1.2.2　高濃度聚合物驅技術

聚丙烯酰胺（HPAM）已在油田得到了廣泛的應用，與普通濃度聚合物溶液相比，高濃度聚合物溶液視黏度更大，具有更低流度比和更高注入壓力。一方面，在高濃度聚合物溶液注入初期階段，注入液會優先進入到流動阻力較低的高滲透層。隨著注入量增加，高滲透層有效滲透率降低，水相滲流阻力增大，高滲透層和中低滲透層之間因此產生壓力梯度。當壓力梯度增至一定值時，注入液便會克服黏滯阻力和毛細管力，繞過高滲透層，進入到中低滲透儲層，并且在高濃度聚合物溶液突破高滲透層之前，層間壓力梯度一直存在，不斷擴大注入液波及體積。此后，壓力梯度便會逐漸變小乃至消失，擴大波及體積能力受限。另一方面，由于高濃度聚合物溶液視黏度較高，而且表現出較強的抗剪切性，當它在多孔介質中流動時能顯著地改善油水流度比，有效地克服注水開發中所出現的指進和竄流現象，使注入液比較均勻地向井口推進。調整地層吸液剖面，從而使高濃度聚合物溶液充分地進入中低滲透層，擴大波及體積。并且高濃度聚合物溶液注入時機越早、用量越大，注入液擴大波及體積能力越強，增油效果就越顯著。

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的幅度有限，不足以明顯降低殘余油飽和度。近年來王德民等人的研究證實，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，而拉力是由于黏彈性效應引起的。微觀上，高濃度聚合物溶液內聚合物分子密度很大，分子鏈間的物理纏結點增多，造成鏈與鏈間的滑動現象減弱，聚合物溶液的黏彈性隨之增強。一方面，高濃度聚合物溶液流經幾何形狀復雜的油層孔隙喉道時，會誘導出二次流，產生“旋渦”。在油藏驅替流動條件下，柔性聚合物分子在應力作用下將產生形變，其彈性又會使其恢復、收縮。因此，當具有黏彈性的柔性聚合物溶液通過多孔介質時，既存在著剪切流動，也存在著拉伸流動。特別是聚合物分子在流經孔道尺寸變化處時，聚合物分子就受到拉伸而表現出彈性。這種特性使進入盲端孔隙的聚合物溶液，具有與流動方向垂直、指向連通孔道的法向力。正是在上述聚合物溶液黏彈性的作用下，才使得聚合物溶液能夠進入盲端中驅油。聚合物溶液的彈性效應可使其以“黏彈渦”的形式波及孔隙盲端深處，將其中的殘余油剝離分散成油滴或油絲，并“拉、拽”攜帶至主流區，成為可驅動原油。隨著聚合物溶液黏彈性增強，渦流區明顯擴大，對盲端和喉道中殘余油的驅替能力增強，因孔喉處的殘余油被攜帶出來，使其毛管力發生變化，從而增加了孔喉處的殘余油被驅替出來的機會，這種黏彈渦驅替效應是高濃度聚合物溶液提高微觀驅油效率的重要機理之一。另一方面，高濃度聚合物在多孔介質中流動時油水界面上同樣厚度內聚集的分子數量明顯增多，在油水界面上聚合物分子間的相互作用力增強, 聚合物在溶液和油相界面上吸附和定向排列，形成排列緊密的油水界面膜，界面黏度變大，使界面的流動性變差。而且聚合物分子間的相互纏繞使其分子聚集體回旋半徑增大，在多孔介質中流動時聚合物分子之間的運動會互相制約。因而隨著注入壓力的增高，聚合物分子產生拉伸變形，“拉、拽”帶動后面和周圍的分子運動。因此，高濃度聚合物溶液因其黏彈性能夠高效地攜帶孔隙盲端中的殘余油，從而提高微觀洗油效率。綜上所述，高濃度聚合物溶液作為驅油劑不僅可以擴大宏觀波及體積，而且可以提高微觀驅油效率，大幅度提高原油采收率。

聚合物溶液的流變性和黏彈特性是支撐聚合物驅油機理的一個非常重要的理論依據，所以對聚合物溶液的流變性和黏彈特性進行更加深入的研究，將有助于解釋和明確聚合物驅油機理。聚合物溶液在巖心多孔介質中的滲流過程可以通過流變性來體現，流變性是指在外力場作用下，物體發生的流動或形變與內摩擦力之間的關系和規律性。聚合物溶液的黏彈性是指聚合物溶液對施加的外力相應表現為黏性和彈性雙重特性。最新研究表明，聚合物溶液的黏彈性不但可以獲得更高波及系數，而且可以提高微觀驅油效率。損耗模量G″反映了聚合物溶液黏性的大小，儲存模量G′則反映了黏彈流體彈性的大小。另外一個表征流體彈性性質的重要參數是第一法向應力差N₁，定義為流動方向與速度梯度方向上應力的差值。非牛頓流體流動時所表現出的諸如爬桿現象、射流脹大現象以及懸空虹吸現象等是法向應力的直接體現。使用流變儀測定流體黏彈性的方法主要有穩態剪切和動態剪切實驗。在實驗過程中，低剪切速率條件下第一法向應力差測試由于受儀器量程限制而難以獲得準確數據。因此，通常采用一種由動態數據估計穩態數據的方法，即N₁=2G’[1+(G’/G”)2]0.7。

聚合物分子具有纏繞或環繞的大分子鏈，具有較高內部摩擦阻力阻礙流動，具有幾乎與剪切速率無關的恒定黏度，稱為零剪切黏度或本體黏度。本體黏度使聚合物在油層中存在阻力系數和殘余阻力系數，是驅替水驅未波及殘余油和簇狀殘余油的主要機理。

在驅油過程中，驅油劑與原油接觸，油水界面上形成界面分子膜。界面黏度是界面分子膜的重要性質，反映界面流動和變形阻力，作用是降低驅替速度。界面黏度越高，驅替速度降低幅度越大，其大小取決于成膜分子的排列緊密程度、成膜分子間相互作用大小和成膜分子間是否有結構形成，它對泡沫和乳狀液的穩定性、驅油體系的驅油效率存在較大影響。

聚合物溶液的許多重要性質，主要是由聚合物分子的聚集態結構和分子內部的可動性所決定。通過分子聚集體的尺寸測量和掃描電鏡觀察，直接觀察聚合物溶液中聚合物的分子形態，可判斷大分子鏈的大小和形狀，而不依賴于假設理論模型。