开始从事对黄胞胶的研究，1959年开发成功。
1960年首先由美国Merck和Kelco分部进行小规模生产，1961年正式商业化生产，是微生物多糖中用途最广，最先生产的品种。
黄胞胶自1961年由美国Kelco公司投入工业化生产以来发展迅速。
黄胞胶的溶胶分子能形成超结合带状的螺旋共聚体，构成脆弱的、类似胶的网状结构，以致能支持固体颗粒，液滴和气泡的形态，具有良好的曾粘性、假塑性、颗粒稳定性。
对人、畜均无毒，可以食用，被广泛用于食品、医药、石油开采、陶瓷、印染、造纸、轻纺、水处理、选矿以及炸药等20多个行业中，作为稳定剂、增稠剂、乳化剂、悬浮剂和絮凝剂等。
在石油开采行业中，黄胞胶用于钻井液，对防止井喷等有明显的作用，其应用被称为20世纪70年代钻井液技术的最新成就之一，黄胞胶还可用于完井、修井、压裂液、堵水调剖和三次采油。
河南、华北、大港油田采用黄胞胶进行用于完井调剖作业，发现初期效果很好，但是黄胞胶的弹性差，残余阻力系数小，驱油效果比聚丙烯酰胺效果差，更容易产生生物降解作用，因此，目前堵水调剖剂和三次采油基本上都使用聚丙烯酰胺。
黄胞胶的应用也在发展中，为了提高黄胞胶的生物稳定性，可以采用甲基化的方法，为了提高其耐温、耐盐能力，可以采用控制乙酰化和丙酮酰化的方法。
[3]、梳型抗盐聚合物
梳型抗盐聚合物是一种改性的聚丙烯酰胺，由于增粘性能与普通聚丙烯酰胺相比发生了质的变化，已经称为油田三次采油新一代的高效驱油剂。
为了解决普通聚丙烯酰胺抗盐性能差的问题，1999年中国石油勘探开发研究院采油工程研究所首先提出了三次采油用梳型聚合物分子设计思路，根据这一思路，通过丙烯酰胺与新型功能单体AHPE的共聚得到梳型抗盐聚合物，梳型抗盐聚合物由于在聚丙烯酰胺分子链中插入AHPE单体，高分子的侧链同时带亲油集团和亲水集团，通过亲油集团和亲水集团的相互排斥及亲水集团之间的相互排斥，高分子链在水溶液中排列成梳子形状，聚合物在盐水中的分子内和分子间卷曲减少，增稠盐水的能力提高了50﹪以上。
[4]、疏水缔合聚合物
4、聚合物驱油藏工程的方法
[1]、聚合物的注入时机
所谓的注入时机就是指油田的综合含水是多少时，实施聚合物驱的效果最佳，一般认为，聚合物驱是一种改善水驱的方法，它只起到缩短油田开发年限的作用，节约注水和产出水，因此，聚合物的注入时机，（以油藏综合含水率为指标）与增加采收率的幅度无关，只是含水低时注聚合物节约的注水量多，而进入高含水时再注聚合物，节约的注水量少。
但室内物理模拟研究结果表明，虽然聚合物的用量不同，但转注聚合物时含水越高，聚合物驱提高采收率越低，而转注聚合物时含水较低时，聚合物驱最终采收率也较高。
矿场试验结果表明也认为，聚合物的注入时机对增加采收率的幅度有明显的影响，根据国外从1964年到1981年期间所进行的185个矿场试验，其中有29个试验提供了聚合物驱有价值的资料，由于聚合物驱开始的时间不同而其成功的比例有很大的差异，在接近一次采油末期便开始的16个试验中，有12个或得成功；在二次采油阶段期间开始的7个试矿场试验结果表明聚合物的注入时机对提高采收率的幅度有明显的影响。
[2]、聚合物驱的层系划分
聚合物驱改善了油层纵向非均质性，调整了油水层剖面，扩大了波及体积，提高了原油采收率。
对于正韵律沉积的油层，注水开发中，由于重力作用的影响，使注入水在砂体内下部层段窜流，导致波及及体积难以达到较高值，在聚合物驱情况下，由于水相具有较高的粘度，使得由重力引起的层段窜流量减少，减少了重力的影响从而起到增大波及厚度的作用，这一情况已被大量的聚合物驱矿场试验所证实。
主要表现在：
油井产出水矿化度发生明显变化，而且增产的油量随注水井的渗透力变异系数（变化范围在0.5~0.8之间）的增大而增加。
油藏注水开发和聚合物驱的对比表明，聚合物驱对油层内调剖作用是显著的。
同样，聚合物也可以大大改善层间的非均质性。
聚合物驱矿场实施的吸水剖面和取心井资料表明，不同渗透率的油层间吸水量比例发生了明显的变化，高低渗透层间吸水量差异大大缩小，油层水淹厚度明显增加。
综上所述，在多油层砂岩油藏进行聚合物驱的过程中，层间矛盾和层内矛盾不像水驱那样突出，相反，这些矛盾大都得到了缓解。
数值模拟的研究结果表明，在油层物性和流体性质及注入聚合物段塞浓度一定的条件下，聚合物增加采收率的幅度与油层厚度有关，当厚度超过10m后，其增加采收率的幅度明显变小，多层注聚合物能充分发挥聚合物溶液的调剖作用，改善层间运动状况，效果好于单层注聚合物。
在特高含水期多层优越性更明显。
虽然聚合物驱能够改善层间、层内非均质，但是在渗透率差别较大时，特别是存在较高渗透率条带的情况下，驱替和窜流的现象是严重的，在精细油藏描述的基础上，应重点对水驱后油层物性变化进行研究，特别是大孔道的分布及窜流程度，并采取相应措施。
在目前已进行的聚合物驱项目中，主要采取了分层注采、注入调剖剂、油井防窜等措施，取得了较好的效果。
[3]、聚合物驱合理的井网井距
井网、井距的选择主要是由聚合物驱本身的特点决定的，同水驱不同，聚合物驱对井网、井距的选择首先应考虑聚合物在地下高温、高矿化度的多孔介质中的稳定性；并且与水驱相比，驱替粘度升高，在多孔介质中的渗流速度较慢，注入水压力较高，因此在一定的注入速度下，注入压力不能超过油层破裂压力，同时还应考虑应用目前水驱开发的井网、井距，充分发挥聚合物驱的优势。
不同的井距条件下注聚合物都会有较好的增油降水下过。
在油田进行聚合物驱时，对井距的选择必须考虑两个因素：
一是注入压力，即注入时达到配注要求是的注入压力与油层破裂之间的余压。
由于聚合物溶液粘度高，有时可能比注入水粘度高50倍以上，因此注入聚合物后，会使油层的渗流阻力显著增加，造成注入比下降。
儿时在地层中的热稳定性和化学稳定性的时间长短。
若聚合物稳定性差，注采井距越大，注入速度越低，聚合物在油层中停留的时间就越长，聚合物溶液的粘度下降就越大，聚合物驱油效果就越差。
[4]、聚合物相对分子质量的优选
由于聚合物分子的纤维特性，加上它的延伸和缠绕能力，使得分子质量称为其性能的重要影响因素，相对分子质量越大，分子间的作用越强，增强粘度就越好。
当然相对分子质量过大，对油层的注入带来困难；相对分子质量太小，聚合物的增粘效果又会大大降低。
因此，进行聚合物矿场设计时，必须事先研究聚合物相对分子质量与油层渗透率的匹配关系。
室内研究表明，在相同的剪切速率下，随谈聚合物相对分子质量越大，其溶液通过射孔炮眼剪切将粘损失越大，但其保留粘度值仍比低相对分子质量的高。
另外，由于相同浓度下，高相对分子质量聚合物的增粘效果好于低相对分子质量聚合物。
因此，要达到相同的驱油效果所需要的聚合物的量，高分子质量聚合物要少于低相对分子质量聚合物。
综上所述，在注入能力允许的情况下，只要聚合物相对分子质量与油层渗透率匹配，就应采用高相对分子质量聚合物。
5、聚合物驱油藏适应性评价
聚合物驱是比较复杂的系统之一程，只有在影响聚合物效果的各种油藏条件处于合理的范困内，才能取得理想的聚合物驱效果。
我国东部的大部分油田，包括胜利、辽河、大港等环渤海油区油田均属于陆相沉积油藏且油稠，这类油藏油层渗透率较高，非均质比较严重，原油粘度较高，注水开发采收率不高，给聚合物驱提高采收率技术留下较大的潜力空间。
陆相沉积稠油油藏实施聚合物驱，除了要求性能较好且与油层物性相匹配的聚合物外，主要取决于实施聚合物驱的油藏地质和开发条件。
[1]、聚合物驱筛选油藏的标准
对于非均值比较严重、原油粘度较高、注水开发效果较差的油藏，采用聚合物驱油技术可以获得较好的效果。
由于受聚合物产品的性能、油藏条件和经济效益等的限制，不是所有的油藏都能够采用聚合物驱。
根据国内外聚合物驱成功和不成功的区块油藏数据可以得到聚合物应用油藏相关条件的范围。
根据文献统计美国61个区块聚合物驱的应用情况，分析成功及不成功的实例，其油藏和流体性质等差别较大。
基于室内研究和现场实施结果，总结了聚合物驱油藏一般筛选标准。
可以初步确定具体油藏可否实施聚合物驱。
[2]、聚合物驱油藏筛选因素分析
1）油藏类型
聚合物驱适用的油藏类型为陆相沉积的砂岩油藏，砂体发育连片，不含泥岩或含量非常少，这样可防止聚合物的过多吸附而影响驱油效果；对于具有气顶的油藏，或者地层具有裂缝的油层不能应用聚合物驱，因为注入的聚合物会充填到气顶中，或者沿着裂缝前进造成聚合物绕流，而不能在多孔介质的孔隙中流动降低流体的流度。
聚合物驱油矿场资料表明,储层被断层切割的复杂程度对驱替效果的影响很大,储层被切割得越零碎,水动力学的连通性越差,也越容易形成有注无采的区域,注聚压力上升快,注水波及体积低。
近年来随着调剖技术的发展，有高渗透大孔道或微小裂缝的油藏也可以应用聚合物驱油技术。
2）油层渗透率
油层渗透率及其分布是聚合物驱能否成功的重要因素。
李斌会、杨清彦等[[56]通过对室内岩心驱油试验结果的分析，提出随着岩心渗透率的增加，聚合物溶液进入岩石孔隙后的阻力系数和残余阻力系数相对变小，聚合物溶液的有效粘度就越高，驱出的残余油量就越多，因此最终采出程度就越大。
其原因有两个，一方面是聚合物溶液在流经岩心孔隙时，在岩心孔隙会发生一定程度的吸附和滞留，从而增大了流体在岩心孔隙中的流动阻力，由于低渗岩心内部孔隙半径较小，孔隙喉道的迂曲度高，导致其聚合物相相对渗透率下降幅度大于高渗岩心；另一方面是与低渗岩心相比，聚合物溶液在流经高渗岩心时，能更多的进入到岩心孔隙中，并且聚合物溶液有较高的有效粘度，可以更好的控制水油流度比，因此，相对十低渗岩心，聚合物驱相更能降低高渗岩心的残余油饱和度。
而且对于渗透率较低的油层进行聚合物驱，一方面由于注入能力低，注入压力上升较多，延长了注入周期；另一方面井筒附近注入的聚合物溶液渗流速度快，会造成聚合物严重的剪切降解，从而减小其粘度。
3）渗透率变异系数
渗透率变异系数表示油层的非均质程度，是影响聚合物驱采收率的重要参数之一,也是决定一个油层是否适合聚合物驱的重要指标。
渗透率变异系数较小的油层（如海相沉积），一般油层比较均匀，水驱开发效果好，聚合物驱提高采收率幅度低。
陆相沉积的油田一般油层非均质性比较严重，水驱开发效果差。
地层渗透率变异系数增加，增油效果变好，但变异系数超过一定值，聚合物驱这种改善注入剖面的作用显得有限，油层的窜聚现象加剧，提高采收率反而会降低。
室内试验资料表明,非均质变异系数Vk=0.172的油层对聚合物驱油最有利[1],在这样的油层条件下,不仅聚合物的用量可以成倍地减少,而且所能获得的技术经济效果反而成倍增加。
4）贼层的影响
油层中可能存在局部的特高渗透率薄夹层,也可能在长期注水过程中因注入水的冲刷作用而使得原来渗透率很高的油层渗透率变得越来越高,也可能在高压注水时造成油层中产生延伸距离很大的裂缝,形成大孔道,称为“贼”层。
显然,贼层的存在必然会影响聚合物驱油效果。
因为,在有贼层存在的条件下,贼层对聚合物的吸入量很大,不仅会减少聚合物的纵向波及效率,而且会减少聚合物的面积波及效率，从而导致与该注聚井连通的采油井聚合物驱油效果严重降低,甚至根本不见效。
吸附除与聚合物溶液的性质有关外，还与岩石的类型及矿物组成有关。
不同类型的岩石产生的离子就不同，部分离子可与聚合物溶液中的离子相互作用，产生沉淀或者进行自由基取代，使聚合物降解，导致聚合物溶液的粘度下降，驱油效率降低。
因此，选用聚合物驱油时必须考虑岩石的类型和矿物组成。
5）地层原油粘度
聚合物驱油的基本理论是降低水油流度比、增加原油流动度,从而扩大波及体积,提高采收率,数值模拟结果表明,聚合物溶液地下粘度与地层中原油粘度比值越大,聚合物驱提高采收率幅度也就越高。
原有的粘度在很大程度上决定了聚合物驱是否可行。
通常认为,聚合物驱理想的原油粘度在2～40mPa·s的范围内,最大不超过80mPa·s,是保证项目成功的重要条件。
世界上已开展的聚合物驱项目大多在此范围内,更高粘度（高于100mPa·s）油藏条件下的成功矿场试验其他油田未见报道。
但有少数文献研究了高粘度条件下聚合物驱的机理,并论述了其应用可行性。
而原油粘度太高，不仅增加驱动能量的消耗,而且使水相流度降低幅度大,驱替过程中也易形成聚合物溶液突进且形成簇状、柱状或孤岛状形态残余油而滞留在孔隙介质中,且需要更高的聚合物溶液浓度和更多的聚合物，这对于油层的注入能力及经济效益均有影响。
6）油层温度
油藏温度是影响聚合物溶液粘度的重要因素，聚合物溶液具有较强的温敏性随着油藏温度的升高，聚合物的分子和链节为了维持最小能量状态，水解的程度增大，分子的链节变得蜷曲，使得聚合物溶液的粘性和弹性都随之下降，聚合物扩大波及系数和提高洗油效率的能力也就下降，最终导致聚合物驱采收率减小。
另外，如果油藏的温度较高，聚合物溶液就会产生絮凝物，有可能伤害油层。
最适于聚合物驱的油藏温度为45~70℃。
温度还会对聚合物驱所需的其他化学添加剂，如杀菌剂、除氧剂等产生影响。
油层温度太低对聚合物驱也有不利的影响。
因为在这样的温度下细菌的活动通常会加剧。
7）地层水矿化度
油藏地层水的矿化度高低，是能否适合聚合物驱油的重要条件之一。
因为聚丙烯酰胺类聚合物本身具有盐敏性，地层水矿化度越高，聚合物溶液的粘度就越低，通过岩石孔隙后形成的阻力系数和残余阻力系数就越低，从而对聚合物驱效果产生不利影响。
原因是聚丙烯酞胺是阴离子型聚合物，在淡水中时，由于聚合物分子链上电荷的排斥作用，使得聚合物的分子链伸展，形成的空间网状结构直径较大，因而聚合物的粘度就较高。
随着水矿化度的增大，水中金属阳离子的数量增多，由于电荷的屏蔽作用或扩散双电层的压缩作用，导致聚合物分子链变得蜷曲，相互缠绕的机会降低，造成聚合物溶液的粘度降低，粘度降低又造成聚合物溶液在油层中的阻力系数和残余阻力系数变低，影响聚合物驱的最终采收率。
8）储层敏感性
储层因水敏、速敏、酸敏、碱敏、盐敏等因素导致储层渗透率的下降,从而降低聚合物的驱替效果,因此储层的敏感性评价指标越弱越好。
从以上分析可以看出，聚合物驱适用的油藏条件与聚合物产品本身的性能息息相关。
随着科学技术的不断发展，生产工艺的不断进步，如果能生产出耐温、耐盐性好，且价格较低的新型聚合物，其适用的油藏条件还可以放宽。
同时，聚合物驱对油藏条件有很强的针对性，决定了油藏描述要更深入细致。
因此，对实施三次采油的油田、区块、层系都要利用水淹层密闭取心技术、水淹层内及薄层精细测井系列与解释技术、井间岩性和物性变化预测技术、示踪剂测试技术以及室内微观物理模拟技术等，神话油藏认识，掌握长期注水后油性、物性、孔隙结构、矿物组成的变化、粘土的分布状态、水窜通道的分布及其对开采的影响；掌握流体性质的组分、离子含量以及控制剩余油分布的主要因素等，以降低项目的风险。
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