聚丙烯酰胺的增稠、絮凝和对流体的流变性调节的作用所具备的性能使得它在石油开采中充当了重要的角色。它广泛地被用于钻井、堵水、酸化水、压裂、洗井、完井、减阻、防垢和驱油等方面。总的来说,使用PAM是为了提高石油的开采率(EOR)。特别是许多油田已进入二次、三次开采,油藏深度一般都在100以上,有的油藏深度达700地层的非均质性以及海上油田给采油作业提出了更加苛刻的条件,深层采油和海上采油相应地也给PAM提出了新的要求,要求它耐剪力,耐高温(100℃以上直至200℃),耐Ca、Mg2离子,耐海水降解。
   自20世纪80年代以来,国外对适用于采油的PAM的基础研究和制备、应用研究以及品种开发各方面均取得了很大进展。
   美国菲利浦石油公司( Phillips Petroleum Co.)专家阿罕默德M.A.和彼得H.D.,对PAM在高温高盐矿化水中的研究结果表明:
(1)在矿化度很低(<20×106)时,无论浓度、水解度及相对分子质量大小如何PAM水溶液的浊点均在204℃以上;
(2)水矿化度超过20×106(其中Ca2+、Mg2各10×10-6),但低于800×10-6(其中Ca2、Mg2各为400×10-6)时,二价阳离子浓度稍有增加,浊点即大大降低,水解度越高,浊点降低越明显;
(3)在等摩尔水平上比较,Ca2降低浊点的作用大于Mg2,Sr2+和Ba2+;
(4)二价阳离子浓度大于等于100×10°时,水解度是决定PAM溶液浊点的关键参数;
(5)相对分子质量和浓度也影响溶液浊点,但相对于水解度而言是次要因素:；
(6)PAM水解后溶液浊点降低,水解是一平衡过程,水解平衡值随温度而不同;
(7)在温度小于75℃时,PAM在任何矿化度的水溶液中均稳定,超过75℃后,随温度升高,沉淀物形成加快,降低水的矿化度可延长稳定时间,但要求的矿化度往往低于油田水实际矿化度为适应EOR的要求,PAM除做成更高的相对分子质量外,如相对分子质量为(1000~200×10,主要开发AM与其他耐高温、耐水解单体的共聚物,如聚电解质和聚两性离子,它们被称为EOR用第二代聚合物。在使用耐高温盐水的单体方面,据报,菲利浦公司研制的AM与乙烯基吡咯烷酮(VP)共聚物,在升高温度和有二价阳离子存在时的稳定性超过PAM,AM-VP共聚物,在121℃的海水中可稳定存在较长时间,当AM与VP比例为1：1时,放置74个月无沉淀。美国菲利浦石油公司的钻井专用品公司生产了专用于北海油田（英）的牌号为HE的聚合物,可在高温高盐恶劣环境下用做驱油剂,性能优异。日本第制药(株)目前生产的ORP-F分列共8个品种是为高温油藏用的聚合物,其水解度一般为30%,其中5个品种相对分子质量为(1500-2400×10。
   在聚合物提高采收率(EOR)作业中,目前均采用水溶性聚丙烯酰胺。多年研究工作表明,聚丙烯酰胺类聚合物存在如下缺点:剪切安定性差,经泵输送时机械降解严重,耐盐性差,对矿化水尤其多价金属离子敏感,导致在盐水溶液中黏度锐减,甚至发生沉淀,耐酸及耐温性差。近20年来,国内外广泛开展了聚丙烯酰胺的改性工作。美国菲利浦石油公司开发了AMPS与丙烯酰胺的共聚物用于三次采油,大大提高了聚丙烯酰胺的耐盐和耐温性能。
此外,AMPS合成的共聚物在高浓度质子酸中稳定并具有润滑作用,可用于石油和天然气井的酸化压裂激产过程。同时,AMPS的共聚物用于压裂液的稠化剂,其性能优于目前使用的胍胶类产品,具有使用方便、黏度适宜、耐高温、高剪切率等优点。
   在提高石油采收率的三次采油方法中,用聚丙烯酰胺作驱油剂占有重要地位。聚合物的作用是调节注入水的流变性,增加驱动液的黏度,改善水驱波及效率,降低地层中水相渗透率,使水与油能匀速地向前流动。采用胶束与聚合物驱油时,先将表面活性剂与助剂配成具有超低界面张力的微乳液注入注水井中,再注聚合物溶液,最后注水。水呈柱塞流动向前推进,驱替分散在孔隙内的残余油,提高原油的采收率。用于三次采油的聚丙烯酰胺一般浓度为10%~50%、相对分子质量从几十万到千余万。我国大型油田包括大庆、胜利、辽河、大港等已进入开采中后期,采出油的综合含水率日趋提高。为稳定我国东部油田产量,采用
   三次采油技术,提高采油率,保证油田稳产势在必行。大庆油田已工业化推广应用聚丙烯酰胺驱油实验,并取得较好的增油效果。克拉玛依油田七东1区克下组试验区在水驱开发极限含水95%的情况下,通过聚合物驱综合含水下降15%,日产油增加100t,提高采出程度近4%,效果显著,预计区块最终提高采收率达8%以上。
目前,克拉玛依油藏水驱开发进入高含水期,聚合物驱、复合驱等三次采油技术作为水驱后接替技术,在油田占据了越来越重要的位置。
   “七五”、“八五”期间,我国先后开展了多次聚合物驱油提高石油采收率的先导性工业现场实验,效果良好。聚合物驱油已成为我国东部油田保持稳产的重大技术措施之一。1995年底,大庆油田从法国SNF公司引进的5×10ta聚丙烯酰胺生产装置投产,生产出相对分子质量接近1500×10的产品,使国内聚丙烯酰胺的生产能力有了大幅度提高,生产水平达到了国际先进水平,产品质量符合油田聚合物驱油的要求油田稳产期,大庆、胜利等油田在未来技术改造中将实施聚合物驱油或三元复合年需要东科牌聚丙烯酰胺十多万吨。其中大庆需大量超高相对分子质量的产品,如相对分子质量为(1700~2200)×104。作为流度控制剂要求产品具有高相对分子质量、低水不溶物、低过滤因子特性。超高相对分子质量东科聚丙烯酰胺的相对分子质量和溶解性能都要求很高。聚合物驱油是通过在注入水中加入一定量的高分子聚丙烯酰胺,来增加注入水的黏度,改善油水流度比。由于油层对聚丙烯酰胺分子的吸附、捕集作用,而降低了高、中渗透层或高、中水淹层的渗透性,增加了注入水的渗流阻力,使低渗透层或低而未水淹层的吸水量增加,扩大了注入水在油层平面上的波及范围和油层纵向上的水淹厚度,从而扩大水淹体积,将水驱时未动用的原油驱替出来,达到提高原油采收率的目的。
聚合物驱油提高石油采收率的概念和技术方法从提出到初步形成经历了约15年时间(19491964)。1964年美国开始了聚合物驱油的现场试验和工业规模的使用试验。美国国家石油与能源研究中心(NPER)认为:最终采收率ET决定于驱油效率E、波及效率E和经济因素E,ET=EXE,xE。聚合物的主要贡献是提高驱替工作液的黏度、降低油水流度比及调整渗透率剖面,通过提高波及效率而提高最终采收率。美国菲利浦石油公司对聚合物的作用作了进一步说明:①高分子使水相黏度增高,有些聚合物流经孔隙介质后尚可降低水相的相对渗透率;②降低水油流度比,水油流度比的降低可减少指进现象;③水相黏度增高和水相的相对渗透率下降使以后注入的流体可转入未波及的条带,从而提高波及系数。
   研究表明,驱油体系的驱油效率可由毛管数来确定,毛管数(N)越大,残余油饱和度越低,则驱油效率越高。而Ne的大小与油和注入流体之间界面张力(oo-w)成反比,与驱油体系的黏度(m)成正比,即=V/oo-w式中V—驱油体系的渗流速度。我们的研究结果表明,不同水解度和不同相对分子质量聚丙烯酰胺溶液均无界面活性,即聚丙烯酰胺水溶液不具有降低水/油界面张力的能力。所以聚合物驱油过程ow基本保持变,驱油体系的渗流速度也保持不变。因此控制聚丙烯酰胺溶液的黏度成为聚合物驱油能否成功的关键。聚合物溶液黏度增大,Ne增加,则聚合物驱油效率提高。
   聚丙烯酰胺是一种线型极性聚合物,溶于水后其分子的极性基团与水分子之间发生氢键缔合,使大分子链舒展,内摩擦增加,导致溶液黏度升高。较高黏度的聚合物溶液在多孔介质中渗流时,比单纯注入水具有更大的渗流阻力。当聚合物溶液进入高渗透层之后,会降低其中的水相渗透率。而对油相渗透率影响不大,如 Noron等人用相对分子质量为(3-8)x103、水解度为1%~30%的4种不同聚丙烯酰胺处理灰岩和砂岩两种岩心,结果表明,水相渗透率下降90%,而油相渗透率仅降低10%。因而聚合物溶液的注入可有效地抑制注入水沿高渗透层的指进现象,迫使注入水进入渗透率低的孔隙中导致中、低渗透层的吸水能力提高。这不仅使剖面得以调整,而且可以改善水/油流度比,扩大水驱波及体积。聚丙烯酰胺的相对分子质量越大或其浓度超高,其水溶液黏度越高,则波及能力越强,驱油效果越好。
   东科牌聚丙烯酰胺分子具有一定挠曲性和一定数量的活性基团,当溶液流经多孔介质时,由于大分子上的活性基团可能与岩石表面发生相互作用,而导致大分子在岩石表面上吸附。被吸附分子的构型取决于与固体表面相互作用的性质、吸附点的数目、大分子的链长、活的数目、位置及大分子在水中的溶解度等。当大分子的某一端基吸附于岩石表面,分子的其余部分伸展于溶液中,则形成a大分子以两个或三个活性基团吸附于固体表面上,即形成环状吸附b种;当大分子的团均与固体表面发生吸附,则整个大分子平躺在固体表面上,形成c种;若聚合物相入质量太大,在水中溶解性降低,大分子在溶液中呈球形线团状,则仅能以最小活性点吸固体表面上,从而形成d种,此种构型吸附分子保持它在溶液中的形状,吸附层的厚度乐于线团的直径,此值可以从分子的旋转半径求得;e种吸附构型的特点是分子链节的密度随距离固体表面距离而有一定分布,在固体表面上链节密度大,随着与固体表面距离增大而减小。以上都是单分子层吸附。但也有许多体系出现多分子层吸附,形成f种吸附构型。对于固聚合物在吸附为主,静电吸附为辅的过程,此时吸附构型难以用简单的图形来说明。而且聚丙烯酰胺大分子在流经孔隙介质时,还会在小孔隙入口处产生机械捕集;多孔介质孔道的不规则造成的涡流作用还将导致水力滞留,使大分子被捕集到多降孔介质的缝隙中。所有滞留在地层中的这些大分子,遇到水环境时大量水分子会围绕着具有多个亲水基团的聚合物分子,使大分子尺寸增加,支撑于孔道中,并牢牢地吸附于孔壁上阻碍水通过,从而增加水相的流动阻力,降低水的渗透率。而遇油时,大分子则会收缩,因而对油相的流动能力影响较小。在相同的含油饱和度条件下,水相相对渗透率下降的同时油相相对渗透率有所上升。而且,滞留在孔壁上的聚丙烯酰胺分子吸引水分子,在油相和孔壁之间形成聚合物水膜,可降低油相在孔道中流动时与孔壁的摩擦阻力,因而可提高油相的流动能力。在一定浓度范围内,聚合物浓度越大,滞留在地层中的大分子越多,提高油相流动的能力越强。
  “七五”期间,大庆油田和大港油田的两个现场试验均取得了成功。大庆油田工业化推广应用聚丙烯酰胺驱油实验,已取得较好增油效果,每投入1t聚丙烯酰胺可增产178.7原油。大庆油田去年消费的聚丙烯酰胺超过10×10t。我国大型油田包括大庆、胜利、辽河、大港等都已进入开采中后期,为了提高采油率,都在广泛使用这种高效的驱油剂。2010年后我国油田领域用量将超过30×10′t。研究工作表明,该项技术在我国有良好的应用前景。
  在今后高分子驱及利用高分子等化学剂的复合驱在我国将有更大的发展。复合驱油成套技术及矿场试验研究将越来越深入。通过科技攻关,减少了复合驱油的技术风险,这项技术已在部分油田逐步成为主体接替技术,为中国发展低成本的三次采油技提供了重要的技术支持。
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