黏弹性聚合物驱渗流机理研究进展

聚合物驱已成为国内外化学驱中提高原油采收率主要方法之一,其在大庆油田的60年开发稳产中起到重要作用,在水驱基础上提高原油采收率达到约13%.聚合物驱主要机理为改善流度比,提高注入液的波及体积,从而提高驱油效率.近几年,聚合物溶液黏弹性能够进一步扩大其在多孔介质中的微观波及面积从而提高微观驱油效率的作用机理也逐渐被人们所认识.文章从聚合物溶液黏弹特性、聚合物驱微观可视化实验、岩心驱替实验及驱油机理理论研究4个方面进行了综合分析,对比论述了国内外关于黏弹性聚合物溶液渗流机理的研究现状、实验手段及方法,给出了聚合物溶液的黏弹性产生的法向应力能够进一步对水驱后残余油产生“拉”“拽”作用,从而使其比纯黏性流体进一步提高在多孔介质内的微观波及效率及驱油效率,明确了弹性湍流是产生表观增稠的本质,对提高驱油效率产生一定的正向影响.最后针对黏弹性聚合物驱渗流机理研究面临的问题及发展方向进行总结,弹性湍流产生的条件、黏弹性对不同尺寸孔隙内不同类型原油采收率的贡献及弹性与油藏润湿性的协同影响等机理成为未来研究的挑战与方向.论文的归纳能够为黏弹性聚合物溶液机理深入研究及矿场设计优选聚合物提供重要的参考.

盲端孔道内黏弹性聚合物驱油两相渗流规律

已有的聚合物溶液单相渗流理论与实验研究均已证实聚合物的弹性特征能够扩大其在多孔介质内的波及效率。在黏弹性聚合物溶液单相渗流理论的基础上,针对黏弹性聚合物溶液、原油两相流动中弹性对两相渗流的作用机制问题,建立了黏弹性流体、牛顿流体的两相渗流控制方程,用VOF方法进行两相界面追踪,以Open FOAM为平台,运用有限体积法对控制方程组数值求解,研究了黏弹性聚合物溶液在盲端孔道内的流动规律。从饱和度分布、速度分布、驱替压差和第一法向应力差变化特征方面,揭示了黏弹性聚合物溶液的微观渗流机理。结果表明:随着松弛时间的增加,即聚合物溶液弹性的增大,两相界面向盲端内部扩展越深,驱油效率越高;当驱替时间达23. 0 s时,松弛时间为0. 100 s的聚合物溶液驱油效率,比松弛时间为0. 001、0. 010 s时分别高19. 0%、9. 2%;聚合物溶液的弹性越大,附加压降越大,其第一法向应力差也越大,在一定程度上可提高驱油效率。研究结果为油田三次采油聚合物驱油体系设计、筛选提供了重要理论支持,同时有益于丰富黏弹性聚合物溶液的驱油机理。

钻井液用黏弹性聚合物MVPP的室内合成及性能评价

疏水性聚合物是一种特殊的新型黏弹性聚合物,其水溶液的力学行为介于弹性固体和黏性液体之间。由于疏水基团的疏水作用以及静电、氢键或范德华力作用而在分子间自动产生可逆性的巨大的三维立体网状结构,致使溶液具有较强的剪切稀释性。在确定室内合成工艺条件、技术参数的基础上,对自制的黏弹性聚合物MVPP进行了室内性能评价实验,并与膨润土和国内外同类聚合物进行了性能对比。结果表明,黏弹性聚合物具有优良的综合性能:高的黏度、切力值,优良的黏弹性、抗盐抗温性、剪切稀释性、抑制性和降滤失能力;其抗温性远高于国内外同类处理剂,单剂水溶液能抗100℃高温,抗NaCl和CaCl2的饱和盐水,具有比膨润土和国内外同类处理剂更加优良的增黏提切的能力,可用其代替或部分代替膨润土,用以配制抗高温抗盐低/无固相钻井液。

不同黏弹性聚合物溶液交替注入提高采收率机理

为了对比连续注入与交替注入不同黏弹性聚合物溶液对残余油滴作用力及变形的影响,从水动力学角度探索了不同性质溶液对残余油的水动力学驱替机理,分析计算了不同流体作用下残余油滴的受力及变形,从弹性及压力梯度两方面分析了交替注入不同黏弹性聚合物溶液驱油机理。在压力梯度相同的情况下驱油时,聚合物溶液作用下残余油滴所受法向偏应力和水平应力差随着聚合物弹性的增加而增加。室内物理模拟实验结果表明:与连续注入相比,交替注入不同黏弹性聚合物溶液可以改善大孔道吸液过量及小孔道吸液不足的现象,使较多的低分子量、低浓度聚合物溶液进入低渗层,表现出高渗层分流率进一步降低,低渗层分流率进一步增大,使低渗透储集层中富集的残余油有更多机会受到黏弹性聚合物的黏滞力作用而变形,从而扩大波及体积,提高驱油效率。

黏弹性聚合物驱剩余油饱和度预测的φ函数法

基于水驱油藏剩余油饱和度分布预测的φ函数法一文思路,考虑聚合物驱时流体特性,包括聚合物黏弹性、剪切稀化、不可及孔隙体积、渗透率下降系数等因素,在建立聚合物驱等饱和度平面移动方程的基础上,分析了聚合物溶液的黏度和水相渗透率所发生的变化及其对聚合物驱φ函数的影响。利用本方法和Eclipse数值模拟软件进行对比计算,结果表明:聚驱后二者聚合物浓度分布相差不大;本方法计算所得到的含水饱和度值分布比较高,说明由聚合物弹性效应所产生的拉伸黏度在驱油过程中发挥了作用,证明该方法能够准确反映黏弹性聚合物在地层中的驱油状况。

黏弹性聚合物溶液微观波及效率分析

为进一步了解黏弹性聚合物溶液的驱油机理,提高驱油效率,对黏弹性溶液的微观波及效率进行了分析研究。首先,在雷诺数为定值条件下,计算绘制黏弹性聚合物溶液的速度等值线图、第一法向应力等值线图、第二法向应力等值线图;然后,在不同雷诺数条件下,计算绘制微观波及效率随威森伯格数的变化情况。在此基础上,根据应力场中值为0的等值线在突扩流道凸角处伸展区域的不同,对微观波及效率的变化进行解释。研究结果表明,当应力场中有利于死油区内流体流动的应力区域向突扩孔道凸角的死油区扩张时,能够使更多的流体流动起来,在速度场上就表现为速度等值线向凸角伸展,进而增加微观波及效率。

黏弹性聚合物驱油压力动态研究

试井分析方法是获得聚合物前缘移动规律的有效手段,因此本文考虑了聚合物溶液弹性及两区界面附加阻力,建立了聚合物溶液质量浓度扩散及压力传播数学模型,并采用有限差分方法获得井底压力动态响应。研究结果表明,在聚驱初期,剪切作用起主导作用,聚合物溶液黏度随距离的增加而增大。超过一定距离后,其质量浓度扩散起主导作用,表现为黏度随着距离的增加而降低。幂律指数越低,其黏度越高。弹性越大,其黏度越高,进入聚合物区径向流时间越晚。两区界面附加阻力越大,压力导数越高。两区界面位置离注入井越近,聚合物区发生径向流时间越早。研究结果为聚合物驱试井解释提供重要的理论支持。

影响高黏弹性聚合物驱油效果的地质因素的分析

喇嘛甸油田的高黏弹性聚合物驱油试验取得了明显的增油降水效果。采收率提高幅度在20%以上,总采出程度超过60%,已成为大庆油田4 000万吨稳产的重要技术之一。从砂体成因入手,结合动态数据,分析试验区不同沉积模式砂体沉积特点。总结出不同油层条件对高黏弹性聚合物驱油效果影响,为高黏弹性聚合物驱油技术推广应用时方案设计及动态分析提供依据。

黏弹性聚合物钻井液技术

以自制的性能优良的黏弹性聚合物MVPP为基础,通过优选出配套的抗温降滤失剂,开发出了系列的无黏土、低黏土和中等含量黏土黏弹性聚合物钻井液体系。该体系具有优异的抗剪切稀释性和抗温抗盐性、良好的抑制性和润滑性,无黏土和低黏土体系抗温达180℃,中等含量黏土体系抗温达200℃;150℃的页岩回收率大于90%,8 h页岩膨胀高度不大于0.8 mm;润滑系数不大于0.10,泥饼黏附系数不大于0.016;API滤失量不大于5 mL。该黏弹性聚合物钻井液技术在胜利油田、川东北和新疆区块进行了30余口井的现场试验,该技术以抗温、抗盐、高密度、无黏土和低黏土为特色,可提高机械钻速,减少钻井液滤液对油层的侵害,保护油气层,降低钻井综合成本,实现安全、快速及高效钻井。

高黏弹性聚合物流变性及驱油性能研究

优选两种高黏弹性聚合物,分别为HJ-3500、DQ-3500,与现场正在使用的Ⅱ型聚合物进行性能对比实验,并利用石英砂充填的管式模型开展了室内模拟驱油实验,结果表明高黏弹性聚合物具有良好的黏弹性能和驱油性能。

黏弹性固井封隔材料的室内研究

固井材料作为层间封隔和保护套管的主要载体,一直是固井领域研究的主要方向。利用聚合物特有的黏弹属性制备了新型固井封隔材料——DQV,将其与油井水泥配合使用就相当于给环空加上了高效、柔韧的"密封圈"。与G级原浆相比,引入DQV后环空抗窜压力可提高10倍、综合渗透率降低2个数量级,改善效果显著。同时,该材料稠化时间可调、流动度为25 cm、游离液为0、施工性能良好。在此基础上,对其现场应用方案进行了研究,对环空抗窜封隔能力的提高及固井质量的改善起到有益的借鉴作用。

化学驱实用数学模型及其应用

为了使数值模拟能更加准确地描述化学驱油的复杂机理,根据近年来化学驱油理论研究的新认识,建立了描述化学驱油过程的数学模型。模型是一个三维多组分化学驱模拟器,具有单一相对分子质量聚合物驱、多种相对分子质量聚合物驱和表面活性剂一聚合物-碱复合驱模拟功能。该模型除具备商业化模型已有的流度控制和毛管驱替机理描述功能外,还新增了如下模拟功能:提高微观驱油效率的聚合物弹性描述、多种相对分子质量聚合物的混合驱油过程描述、低表面活性剂浓度化学复合驱过程的化学剂复合协同效应的表征,聚合物弹性和毛管数对相对渗透率的影响以及化学驱油过程所发生的对流、弥散、扩散和吸附等一系列物理化学现象的描述。该模型已在大庆油田化学驱油科研和生产实践中成功应用。

柔性立管内衬层的非线性力学行为分析

由于聚合物材料的黏弹性,柔性立管内衬层易发生蠕变而"嵌入"至骨架层沟槽中,这一现象可能造成立管结构完整性缺失和骨架层撕裂等安全隐患,但现有的分析理论及有限元模型中,对材料的性质均是做了简单的线性假设,并未考虑聚合物材料的非线性黏弹性特性。基于PA11的试验测试结果,分别采用时间硬化非线性本构模型和考虑时温影响的多重积分非线性本构模型来表征材料性质,并对比两种模型与试验数据拟合情况。根据内衬层与骨架层的真实结构建立二维有限元数值模型,采用两种理论模型进行结构的非线性蠕变行为分析及对比。结果表明:非线性蠕变本构模型能够在在非稳态阶段和存在温度梯度的条件下,更加准确地预测的结构关键部位应变和应力,可为柔性立管内衬层的设计及评估提供借鉴和参考。