1.2　化學驅技術現狀及發展趨勢

1.2.1　聚合物驅技術

聚合物驅技術是化學驅中比較可行的一種提高采收率的技術。早期聚合物驅理論認為，聚合物驅只是通過增加注入水黏度，改善水油流度比，擴大注入水在油層中的波及體積來提高原油采收率。基于毛管數與驅油效率關系認為，聚合物驅不能提高驅油效率和降低殘余油飽和度。因此，有人把聚合物驅稱為改性水驅，即二次采油。國外對聚合物驅油技術作用機理認識程度不高。美國20世紀70～80年代在現場實施了很多聚合物驅油區塊，但平均采收率增幅只有4.9%（大慶油田認為提高6%～7%采收率是經濟下限），經濟效益差。我國大慶油田室內研究和礦場應用結果表明，聚合物驅是一種大幅度提高原油采收率的有效方法。聚合物驅油過程中，由于聚合物分子在多孔介質中的滯留作用，使高滲透層滲流阻力增加，注入壓力提高，擴大了平面和縱向波及體積，進而提高了原油采收率。

聚合物的種類和用途很多，驅油用聚合物主要有兩種，一種是應用較為廣泛的部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），另一種是黃原膠，二者主要應用在高礦化度溶劑水的聚合物驅。相比較而言，人們更為關注HPAM溶液的特性和應用。

聚合物溶液的流變特性和黏彈特性是聚合物溶液在多孔介質中流動性研究的基礎。關于聚合物特性的專著有很多，這些專著基本都是從高分子物理化學、結構流變學或力學性能角度研究聚合物稀溶液或熔體的性能，所得結論不能直接用于驅油用聚合物溶液。在石油工程領域，聚合物溶液的黏滯特性和流變特性研究已經開展多年，形成了比較成熟的測試方法和行業標準。這些研究都是借助實驗方法，用各種流變模型對聚合物溶液的流變特性進行描述，這些模型包括Meter、Gross、Garreau、Ellis和冪律模型，其中最簡單的、也是最便于應用的冪律模型得到了廣泛應用，這是因為盡管聚合物溶液流變曲線中存在第一和第二牛頓區，聚合物溶液驅油時，它在多孔介質中流動一般處于冪律段上。

近年來，聚合物溶液黏彈特性的研究引起了石油界的關注。對聚合物溶液黏彈性描述，可借助于多種實驗方法或分子理論。通過實驗可測定出儲能模量、損耗模量及第一法向應力差等參數，用這些參數能比較不同聚合物溶液的彈性效應，但實驗結果往往依賴于測定儀器或測定的工作制度，并且聚合物溶液在流變儀中的流動與在多孔介質中的流動有很大區別，所以將測試結果直接應用于多孔介質時存在一定困難。由Rouse、Buech和Zimm提出的分子理論認為，可以從高分子的結構特點出發來研究高分子的力學松弛過程，雖然實驗結果依賴于聚合物的結構參數，但可用于描述聚合物溶液的黏彈性效應作用機理，可嘗試用分子理論解釋聚合物溶液在多孔介質中流動時出現的一些規律。

HPAM溶液在多孔介質中流動時，當流速達到一定程度后，隨著速度的增加，表觀黏度增加，表現出黏彈特性，這一現象已被許多研究人員所證實。Moam（1978），Jones和walte（1989）認為，由于多孔介質存在收縮-發散通道，聚合物溶液通過這些通道時發生變形，產生拉伸流動，增加了流動阻力，導致表觀黏度上升。

關于多孔介質中黏彈效應的描述，已有過許多報道。Christopher（1965）通過冪律流體在充填床中的流動實驗，把Blake-kozeng方程進行修正，提出了冪律流體在多孔介質中流動時摩擦因子和雷諾數的計算方法。Marshall（1967）定義了一個用于描述黏彈性流動特征的重要參數——德博拉數（Deborah）。Haas和Durst（1982），Heemsketk（1984），Gupta和soidhar（1985），咚曼麗（1987）等人對德博拉數做了測量和計算。Chakrabarti（1991），Vorwek和Brunn（1991），張玉亮（1984）等人研究了綜合阻力系數和德博拉數的關系，發現對于HPAM溶液，在德博拉數達到臨界值后，綜合阻力系數隨德博拉數增加而急劇增加。黏彈性存在條件下的表觀黏度一般被認為由剪切黏度和彈性黏度兩部分組成。Baijial（1978）和夏惠芬（1999）認為，阻力系數和流速之間為線形關系。Masuda（1992）和Flew（1993）則認為，彈性黏度與剪切黏度之比與剪切黏度之間為指數關系，Aadnoy（1994）和Carrington（1996）給出了更為復雜的關系式。韓顯卿用升壓和降壓實驗對滯留在多孔介質中的聚合物溶液進行了研究，定義了一個黏彈效應系數，并進行了測定，提出了利用黏彈性效應調整吸水剖面的方法。蒲萬芬（2000）在不同多孔介質模型中測定了壓力突然變化時聚合物溶液的蠕變回復，并且研究了蠕變回復與驅油效率之間的關系。Southwick（1988）和Heste（1994）把高速條件下的黏彈性效應應用于井眼周圍壓降的計算，Ramjhar（1992）認為不同水解度和過濾速度下聚合物溶液的黏彈性不同，驅油效率也不同。馬廣彥（1996）和伶斯琴（2000）嘗試計算考慮黏彈性效應的油藏壓力分布。

傳統理論認為，聚合物驅不能提高驅油效率，原因是依據殘余油飽和度與毛管數的關系，聚合物引起的水相黏度增加使毛管數增加幅度有限，不足以明顯降低殘余油飽和度。近年來，王德民等人（2000）研究證實，具有黏彈性的聚合物溶液可以提高驅油效率，而且認為殘余油飽和度降低的原因來自于多孔介質中平行于流動方向的拉力，而拉力是由黏彈性效應引起的，上述現象已在微觀玻璃蝕刻模型中被觀察到。

黃延章（1990）也在微觀模型中觀察到了聚合物溶液可以提高微觀驅油效率。汪偉英（1996）測定了不同驅替速度下巖心中的驅油效率，并根據不同速度下聚合物溶液黏彈性的不同，提出了最佳驅油速度的概念。吳文祥（1996）和程杰成（2000）通過實驗研究了聚合物分子量對驅油效率的影響。

“聚合物溶液可以提高波及系數”曾被作為聚合物溶液提高驅油采收率的主要機理，理由是聚物溶液可以增加水相黏度，降低流度比。文獻中關于聚合物驅波及系數的研究主要集中于以下幾個方面。

Sorbie和blunt（1984），Allen（1988）計算了冪律流體在多孔介質中的黏性指標。Mahfoudhi（1990），王新海（1994），Saad（1995）和 Thompson（1998）對層狀非均質模型中聚合物溶液波及系數進行了數值計算，盧祥國（1995）用實驗測定了縱向非均質巖心的采收率。張玉亮（1995）在平面均質模型中用交聯聚合物進行了調剖實驗。田根林（1998）把分形理論應用于聚合物波及系數的描述。Gleasure（l990）也用聚合物溶液進行了驅油實驗。

1993年黃延章等人將核磁成像技術應用于巖心驅替過程中飽和度的測定，使實時、無損測定巖心中的波及情況成為可能，但這種方法成本太高，不能作為系統地研究黏彈性對波及系數影響的方法。

數值模擬技術已廣泛地應用于聚合物驅油的方案設計和動態調整，但在聚合物驅的軟件中只考慮了聚合物溶液黏度的作用，沒有黏彈性效應機理的描述，研究黏彈性效應下的聚合物溶液在多孔介質中的流動規律，并把所得模型加入到聚合物驅數值模擬軟件中，將使數值模擬結果更接近實際。

隨著對黏彈性聚合物驅的實驗室研究不斷取得進展，人們發現高分子量、高濃度聚合物可提高采收率高達20%以上。在提高采收率幅度上，這些研究結果與三元復合驅的結果完全相似。如果解決注入壓力過高問題，優選注聚方案，用黏彈性聚合物驅取代三元復合驅，就可以進一步挖掘聚合物驅油技術的增油潛能，大大提高油田的經濟效益。最佳注入條件及方案的優選是指針對地質條件已經確定的油層對象，優選出能夠順利注入油層，并能取得最佳技術和經濟效益的聚合物的分子量、用量（mg/L，PV數）及注入濃度等。姜言里（1993）在實驗數據的基礎上對聚合物的分子量、用量（mg/L，PV數）、注入濃度等因素與聚合物驅采收率提高值的關系做了總結說明，并對聚合物驅注入能力的影響因素和最佳注入條件的優選做了分析；韓培慧（1999）利用聚合物驅經濟模型計算了不同用量（mg/L，PV數）下的聚合物驅的經濟指標，指出了油層非均質變異系數對聚合物用量的影響；隋軍（1999）研究了大慶油田聚合物驅油的動態特征和驅油效果的影響因素，對注入速率、分子量、黏度等因素做了說明；程杰成（2000）研究了聚合物分子量對聚合物溶液黏度、阻力系數和殘余阻力系數、原油采收率及機械降解的影響，提出了聚合物分子量的優選方法；王德民（2001）對聚合物黏彈性提高驅油效率的機理做了全面的闡述，并提出了進一步提高聚合物驅采收率的主要措施。

綜上所述，采用高分子量和高濃度聚合物溶液的方法是進一步挖掘聚合物驅增油潛能、提高原油采收率的重要措施之一，目前國內尚未有公開研究報道，國外研究也僅限于低濃度、低分子量聚合物溶液。尤其重要的是，在驅油效果與二元復合驅相當的情況下，高分子量、高濃度聚合物驅的經濟合理性優于三元復合驅。因此，研究高分子量、高濃度聚合物提高采收率的方法，同時優化注入方案，并結合現場實際，把研究結果用于指導生產實踐，將會有十分重要的意義。