目錄TOC\o"1-3"\h\u161951緒論 177861.1國內(nèi)外研究概況和發(fā)展趨勢 1230731.2聚合物驅(qū)油的方法原理 266301.2.1聚合物驅(qū)提高采收率的作用原理 2180601.2.2聚合物驅(qū)油機理研究 3283341.3驅(qū)油用聚合物的分類 6220721.3.1聚丙烯酰胺(HPAM) 63111.3.2黃原膠 659131.3.3疏水締合聚合物 776231.3.4兩性聚合物 7189261.3.5梳形聚合物 8310572聚合物微觀滲流機理的研究 9128782.1聚合物溶液與原油界面流變性的實驗 9189032.1.1儀器及測量原理 9132922.1.2化學試劑及材料 10151202.1.3實驗步驟 1038832.1.4測試方法與數(shù)據(jù)處理 10269312.1.5結(jié)果與討論 10243872.2核磁共振研究聚合物微球調(diào)驅(qū)微觀滲流機理 1169222.2.1核磁共振測試原理 11200922.2.2水驅(qū)油實驗 12321962.2.3滲吸實驗 13228562.3壓汞法研究儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征對滲流的影響 14307412.3.1儲集層基本特征 14325912.3.2實驗原理 1460612.3.3實驗結(jié)果與分析 14311382.3.4結(jié)束語 15294502.4X-CT掃描成像法研究油水滲流機理 1519632.4.1原理 15274372.4.2實驗及結(jié)果討論 16124492.4.3結(jié)論 19214482.5低溫氮氣吸附法測定空隙分布 1914072.5.1實驗樣品與測試條件 19321992.5.2頁巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征 2040502.5粘彈性聚合物溶液在擴張一收縮孔道中的滲流特征研究 22162512.5.1物理模型 22153212.5.2數(shù)學模型 22119372.5.3數(shù)值結(jié)果 23165923聚合物驅(qū)油藏滲流數(shù)學模型的發(fā)展 2792463.1單相聚合物滲流數(shù)學模型 27246643.2聚合物溶液與油相滲流數(shù)學模型 2977233.2.1基本假設 29241563.2.2質(zhì)量守恒方程 29320623.2.3輔助方程 30237803.2.4定解條件 30145923.3聚合物模擬軟件介紹 31255204聚合物驅(qū)試井解釋模型的發(fā)展與應用 34220174.1聚合物試井解釋模型 34229404.1.1解釋參數(shù)模型[23] 34271534.1.2單層均質(zhì)油藏聚合物驅(qū)試井解釋模型 3697454.1.3雙區(qū)復合油藏聚合物驅(qū)試井解釋模型 37113684.1.4雙層油藏聚合物驅(qū)試井解釋模型 4089764.6試井解釋實例 42143365總結(jié) 453236致謝 466609參考文獻 47摘要本文在國內(nèi)外有關聚合物驅(qū)微觀滲流理論和聚合物試井原理等論文的基礎上，系統(tǒng)的了解和研究了聚合物驅(qū)油的發(fā)展、方法、原理、驅(qū)油機理，同時結(jié)合部分具體的聚合物驅(qū)實驗、不同類型的微觀滲流數(shù)學模型，充分認識了聚合物對提高采收率的意義，同時，本文也調(diào)研了聚合物試井的理論模型與方法，對聚合物試井理論也有了一定的認識。聚合物是通過改變油水的粘度比，來調(diào)節(jié)水驅(qū)的波及面積和區(qū)有效率，不同的聚合物有很多不同的優(yōu)點，它們可以通過吸附、捕集的方式進入細小孔隙，同時又能依靠自身高分子、高粘度、具有較大伸展體積的的特點來堵塞高滲透率的通道，達到調(diào)剖的目的，從而提高原油采收率。同時，本文也調(diào)研了聚合物滲流機理的實驗手段，例如：核磁共振法、壓汞法、X-CT掃描成像法以及低溫氮氣吸附法。它們是不同的實驗方法來研究聚合物的微觀滲流機理，但是，卻使聚合物的滲流特征更加清晰的表現(xiàn)出來，文中通過幾個具體的實例來分析這幾個實驗方法的操作步驟，所需條件，得到的結(jié)論。接著筆者也分析了不同聚合物的滲流數(shù)學模型，了解了滲流數(shù)學模型建立的基本方法和步驟，同時對不同的滲流數(shù)學進行分析，研究了它們建立的條件，適用的油藏，以及不同的影響因素下滲流數(shù)學模型如何變化，以及參數(shù)模型對環(huán)境的適應性等。最后，文章介紹了在不同的條件下聚合物的試井數(shù)學模型，其中包括粘度模型、滲透率下降模型、不可及空隙體積對滲透率下降參數(shù)的影響以及單層均質(zhì)油藏聚合物驅(qū)試井模型、雙區(qū)竄流油藏聚合物驅(qū)試井模型，本通過無因次壓力和無因次壓力的導數(shù)來分析模型的具體情況。關鍵詞：聚合物；滲流機理；數(shù)學模型；試井模型AbstractBasedonthetheoryofmicro-percolationofpolymerfloodingandtheprincipleofpolymertestandsoon,thispapersystematicallystudiedandstudiedthedevelopment,method,principleandoildisplacementmechanismofpolymerflooding,andcombinedwithsomespecificpolymerizationInthispaper,thetheoreticalmodelandmethodofpolymerwelltestingarealsostudied,andthetheoryofpolymerwelltestisalsodiscussedinthispaper.Theknowledge.Polymershaveanumberofdifferentadvantagesbychangingtheratioofwaterandwatertochangetheareaofthewaterfloodandtheefficiencyofthezone.Differentpolymershavedifferentadvantagesthroughadsorptionandtrapping,andatthesametimetheycanrelyontheirownPolymer,highviscosity,withalargestretchofthecharacteristicsofthecharacteristicstoplugthehighpermeabilityofthechannel,toachievethepurposeofprofilecontrol,therebyenhancingoilrecovery.Atthesametime,thispaperalsoinvestigatesthemechanismofpolymerseepagemechanism,suchasnuclearmagneticresonance,mercuryintrusion,X-CTscanningimagingandlowtemperaturenitrogenadsorption.Theyaredifferentexperimentalmethodstostudythemicro-flowmechanismofthepolymer,butitmakesthepolymerseepagecharacteristicsmoreclearlydemonstrated,thetextthroughseveralspecificexamplestoanalyzetheoperationoftheseexperimentalmethods,therequiredCondition,theconclusion.Then,theauthoralsoanalyzestheseepagemathematicalmodelofdifferentpolymers,andunderstandthebasicmethodsandstepsoftheseepagemathematicalmodel.Atthesametime,thedifferentseepagemathsareanalyzedandtheconditionsoftheirestablishment,thereservoirsandthedifferentimpactsHowthemathematicalmodelofseepageflowchanges,andtheadaptabilityoftheparametermodeltotheenvironment.Finally,thearticleintroducesthemathematicalmodelofthetestofthepolymerunderdifferentconditions,includingtheviscositymodel,thepermeabilityreductionmodel,theinfluenceofthevoidvolumeonthepermeabilitydecreaseparameter,andthesinglelayerhomogeneousreservoirpolymerfloodingWellmodel,doublezonechannelingreservoirpolymerfloodingwelltestmodel,thisthroughthedimensionlesspressureanddimensionlesspressurederivativetoanalyzethespecificsituationofthemodel.Keywords:polymer;seepagemechanism;mathematicalmodel;welltestmodel緒論石油是當今社會最重要的一種不可再生資源之一。保證石油的充足供給對于工業(yè)生產(chǎn)的正常運行，以及經(jīng)濟的發(fā)展，乃至國家的安全保障都有著十分重要的戰(zhàn)略地位。隨著近年來油氣消費需求量的迅速提高，國內(nèi)石油供給的份額越來越低。提高采油田油氣采收率對于緩解我國石油壓力至關重要。油層采油過程分為三個階段，一次采油是采油的初始階段，主要靠天然壓力出油，這一過程的采收率一般低于30%；目前發(fā)達國家的采油主要靠二次采油，二次采油是靠注水、注氣等方式，采用水驅(qū)提高采收效果，但采收率依然低于50%；三次采油又稱強化采油(EOR)，常用的方式如采用高壓蒸汽驅(qū)油，利用CO2,N2驅(qū)油，表面活性劑驅(qū)油，微生物驅(qū)油等。其中聚合物驅(qū)油可使采收率提高到80%左右，效果優(yōu)異，目前我國大慶、勝利等油田材處于開采中后期，采出油含水率高，為了提高采收率，我國在油田開采過程中多使用FOR技術，以聚合物驅(qū)油最為廣泛。大慶油田經(jīng)過43年的勘探開發(fā)，建成了中國最大的企業(yè)和石油基地，2002年原油產(chǎn)量繼續(xù)保持在5000萬噸以上水平，已連續(xù)穩(wěn)產(chǎn)了27年，為國民經(jīng)濟的發(fā)展做出了巨大的貢獻。在這一過程中，新理論的發(fā)展和創(chuàng)新技術的進步起了決定性的作用。因此，為確保大慶油田的可持續(xù)發(fā)展，迫切需要發(fā)展新理論，搞好具有戰(zhàn)略意義的技術創(chuàng)新。聚合物驅(qū)油技術已經(jīng)在大慶油田大面積推廣應用，成為油田可持續(xù)發(fā)展的重要措施。聚合物驅(qū)油礦場試驗和推廣應用表明：目前聚合物驅(qū)提高采收率只有12%OOIP左右。三元復合驅(qū)提高采收率可達到20%OOIP左右[1]，但該技術復雜、投資大、成本高，而且目前技術尚未成熟。多個項目組最近的研究結(jié)果表明，使用黃原膠的采收率隨質(zhì)量濃度的增加而增大，但是采收率增大10%左右時，質(zhì)量濃度的增加不能使采收率增加，而使用聚丙烯酰胺的采收率增大10%時，繼續(xù)增加質(zhì)量濃度，采收率仍繼續(xù)增加，這主要是聚丙烯酰胺的粘彈性起的作用。因此，利用聚丙烯酰胺的粘彈性可以使聚合物驅(qū)采收率在水驅(qū)基礎上提高20%OOIP。本文研究的主要目的是探索一種新的提高非均質(zhì)嚴重、高滲透的油藏原油采收率方法，該方法可以大幅度提高原油采收率。新方法的研究成功，對更有效、更經(jīng)濟地開發(fā)和利用石油礦產(chǎn)資源，保持油田高水平、高效益、持續(xù)性發(fā)展，具有重要的戰(zhàn)略意義。本文的研究是對聚合物驅(qū)傳統(tǒng)理論的一種挑戰(zhàn)，具有重要的學術價值。1.1國內(nèi)外研究概況和發(fā)展趨勢石油是一種不可再生的資源，更是國家經(jīng)濟發(fā)展的重要經(jīng)濟命脈。但隨著油田的開采，尤其是高含水開采階段，無論是經(jīng)濟指標，還是技術指標，都將變差。油井含水增加，產(chǎn)量下降，基本建設投資增加，成本增大。如何經(jīng)濟有效地開采水驅(qū)開發(fā)后殘留在地層中60-70%的剩余油，已成為世界各國油藏工程專家努力攻關的課題。早在60-70年代，許多國家的石油工作者就著手對聚合物驅(qū)油技術進行大量的研究。建立了一些聚合物驅(qū)在室內(nèi)評價及篩選方法，開展了一些礦場試驗。但統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，一般聚合物僅比水驅(qū)提高采收率2-5%OOIP，經(jīng)濟效益也不好。同時，大部分文獻認為聚合物驅(qū)后，毛管數(shù)只能增加數(shù)十倍，小于啟動殘余油所需的提高值，因而只能提高波及體積，不能提高驅(qū)油效率。這些都直接影響到聚合物驅(qū)油技術的工業(yè)化生產(chǎn)應用。大量的實驗研究證實，聚合物溶液的勃彈性不僅影響到其在多孔介質(zhì)中的傳播性能，而且直接與聚合物溶液的驅(qū)油效率有關。黃延章等(1990)在微觀驅(qū)油實驗中觀察到了聚合物溶液驅(qū)替殘余油的現(xiàn)象。王德民(2000)通過比較水、甘油、聚丙烯酰胺溶液在T型流道中的驅(qū)替現(xiàn)象和結(jié)果，指出勃彈性聚合物溶液能夠提高微觀驅(qū)油效率，并通過對室內(nèi)巖心驅(qū)替實驗、微觀驅(qū)油實驗結(jié)果和油田生產(chǎn)數(shù)據(jù)的綜合分析認為，勃彈性聚合物溶液通過在孔隙內(nèi)的拉伸攜帶作用可在一定程度上驅(qū)替油藏孔隙表面的油膜、盲端及孔喉殘余油。夏惠芬等(2002)通過微觀滲流模型實驗和巖心驅(qū)替實驗，進一步指出聚合物溶液提高微觀驅(qū)油效率主要是由聚合物溶液的勃彈性效應所致。在理論研究方面，岳湘安等(2000)以勃彈性聚合物溶液驅(qū)替盲端類的殘余油為主題，采用有限差分數(shù)值方法開展了大量研究，分析了隨著聚合物溶液勃彈性的增加，流函數(shù)、速度等值線以及應力等值線等的相應變化情況，從理論上驗證了勃彈性對殘余油的作用，對于理解和進一步認識聚合物驅(qū)油機理起到了重要作用。但由于有限差分法本身對于復雜孔隙介質(zhì)在求解的穩(wěn)定程度和精確程度方面的局限性，在研究中當聚合物溶液的勃彈性達到一定值時，不免將出現(xiàn)數(shù)值計算發(fā)散的情況，使得研究結(jié)果中聚合物溶液的勃彈性值與實際聚合物溶液的勃彈性值存在較大差別。而試井數(shù)學模型的發(fā)展早在1933年Moore就提出了利用不穩(wěn)定試井資料確定地層滲透率的方法，此后，Muslcat提出了利用繪圖和分析的模式進行試井資料的解釋。1949年Everding和Hurst發(fā)表了試井領域中的經(jīng)典性論文，首次應用Laplace變換解決不穩(wěn)定滲流問題。本世紀50年代以后，試井解釋相繼進入常規(guī)試井解釋和現(xiàn)代試井解釋階段.常規(guī)試井解釋方法最重要的有三種，一是1950年由Homer所發(fā)表的方法，后被稱為霍納法，其二是Miller-Dyes-Hutchison提出的方法，其三是Muskat方法。常規(guī)解釋方法的特點是利用半對數(shù)曲線圖中的直線段進行解釋并求解有關參數(shù)，這種方法的優(yōu)點是，在所研究的流動階段以前，產(chǎn)量變化次數(shù)有限時，這種方法則簡便易行，但其缺點是，在實測曲線中有時難以確定出直線段或識別出真正的徑向流直線段。從1970年以后，試井解釋方法可看作是現(xiàn)代試井解釋階段。在該階段，首先由Ramey提出了典型曲線方法，Gringarten引入有效井筒半徑的概念，把兩個重要的參數(shù)CD和S組合成為一個參數(shù)團CDe2s，從而大大地簡化了典型曲線圖版的繪制和應用過程，在此時期，Bourdet等人提出了壓力導數(shù)方法。到目前為止，無論是試井解釋模型，還是試井解釋方法都達到了比較成熟的階段。1.2聚合物驅(qū)油的方法原理1.2.1聚合物驅(qū)提高采收率的作用原理宏觀上看聚合物的驅(qū)油原理是通過提高注入流體的粘度，調(diào)節(jié)油藏中油水兩項的流度比，達到擴大波及體積的目的[2]。下面我們從微觀的角度上來分析下聚合物提高采收率的原理?；驹怼龃笏恼扯取档土怂牧鞫取獪p小水油流度比——抑制水的指進——提高波及系數(shù)——提高原油采收率（如圖1-1）聚合物驅(qū)有更高的平面波及效率－從而提高了采收率。圖1-1水驅(qū)與聚合物驅(qū)的相對滲透率曲線圖1-2水驅(qū)與聚合物驅(qū)的平面波及效率圖1-3水驅(qū)與聚合物驅(qū)的縱向波及效率K2>k3>k1聚合物驅(qū)開發(fā)相對于水驅(qū)開發(fā)成本較高、周期短，因此需要掌握影響聚合物驅(qū)的各種因素，力爭在開發(fā)的過程中控制好不利因素帶來的影響，達到技術和經(jīng)濟效益的最大化。同樣，聚合物驅(qū)采收率也是由波及體積和波及效率兩個因素決定的。此外，在聚合物驅(qū)采油的過程中，還有其他因素影響了采收率的提高，有油藏因素、水驅(qū)開發(fā)狀況、聚合物溶液體系、生產(chǎn)過程中的跟蹤調(diào)整、地面設備井下工藝和管理水平等因素，需要說明的是這些因素的影響并不是孤認的，很多情況下是這些因素綜合作用的效果。聚合物驅(qū)通常不是單獨使用。聚合物驅(qū)后仍有大量殘余油滯留在地層，針對這種情況可以使用聚合物表面活性劑復合驅(qū)、聚合物堿復合驅(qū)、二氧化碳驅(qū)、混相驅(qū)等方式來提高原油采收率。1.2.2聚合物驅(qū)油機理研究1、增粘機理聚合物可通過增加水的粘度，降低水油流度比，從而提高波及系數(shù)。聚合物之以能增加水的粘度，主要由于：（1）水中聚合物分子互相糾纏形成結(jié)構(gòu)；（2）聚合物鏈節(jié)中親水基團在水中溶劑化；（3）若為離子型聚合物則其在水中解離，產(chǎn)生許多帶電符號相同的鏈節(jié)，使聚合物分子在水中所形成的無規(guī)線團更松散，因而有更好的增粘能力。如：纏繞+親水集團的溶劑化+離子型聚合物的解離。2、降低滲透率機理[3]聚合物可通過減小水的有效滲透率，降低水油流度比，從而提高波及系數(shù)。聚合物之所以能減小水的有效滲透率，主要由于它可在巖石孔隙結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生滯留。聚合物在巖石孔隙結(jié)構(gòu)中有兩種滯留形式：（1）吸附：吸附是指聚合物分子通過色散力、氫鍵或其他作用力在巖石表面所產(chǎn)生的濃集。（2）捕集：聚合物分子在水中所形成的無規(guī)線團的半徑雖小于喉道的半徑，但是它們可通過架橋而滯留在喉道外。這種滯留叫捕集。圖1-4聚合物分子在吼道外的捕集聚合物分子可通過架橋而滯留在喉道處－降低Krw，目前普遍認為聚合物驅(qū)只是通過增加注入水的粘度，改善水油流度比，擴大注入水在油層中的波及體積提高原油采收率。但是研究發(fā)現(xiàn)聚合物驅(qū)也可以通過提高洗油效率來提高采收率。根據(jù)流變性實驗證明驅(qū)油用的聚合物溶液具有粘彈流體的特性。在親水巖心中,具有粘彈性的聚合物溶液可以驅(qū)動盲端中的可動殘余油。具有相同粘性的牛頓流體和粘彈流體的最終采收率不同，水驅(qū)后再聚合物驅(qū)替的最終采收率高于水驅(qū)后再甘油驅(qū)替的最終采收率,粘彈流體的驅(qū)油效率高于粘性流體。粘彈性聚合物溶液均會降低各類水驅(qū)殘余油量[4],殘余油是被聚合物溶液攜帶出來的,而不是推出來的。粘彈性越大,攜帶出的殘余油量越多,驅(qū)替效率越高。提高驅(qū)油效率主要是通過吸附作用、粘滯作用和增加驅(qū)動壓差[5]來實現(xiàn)的；擴大波及體積主要是通過繞流作用和調(diào)剖作用來實現(xiàn)的。（1）吸附作用：聚合物可以大量的吸附在巖石的孔壁上，降低了水相的流動阻力，而對油相并無多大影響，在相同的含油飽和度下，油相的相對滲透率比水驅(qū)時有所提高，使得部分殘余油重新流動，被驅(qū)替出來。（2）粘滯作用：聚合物的粘彈性加強了水相對殘余油的粘滯作用，在聚合物溶液的攜帶下，殘余油會重新流動，從而被夾帶而出。（3）增加驅(qū)動壓差：提高了巖石內(nèi)部的驅(qū)動壓差，使得注入液可以克服小孔道產(chǎn)生的毛細管壓力，進入細小的孔道中，從而把原油驅(qū)替出來。（4）繞流作用：聚合物進入高滲透層后，增加了水相的滲透阻力，產(chǎn)生了由高滲透層指向低透層的壓差，使得注入液發(fā)生繞流，進入到中、低滲透層中，擴大了水驅(qū)的波及體積，提高了原油的采收率。（5）調(diào)剖作用：聚合物的注入可以改善水油的流度比，控制了注入液在高滲透層的前進速度，減少了指進，使得注入液在高、低滲透層中以較均勻的速度向前推進，改善了非均質(zhì)層中的吸水剖面，提高了注入液的波及體積和驅(qū)油效率。自從人們對聚合物驅(qū)可以提高采收率進行研究以來，就開始了對其驅(qū)油機理的研究。早期的聚合物驅(qū)理論認為，聚合物驅(qū)只是通過增加注入水的粘度，改善水油流度比，擴大注入水在油層中的波及體積提高原油采收率。并基于毛管數(shù)與驅(qū)油效率的關系，認為聚合物驅(qū)并不能提高驅(qū)油效率，降低殘余油飽和度。因此，有人把聚合物驅(qū)稱為改性水驅(qū)，即二次采油。其理論是：①聚合物驅(qū)與水驅(qū)替速度一般相同；②聚合物溶液的粘度一般為水的粘度的30倍左右；③聚合物不能降低油水之間的界面張力。所以，聚合物驅(qū)時的毛管數(shù)不能提高到10-3以上，即不能明顯提高驅(qū)油效率。實際上，人們對聚合物溶液在地下驅(qū)油過程中的滲流特征的認識還遠不夠完善，特別是其微觀物理化學滲流規(guī)律，還不十分清楚。聚合物溶液在多孔介質(zhì)中流動時，粘彈性起著十分重要的作用。但是直到近年來才把粘彈效應與采收率結(jié)合起來。許多學者研究認為聚合物溶液在多孔介質(zhì)中的粘彈效應引起了粘度的大幅度增加，進一步改善了驅(qū)替前緣的流度比，因而當HPAM流量增加時，采油速度迅速上。其它一些研究者Mohammad、韓顯卿、汪偉英、楊清彥通過巖心驅(qū)替實驗也得到了相似的結(jié)果：對于不同滲透率的巖心，HPAM存在不同的最佳注入速度范圍，在此速度范圍內(nèi)，驅(qū)替效率最高。同時他們還指出該速度范圍與溫度、HPAM的分子量、質(zhì)量濃度、水解度、巖心的性質(zhì)等因素有關。直到近幾年，由王德民等人提出聚合物溶液的粘彈性對微觀驅(qū)油效率有很大影響，聚合物溶液的粘彈性可以提高驅(qū)油效率。王德民等通過實驗室?guī)r心驅(qū)油實驗，對水驅(qū)后不同殘余油類型進行了研究，結(jié)果表明粘彈性的聚合物溶液驅(qū)替后，所有類型的殘余油均減少。聚合物溶液在驅(qū)替不同類型殘余油時，表現(xiàn)出很強的“拉、拽”作用。夏惠芬等通過實驗研究了部分水解聚丙烯酰胺的粘彈性，分析了粘彈性聚合物溶液對殘余油的作用機理，研究了粘彈性聚合物溶液提高殘余油驅(qū)替效率的機理。提出聚合物溶液驅(qū)油提高驅(qū)油效率的機理是由于聚合物溶液的粘彈性，殘余油是被聚合物溶液拉出來的，而不是推出來的。王德民等通過室內(nèi)實驗和礦場試驗數(shù)據(jù)分析表明，用聚合物溶液驅(qū)替后，孔隙介質(zhì)中所有類型的殘余油均減少，減少的量取決于驅(qū)替液的彈性。粘彈性驅(qū)替液驅(qū)替殘余油的力與牛頓流體的力不盡相同，它不僅有垂直于油一水界面克服束縛殘余油的毛管力，而且還有較強的平行于油一水界面驅(qū)動殘余油的拖動力。所有這些研究成果，無疑對聚合物溶液的驅(qū)油機理的研究有了新的認識，產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，但無人量化聚合物溶液的粘彈性與驅(qū)油效率的對應關系。1.3驅(qū)油用聚合物的分類1.3.1聚丙烯酰胺(HPAM)聚丙烯酰胺(HPAM)[6]，特別是部分水解聚丙烯酰胺是目前使用最廣泛的驅(qū)油劑及改性原料，由部分水解的丙烯酰胺單體合成的直鏈聚合物。水解度，即同一個分子中被水解的酰胺基物質(zhì)的量占總酰胺基物質(zhì)的量比，對聚合物的性能，如吸附、剪切和熱穩(wěn)定性等都非常重要。目前，由于油田實際生產(chǎn)的要求以及聚合物合成技術的進步，聚丙烯酰胺的相對質(zhì)量已經(jīng)可以達到2500×104,甚至3000×104。HPAM分子是一種長鏈結(jié)構(gòu)高分子。微觀結(jié)構(gòu)中通常是無規(guī)則線團。聚丙烯酰胺通常表現(xiàn)出柔性，這是因為其次級結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，不能提供一定的強度。HPAM的不穩(wěn)定性還體現(xiàn)在作為一種聚電解質(zhì)，溶液中的離子會與其發(fā)生反應。這將會大大影響HPAM的分子構(gòu)象，進而影響其使用性能。尤其是高溫和高礦化度的油層環(huán)境中，更容易發(fā)生相分離，進而致使溶液豁度劇烈下降。目前，即使的合成技術有了長足進步，合成的高相對分子質(zhì)量的HPAM，在一定程度上解決了抗溫抗鹽的問題，但仍然解決不了聚合物溶液高速流經(jīng)井底炮眼時長鏈大分子鏈段被剪切成若干小分子量的小鏈段的剪切作用，加之高溫作用，存在著剪切變稀等缺點。1.3.2黃原膠盡管HPAM的分子質(zhì)量已經(jīng)達到很高，在用量不高時溶液的表觀豁度就可以滿足油田使用要求，但當?shù)貙铀V化度較高和油層溫度較高時，由于分子構(gòu)像呈卷曲狀態(tài)，溶液豁度仍然不高。因此，選擇或研制開發(fā)剛性聚合物是一個重要途徑。黃原膠是用微生物黃單胞菌屬茹菌素為原料生產(chǎn)的。其主鏈是由葡萄糖單體合成類似于纖維素一樣的鏈構(gòu)成。其主鏈上相間的結(jié)構(gòu)單元上所連接的側(cè)鏈是黃原膠結(jié)構(gòu)的重要特征。由三糖系列的甘露糖一葡糖醛酸一甘露糖組成。X射線衍射研究結(jié)果表明，黃原膠具有螺旋狀的分子結(jié)構(gòu)，其側(cè)基沿著螺旋線折起來，從而形成剛性的柱狀分子。因此，當水中的電解質(zhì)濃度或溫度增高時，在剛性作用下黃原膠分子不會像HPAM那樣卷曲，導致溶液表觀豁度降低。也就是說，生物程度上具有抗溫抗鹽性。也就是說，生物聚合物在一定程度上具有抗溫抗鹽性。由于生產(chǎn)工藝以及其他技術原因，黃原膠生物聚合物的生產(chǎn)成本較高。這在一定度上影響了在油田上的大規(guī)模應用。無論是合成的HPAM還是生物聚合物黃原膠，都存在一定問題，因此，研制開發(fā)兼具耐熱、抗腐蝕、抗剪切等優(yōu)異性能且經(jīng)濟可行的聚合物是未來主流發(fā)展趨勢。1.3.3疏水締合聚合物疏水締合聚合物[7]，又稱締合聚合物，是一種性能優(yōu)異的新型聚合物，其解決了聚丙烯酰胺的缺點，以聚丙烯酰胺分子鏈主體為基礎引人少量疏水基團。由于疏水基的存在，增強了分子間的作用力，使其在較低的濃度下也可體現(xiàn)出一定的豁度。此外，疏水締合聚合由于分子結(jié)構(gòu)上的特點，其溶液耐鹽、抗剪切等性能及對驅(qū)油效果的影響顯著有別于部分水解聚丙烯酰胺。McCormick等研究了丙烯酰胺與N一燒基丙烯酰胺膠束發(fā)生聚合反應在水溶液中的特性，并且借助熒光法及紫外可見光譜法，證實了大分子鏈中疏水鏈段是以嵌段結(jié)構(gòu)存在的。實驗結(jié)果還表明存在于疏水基團中的微嵌段結(jié)構(gòu)顯著影響驅(qū)油劑的增稠作用，同時具備優(yōu)良耐鹽特性。G.O.Yahaya等使用引發(fā)劑過硫酸鉀((KPS)、表面活性劑十六烷基三乙基嗅化錢(CTAB)，合成了疏水締合型丙烯酰胺共聚物。共聚物中的疏水鏈段的比例可以通過合成過程中疏水基團原料的比例進行控制。其反應歷程圖1-5所示：圖1-5疏水締合型丙烯酰胺//N-芐基丙烯酰胺共聚物合成方式李亮等采用膠束共聚法，通過在丙烯酰胺中加人疏水單體丙烯酸正辛酯合成一種新型疏水締合水溶性聚合物，并且測試發(fā)現(xiàn)該聚合物耐溫抗鹽性能良好。周妮等采用自由基膠束共聚法，在丙烯酰胺主體中復配了兩種單體，分別是N,N一二甲基丙烯酰胺(DMAM)，其在聚合物分子種起到了疏水作用，另一種單體為2一丙烯酞氨基一2一甲基丙磺酸(AMPS)。實地應用測試結(jié)果表明，合成的三元驅(qū)油聚合物PAD黏度下降緩慢，且表現(xiàn)出優(yōu)良的耐鹽。劉平德等通過研究丙烯酰胺、烷基二甲基烯丙基氯化錢作為原料制備的共聚物的流變特性，發(fā)現(xiàn)隨著溶液濃度提升，剪切速率對豁度恢復率的影響顯著降低。1.3.4兩性聚合物兩性聚合物是分子鏈上存在陽離子基團(叔胺、季胺鹽)和陰離子基團(梭酸、磺酸基)的共聚物。由于將相等電荷數(shù)的陰、陽離子基團引人高分子鏈，致使其易由于陰、陽離子基團的相互吸引而在淡水中發(fā)生分子鏈收縮。在鹽水溶液中，由于鹽自身的電解釋放出正負離子，與聚合物內(nèi)陰、陽離子基團結(jié)合，降低聚合物自身基團間的相互吸引力。因此，兩性聚合物在電解質(zhì)溶液中使用時具有較高的茹度。Kujawa等以(2一甲基丙烯酞基)氧乙基三甲基氯化錢(MADQUAT)、丙烯酰胺(NaAMHPS)和丙烯酰胺(PAM)為單體合成了疏水改性兩性聚合物。孫寶珍使用引發(fā)劑K2S208-Na2S03為引發(fā)劑，合成了三甲基烯丙基氯化銨兩性離子聚合物。伊卓等合成了甲基丙烯酸一2一二甲氨基乙酯(DMAEMA)與甲基丙烯酸叔丁酯(tBMA)的嵌段共聚物。進行相對分子量測試后結(jié)果表明，制得產(chǎn)品的相對分子質(zhì)量與設計目標值一致。1.3.5梳形聚合物和兩性聚合物不同，梳形聚合物[8]是指在高分子的側(cè)鏈上同時含有親油基和親水基，這兩種基團相互排斥，分子間及內(nèi)部均存在較強排斥力，整個分子鋪展開來，高分子鏈在水溶液中排列成梳子形狀(圖1-6)。圖1-6兩種梳形抗鹽聚合物單體的結(jié)構(gòu)Zhao等通過對所制備的一種新型四元梳形活性聚合物的溶解性能研究時發(fā)現(xiàn)，兩親支鏈使聚合物在溶液中存在強烈的分子間疏水締合作用，從而大幅提高梳形聚合物的耐溫抗鹽性能。羅健輝等人開發(fā)了KYPAM具有辮狀側(cè)鏈的梳形抗鹽聚合物，并將其應用于生產(chǎn)中，這種聚合物主鏈上引人了含離子基團的成雙側(cè)鏈，使高分子鏈在水溶液中呈現(xiàn)出分散的梳形。多個有天安的生產(chǎn)實踐表明，此聚合物1000m/L的溶液黏度比超高分子量的HPAM高出30%-40%；在溶液老化實驗中，黏度保持好；在剪切穩(wěn)定性實驗中，效果優(yōu)異。2聚合物微觀滲流機理的研究本章筆者調(diào)研了大量的研究聚合物微觀滲流的實驗，通過對比分析選取幾個具有代表性的實驗來逐個介紹各個實驗的方法、步驟、原理，分析不同實驗方法所適應的聚合物及油藏類型，并詳細介紹了粘彈性聚合物在孔道中流動的特征。2.1聚合物溶液與原油界面流變性的實驗2.1.1儀器及測量原理測量儀器為英國Camtel公司生產(chǎn)的CIR一100界面流變儀，并利用Pt/IrDeNouy環(huán)來測定界面彈性模量和界面黏度，CIR一100型界面流變[9]儀測量原理見圖2-1，測定界面流變性時將Pt/IrDeNouy環(huán)置于液液或氣液界面上，由驅(qū)動線圈施加一定頻率的正弦交變轉(zhuǎn)矩給Pt/IrDeNouy環(huán)，使其在界面上做小角度(偏轉(zhuǎn)角(士1°C)正弦交變振蕩。Pt/IrDeNouy環(huán)的偏轉(zhuǎn)角由位移傳感器傳送給測量控制系統(tǒng)，測量控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)控制參數(shù)使Pt/IrDeNouy環(huán)的振蕩處于一定振幅下的相諧振狀態(tài)(即偏轉(zhuǎn)角的相位落后轉(zhuǎn)矩相位90°C）。圖2-1CIR一100型界而流變儀測量原理在相諧振狀態(tài)下，界面彈性模量G’為(2-1)(2-2)式中：G’’為界面黏性模量；w為角頻率；Ri為測試環(huán)的直徑；Ro為測試杯的內(nèi)徑；I為測試環(huán)系統(tǒng)的慣性矩；Totot為作用在測試環(huán)系統(tǒng)上的轉(zhuǎn)矩振幅；A(w)和B(w)為與角頻率w相關的系數(shù)，可由無界面活性物質(zhì)的參比樣測試中的慣性力矩和轉(zhuǎn)矩確定。由式(2-1)和式(2-2)可以計算出界面彈性模量和界面黏性模量.界面黏度η和界面茹彈模量G分別為(2-3)(2-4)2.1.2化學試劑及材料聚合物為大慶煉化公司生產(chǎn)的聚丙烯酰胺，相對分子質(zhì)量分別為1.2X107,1.9X107,2.5X107,3.8X107，用NaCl鹽水配制成各種礦化度和質(zhì)量濃度的溶液.所用油樣由煤油和大慶第一采油廠原油配制而成，45°C時粘度為9.8mPa·s。2.1.3實驗步驟油水界面流變性測試中的測試參數(shù)：振蕩頻率為2HZ，振幅為0.0068rad，參比樣采用油樣和去離子水。測試步驟：(1)設定界面流變儀測試臺的溫度，將盛有油樣和水樣的細口瓶放入水浴中，恒溫30min；(2)將測試環(huán)掛到界面流變儀上；(3)用注射器向界面流變儀樣品杯中加入8mL水樣后，將其放到界面流變儀的測試臺上；(4)升高界面流變儀的測試臺，使DuNouy環(huán)浸入水樣后，再降低測試臺的高度，使測試環(huán)剛好位于水樣與空氣的界面上；(5)用注射器將7mL油樣均勻地加到樣品杯中的水面上，60min后測定油水界面流變性。2.1.4測試方法與數(shù)據(jù)處理在標準諧振模式(NormalisedResonancemode)下，以固定頻率和振幅，通過時間掃描得不同條件下的η，G''和G’，對式(4)的實部和虛部取模，計算得到G。2.1.5結(jié)果與討論2.1.5.1聚合物相對分子質(zhì)量對聚合物溶液與原油界面流變性的影響將相對分子質(zhì)量分別為1.2X107,1.9X107,2.5X107,3.8X107的聚合物，用礦化度為500mg·L-1的NaCl鹽水配制成質(zhì)量濃度為1000mg·L-1的聚合物溶液，在45℃時測量油水界面流變參數(shù).聚合物相對分子量對油水界面流變性的影響見圖2-2。圖2-2聚合物相對分子質(zhì)量對油水界而流變性的影響由圖2-2可以看出，聚合物溶液與油相界面茹度、界面黏性模量和界面彈性模量隨著聚合物相對分子質(zhì)量的增加均增大，這是由于隨著聚合物相對分子質(zhì)量的增大，分子間的鏈節(jié)增大、增多，使得分子間力增大，而且不同分子之間的相互作用會產(chǎn)生協(xié)同作用，從而極大地提高界面黏度和界面彈性模量；另外，聚合物分子含有許多含氮、含氧基團，氫鍵能極大地增強分子抗剪切的能力，增強界面薄膜的結(jié)構(gòu)強度，因此其界面黏度比較大。2.1.5.2聚合物溶液質(zhì)量濃度對聚合物溶液與原油界面流變性的影響對相對分子質(zhì)量為1.9X107的聚合物，用礦化度為500mg.L-1的NaCl鹽水配制成質(zhì)量濃度分別為0.6,1,1.5,2,2.5,3.0g.L-1的溶液，在45°C時測量油水界面流變參數(shù)。圖2-3聚合物溶液質(zhì)量濃度對油水界而流變性的影響聚合物溶液質(zhì)量濃度對聚合物溶液與原油界面流變性的影響見圖2-3，從圖2-3看出，隨著聚合物溶液質(zhì)量濃度的增加，油水界面茹度、界面黏性模量和界面彈性模量均增加，界面茹彈性的增強意味著分子間作用力增大，這說明聚合物質(zhì)量濃度增加，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，使界面的流動性變差。2.2核磁共振研究聚合物微球調(diào)驅(qū)微觀滲流機理2.2.1核磁共振測試原理核磁共振技術[10]是有效認識儲層和測試儲層流體參數(shù)的重要手段之一目前核磁共振技術在石油工業(yè)中的應用主要集中在2個方面：一是核磁共振試井及解釋評價，二是低場核磁共振室內(nèi)巖心分析。后者可以獲得更加準確多樣的巖石信息，為滲流機制的探討以及提高采收率的基礎研究提供一種有效的輔助方法。核磁共振橫向弛豫時間T2與孔隙大小成正比，信號幅度的大小與對應孔隙中的流體量成正比，如圖2-4所示，所以測定橫向弛豫時間T2的變化，就可以獲得不同大小孔隙中的流體分布。圖2-4核磁共振橫向弛豫時間譜核磁共振機理表明，弛豫時間與孔隙半徑成正比，因此，將弛豫時間轉(zhuǎn)換成孔隙半徑，即(2-1)式中：r為孔隙半徑μm；T2為核磁共振弛豫時間，ms；C為轉(zhuǎn)換系數(shù)，其值取1.71ms/μm。T2譜轉(zhuǎn)換的孔隙半徑分布曲線與常規(guī)壓汞曲線擬合較好，相關性較高。定義核磁共振橫向弛豫時間小于10ms對應小孔隙，10-50ms對應中孔隙，大于50ms對應大孔隙，相應的孔喉半徑小于4.3μm，4.3-21.5μm,大于21.5μm。各孔隙區(qū)間T2譜幅度和與整個巖心T2譜幅度和的比即為各區(qū)間對應的含水飽和度，進而可以計算出各孔隙喉道區(qū)間內(nèi)含油飽和度和采出程度。2.2.2水驅(qū)油實驗選擇三塊巖心進行定壓水驅(qū)油實驗，每塊巖心依次在由小到大選擇三個壓力進行水驅(qū)實驗(考慮滲透率與采出程度選擇三個水驅(qū)壓力)，每個壓力下達到穩(wěn)定含水后，進行一次核磁共振測試，包括初始飽和水的狀態(tài)和飽和油的狀態(tài)在內(nèi)，共進行五次核磁共振T2譜測試，每塊巖心得到五條T2譜線。根據(jù)這些曲線，研究了不同尺寸的孔隙所占的體積白分比、不同尺寸孔隙飽和油的多少、不同尺寸的孔隙在水驅(qū)作用下動用的難易程度。結(jié)果如下圖2-5,表2-1。表2-1jw32井9-23/32(1)巖樣不同壓力下水驅(qū)油核磁共振測試結(jié)果孔隙分類孔隙體積%飽和油空隙型體積%采出油所占孔隙體積%不同級別空隙采出程度%總采出程度%1/Kpa3/Kpa28/Kpa總計小孔隙51.87.9107.416.2137.49162.1220.253.54中孔隙21.1211.09222.92176.3198.29497.5144.310.88大孔隙27.0626.18648.48802.49201.641652.6162.2936.1合計10045.16978.8995.01337.412312.24—50.52圖2-5jw32井9-23/32(1)巖樣小同壓力下水驅(qū)油核磁共振T2譜線綜合三塊巖心的核磁共振驅(qū)油效率試驗結(jié)果表明：小孔隙占總的孔隙體積的50%以上，中孔隙和大孔隙各占20%以上，含量比較接近，表明了新疆八區(qū)低滲透礫巖儲層的孔隙微小的特性。在驅(qū)替壓力的作用下，主要的采出程度貢獻來白大孔隙，平均占采出程度的64%；中孔隙的內(nèi)的油提供了采出程度的次要貢獻，平均占采出程度的27%；小孔隙的內(nèi)的油為采出程度的貢獻很小，平均占采出程度的9%。水驅(qū)采油主要發(fā)生在大孔隙和中空隙中，小空隙所做貢獻很小。2.2.3滲吸實驗多孔介質(zhì)中的滲吸現(xiàn)象[11]一般發(fā)生在非均質(zhì)介質(zhì)中，滲吸驅(qū)油過程是毛管力、油水重力差等作用力綜合作用的結(jié)果，是否發(fā)生滲吸主要決定于多孔介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，多孔介質(zhì)的潤濕性、油水界面接觸面積和接觸時問。為了明確新疆八區(qū)低滲透礫巖儲層的驅(qū)油機理，運用核磁共振技術的滲吸實驗研究。滲吸驅(qū)油共進行了3塊巖心實驗，包括初始飽和水的狀態(tài)、飽和油的狀態(tài)和滲吸實驗結(jié)束狀態(tài)，每個狀態(tài)進行一次核磁共振T2譜測試，每塊巖心得到三條T2譜線，我們研究了不同尺寸的孔隙在滲吸作用下動用的難易程度。結(jié)果如圖2-6、表2-2。表2-2jw32井7-1/4(1)樣品滲吸實驗核磁共振結(jié)果孔隙分類孔隙體積%飽和油孔隙體積%滲吸采油所占孔隙體積%總采出程度%小孔隙61.374.611.87.45中孔隙19.486.260.93.72大孔隙19.1613.341.315.42合計10024.224.0216.59圖2-6jw32井7-1/4(1)樣品滲吸實驗核磁共振T2譜圖綜合三塊巖心核磁共振滲吸試驗結(jié)果：在滲吸作用下，小孔隙內(nèi)的油提供了主要采出程度貢獻，平均占采出程度的48%；中孔隙的內(nèi)的油提供的采出程度平均占采出程度的21%；大孔隙的內(nèi)的油提供的采出程度平均占采出程度的31%。滲吸采油時，小孔隙內(nèi)的油是主要貢獻，與水驅(qū)采油的情況明顯不同，滲吸總體采出程度比較低，滲吸速度較慢。表明了微小的孔喉的毛管壓力差是滲吸作用發(fā)生直接動力，低滲巖心的滲吸平衡時問長，原油采收率較低。2.3壓汞法研究儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征對滲流的影響青海油田昆北地區(qū)位于柴達木盆地西部南區(qū)的昆北斷階帶上，青海油田昆北地區(qū)在水驅(qū)開發(fā)中見水速度快，無水采油周期短，很快進入高含水開發(fā)時期，為此針對路樂河組E1+2切12井區(qū)探井取心的壓汞資料結(jié)合微觀水驅(qū)油實驗對昆北地區(qū)地層孔喉結(jié)構(gòu)及水驅(qū)油特征進行研究，搞清儲層孔喉關系特征對后期注水開發(fā)至關重要。2.3.1儲集層基本特征研究區(qū)儲層巖石類型[12]主要由礫巖、砂質(zhì)礫巖和含礫砂巖組成，顆粒組分主要為花崗巖碎屑，次為長石和石英，少量板巖等變質(zhì)巖碎屑。填隙物成分中泥質(zhì)雜基和自生膠結(jié)礦物均普遍發(fā)育儲集空間類型以殘余原生孔隙為主，亦可見少量顆粒微裂縫和長石顆粒粒內(nèi)溶孔。2.3.2實驗原理汞為非潤濕相，不潤濕巖石表面，注入巖樣的過程中毛管力為阻力，可以看做是非濕相驅(qū)替潤濕相的過程，而退出時毛管力為動力，可以看為吸允的過程。汞在驅(qū)替壓力下進入巖樣，不同進入巖樣的驅(qū)替壓力可以看做是不同孔喉部分的毛管壓力，所對應的半徑即為毛管半徑，汞進入巖樣的體積可以看做是孔喉的體積實驗選用不同滲透率級別的巖心碎塊40塊，巖心滲透率分別為：1-3mD,3-10mD,10-50mD三個等級。2.3.3實驗結(jié)果與分析2.3.3.1巖心毛管壓力曲線特征分析根據(jù)對研究區(qū)儲層40塊巖心碎屑進行壓汞實驗測定的數(shù)值以及壓汞曲線形態(tài)特征，同時結(jié)合排驅(qū)壓力、飽和度中值壓力、飽和度中值半徑等參數(shù)的分析，可以將該區(qū)儲層分為以下四類；I型儲層毛管力曲線中間平緩段最長且接近于水平軸線，該類型儲層分選好，孔隙半徑大，屬于粗歪度，巖石物性最好但該類型毛管力曲線所占比例最小，只占到9%；II型儲層毛管壓力曲線呈下凹斜坡型，靠近右下方，水平段較短該類型儲層分選中等，裂縫孔隙分布不均勻，屬于略粗歪度這種類型儲層最多，占到41%；Ⅲ型儲層毛管力曲線呈下凸型斜坡型，靠近右下方，幾乎無水平段該類型儲層分選較差，孔喉分部不均勻，屬于略細歪度這種類型儲層占到23%；IV型儲層毛管力曲線幾乎呈直線型，無水平段該類儲層未分選，孔喉分布極不均勻，巖石物性最差這種類型儲層占27%。上述分析可知，切12地區(qū)儲層物性較好，雖屬低滲儲層，但仍存在一部分大孔喉，孔喉結(jié)構(gòu)復雜多樣，非均質(zhì)性強。2.3.3.2孔喉分布特征該儲層孔喉半徑分布[13]范圍廣泛，存在小于1μm和大于50μm半徑的孔喉，多數(shù)存在大于200μm孔喉主要孔喉半徑集中在1-10μm，且存在較大孔喉可以看出對于滲透率越小的巖心孔喉分布越集中、均勻性越好，而滲透率大的巖心10-50μm半徑孔喉占的比例較大，這些大孔喉的存在為儲層提供了良好的導流能力其滲透率小于l0mD，不同尺寸孔喉對滲透率的貢獻差別不大，這是因為大孔喉數(shù)目比較少，與大量存在的小孔喉貢獻率近似一致而對于大于l0mD的巖樣，10-50μm的孔喉數(shù)量多，對滲流起主導作用。2.3.4結(jié)束語1)路樂河組E1十2切12井區(qū)儲層存在4種不同類型孔喉分布特征的儲層，分選中等，裂縫孔隙分布不均勻，屬于略粗歪度的∥類儲層所占比例最多，為41%但仍存在物性極差的未分選的儲層，占到27%。2)通過對巖樣滲透率及孔喉半徑對比分析，滲透率越小的巖心孔喉分布越集中、均勻性越好滲透率小于l0mD的巖樣各孔喉對滲透率的貢獻率差別不大，而滲透率大于lOmD的巖樣，10-50μm的孔喉對滲流起主導作用。2.4X-CT掃描成像法研究油水滲流機理為了把地層深處的油氣開發(fā)出來，必須了解流體在巖層中的滲流規(guī)律。在CT掃描裝置的幫助下我們能夠清楚地觀測到巖心內(nèi)部的液流狀況，兩相區(qū)前緣逐步向前推移的特性，從而改進了我們對滲流規(guī)律的認識。CT掃描技術的基本特點是:能在不改變巖心的外部形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的條件下，在幾秒鐘內(nèi)觀測到整塊巖心的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及液流狀況。CT裝置產(chǎn)生于醫(yī)學界。1969年Hounsfield(1979年獲諾貝爾生物獎)首先設計成計算體層攝影(Computedtomography簡稱CT)裝置。經(jīng)神經(jīng)放射診斷學家Ambrose用于臨床，由于這種診斷方法所得到的圖片質(zhì)量高，取得極為滿意的診斷效果。1978年開始有人將CT掃描裝置用于研究油藏巖心特性。1980年到目前為止研究論文發(fā)表約有20多篇。這些文章的要點是將CT裝置用于研究巖心的孔隙結(jié)構(gòu)和兩相驅(qū)替機理。在我國，較有成效的工作是從1987年開始，到目前為止，不僅已將CT裝置用于研究巖心的孔隙結(jié)構(gòu)及兩相驅(qū)動機理，還用于研究巖心酸化壓裂效果，油層污染機理，水垢分布等等。可以預計該項實驗技術及裝置，在石油科學研究中將有極為廣闊的應用前景。2.4.1原理CT是以x射線束，從多個方面向被查物體某一選定層面進行照射，測定透過該層面的x射線量，經(jīng)計算得出該層面組織各個單位容積(voxel)的吸收系數(shù)，這些吸收系數(shù)可構(gòu)成512×512或256×256的數(shù)字矩陣，經(jīng)數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器于陰極射線管上顯示該層面圖象的檢測技術。CT掃描與x射線攝影同樣都利用了x射線源，但成像原理完全不同。CT裝置主要包括以下幾個組成部分(圖2-7)：(1)掃描裝置由發(fā)射x射線的二線管和接受透過被查體x射線的探測器組成。(2)計算機系統(tǒng)由中心處理機，主儲存器，顯示器，操作臺，快速打印機等組成。它可以將掃描所收到的信息數(shù)據(jù)進行儲存、運算并能重建圖象。顯示器采用陰極射線管，也可采用彩色電視顯示裝置。(3)圖象記錄常采用偏振光照像機一和偏振光照片。不少學者的論文表明，現(xiàn)有醫(yī)用CT裝置經(jīng)過適當改裝和軟件補充能適用于油氣藏開發(fā)各種項目的研究。圖2-7計算體層攝影裝置示意圖2.4.2實驗及結(jié)果討論1.天然巖心水驅(qū)氣用滲透率為694×10-3μm2，直徑為2.54cm的均質(zhì)天然巖心進行水驅(qū)氣實驗。在水驅(qū)氣的過程中，沿過巖心軸線的縱向截面進行CT掃描，使用適當?shù)能浖?，我們得到了顯示巖心內(nèi)部氣水前緣的推進情況的各個圖象。通過圖象，可看出下列事實：(1)在水驅(qū)氣[14]的過程中，含水區(qū)(圖2-8中黑色區(qū)域)在不斷擴大，水區(qū)前緣不斷向前推移，前緣形狀在不斷變化。最初前緣略呈圓弧形，隨著水區(qū)的擴大，前緣弧形的弧度增大，且向下凸，顯示出水區(qū)前緣形態(tài)受到重力的影響。而對于滲透性較低的均質(zhì)砂巖來說，重力的影響是很弱的。如圖2-8，是滲透性較差的人造巖心35#的實驗圖象，該巖心的滲透率為321.7×10-3μm2，在水驅(qū)氣過程中，水區(qū)前緣始終幾乎呈一垂直線，重力的影響幾乎顯示不出來。圖2-8水驅(qū)氣實驗圖象應該注意的是：在圖2-8中，水區(qū)前緣形狀與管路水力學中，過水斷面上流速分布圖非常相似，但二者有本質(zhì)的區(qū)別；在管道中，中心部分流速高，邊部功于邊界層及粘滯力的原因形成一個速度梯度。而圖2-8的水區(qū)前緣的弧形顯示了巖心中心部分滲透率好，邊部滲透性差。形成這種狀況的原因是巖心加工過程中(鉆取)，在邊部形成一個環(huán)狀的壓實帶。但對于致密而堅硬的35#巖心，這個環(huán)狀壓實帶被壓實的程度低，因而水區(qū)前緣弧形不明顯。圖2-935#巖心滲流CT圖象通過CT掃描能確定出壓東帶的形狀和位置。一般壓實帶比周圍CT值高，圖片上相對黑色較深。因為，由同一種周定顆粒材料構(gòu)成的巖心被壓實時，其孔隙空間縮小，CT值增高。在CT掃描圖片上，區(qū)分油氣水的分布，也是按CT值大小進行判別的。從圖象記錄的時間和相應測量出的水區(qū)位置，便可計算出液體流動的真實速度。通過巖心觀察，使用適當峋計算軟件，可以由圖2-8得到圖2-10。圖中‘顏色較深的部分即滲透率相對較高有大量流體通過的地方。圖2-10高滲透區(qū)分布圖圖2-8(2)中，兩條虛線是用來測量水區(qū)前沿弧度大小的?；№斨翈r心入口端的距離是7cm，而巖心邊沿部分，水區(qū)前沿至巖心入口的距離是6.2cm，可見，我們不僅能得到前緣形態(tài)圖象，也可以建立關于前沿形態(tài)的量的概念。2.人造巖心水班油圖2-11是113號人造巖心在水驅(qū)油過程中的不同時刻獲得的實驗圖象。CT掃描位置通過巖心軸。線的縱向截面。事先巖心113號被用煤油飽和，然后用水驅(qū)替。從圖2-11可以看出以下事實：(1)巖心邊部壓實帶對滲流的影響由圖2-11(1)可以看出，水首先在巖心中心部分發(fā)生流動(黑色區(qū)域為水侵入?yún)^(qū))，而在巖心的環(huán)形邊部，很少流動，甚至沒有油流。這是因為巖心邊部具有一個環(huán)形壓實帶的緣故。這個壓實帶的滲透率比巖心中心部分的滲透率低很多。當滲流阻力較小時，壓實帶對流動的影響不大(圖2-8、圖2-9)。由于油的粘度高，滲流阻力大，當馭動力較小時，壓實帶的影響就比較突出(圖2-11(1)）。隨著滲流時間的增長，逐漸有液體侵入壓實帶，如圖2-11(2),2-11(3)所示，黑色區(qū)域(水區(qū))逐漸延長變粗，表明壓實帶中有水侵入。(2)從圖2-11可以清楚地看到，水驅(qū)油的非活塞式驅(qū)替過程[15]及其變化。白色或灰白色的微小區(qū)域表示沒有水浸入或有極微量的水浸入。顯示了水驅(qū)油的非活塞式驅(qū)替過程。從馭替時入口端觀察，可發(fā)現(xiàn)隨著滲流時間的增長，這個區(qū)域中白色區(qū)域在不斷地變小，表明該區(qū)的含水飽和度逐步上升，含油飽和度逐步下降，即在水驅(qū)油過程中，任一位置上含水飽和度是時間的函數(shù)。圖2-11水驅(qū)油實驗圖象(3)圖2-11(1)、圖2-11(2)以及圖2-8中，水區(qū)前緣的形態(tài)可以充分說明，水區(qū)前緣確實存在著含水飽和度發(fā)生突變這一事實。并且由于重力及毛管力的影響，使得這一突變不是陡然下降，而是略帶一點坡度。綜合(2),(3)所述的事實，可以認為水區(qū)含水驅(qū)和度分布規(guī)律與貝克萊一列維爾特水驅(qū)油理論完全吻合。(4)圖2-11(3)的出口端，液流的尾段，顯示出巖心端部的末端效應，液流向巖心的軸部突向出口端。顯然這里的實際流速應大于巖心中間段的流速。3.非均質(zhì)巖心水驅(qū)油(氣)在水驅(qū)氣或水驅(qū)油的過程中，在均質(zhì)砂巖的巖心水區(qū)前緣多呈圓弧形，當巖心結(jié)構(gòu)不均質(zhì)時，水驅(qū)前緣可能呈任意形態(tài)(圖2-12)。黑色區(qū)域表示有液流通過的區(qū)域?？梢钥吹揭毫鞑⒉皇欠植荚谡麎K巖心的任何位置，它總是選擇阻力最小的通道流向巖心的出口端。圖2-12非均質(zhì)巖心中的液流狀況4.非均質(zhì)巖心水驅(qū)油(油水粘度比大)圖2-13是一種較極端的情況，實驗所用巖心不均質(zhì)，巖心兩端所加壓差小，水驅(qū)油時，油的粘度比水大很多(柴油中混少許機油)。實驗結(jié)果是：水只沿高滲透狹長帶發(fā)生驅(qū)油流動，如圖2-13中黑色區(qū)域所示。圖2-13非均質(zhì)巖心中的竄流2.4.3結(jié)論由以上的討論我們能夠清楚地認識到，CT掃描技術在研究滲流力學方面將起到特殊的促進作用。在確定巖心有效孔隙度、含水飽和度等方面將建立一些新的概念。在研究注水井布井，三次采油機理中將為我們給出直觀的開采效果。而這些現(xiàn)象在使用CT掃描之前我們是不能直接觀察的。應該注意到的是：隨著計算軟件的發(fā)展，使用CT技術不僅能進行圖象分析，還可以進行定量分析。CT掃描技術除用于研究流體流動之外，還可用于研究巖心的孔隙結(jié)構(gòu)、層理構(gòu)造。它能幫助我們看清楚巖心內(nèi)部裂縫的發(fā)育狀況，裂縫的長短、寬窄，以及截面積均可使用相應的軟件測量出來。當巖心具有層理結(jié)構(gòu)時，使用CT技術可確定出層面的傾角，每一層的厚度，以及層與層之間的距離，估計各夾層的滲透率等。此外，CT掃描技術用于研究油氣井酸化效果，油氣層污染機理，巖層不整合狀況等也是一種極有效的手段。它能幫助我們測量出酸化前后，孔隙擴大的情況，巖心被酸溶蝕后滲透率所產(chǎn)生的變化，它能幫助我們測量出巖心被污染后，固相顆粒侵入深度，泥漿濾液侵入深度。它也能讓我們看清巖心內(nèi)部不整合面的位置和形狀。2.5低溫氮氣吸附法測定空隙分布作者調(diào)研了重慶南川三泉剖而泉淺1井、景江觀音橋剖而、涪陵B井和石柱打風坳剖而等龍馬溪組頁巖儲層樣品為例[16]，通過低溫氮吸附實驗數(shù)據(jù)來分析儲層空隙及滲流分布特征。2.5.1實驗樣品與測試條件四川盆地志留紀加里東構(gòu)造階段強烈的擠壓導致古隆起而積擴大，在川東南一鄂西渝東地區(qū)發(fā)生強制海侵，使盆地在東南高、西北低的基底上沉積范圍廣、厚度大的龍馬溪組頁巖。龍馬溪組沉積環(huán)境的主體為局限的深水陸棚，下部富含筆石，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)高，向上砂質(zhì)質(zhì)量分數(shù)增多。實驗樣品取自龍馬溪組下部頁巖儲層，取樣位置包括重慶南川三泉剖而泉淺1井、纂江觀音橋剖而、涪陵B井和石柱打風坳剖而。在120塊頁巖儲層樣品中選取6塊新鮮樣品，作為低溫氮吸附實驗的測試樣品。龍馬溪組下部頁巖儲層礦物組分穩(wěn)定，黏土礦物質(zhì)量分數(shù)最高，其次為石英，并含有一定的方解石、長石、黃鐵礦等(見表2-3)，礦物組合反映的沉積環(huán)境為海相深水泥質(zhì)陸棚微相，是一種有利于頁巖氣富集和保存的沉積環(huán)境，樣品有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)較豐富，平均超過2.5%(見表2-3)，類型為工型腐泥型;等效鏡質(zhì)組反射率達到過成熟階段。表2-3龍馬溪組下部頁巖儲層樣品的礦物成分與有機特征參數(shù)樣品編號粘土礦物%石英與長石%碳酸鹽礦物%黃鐵礦TOC%Q-27127.52.323.1Q-37026.22.21.32.8Q-56926.61.61.92.6Q-76729.51.51.62.1Q-87427.31.31.72Q-10682821.42.6低溫氮吸附實驗儀器為美國Quantachrome公司生產(chǎn)的Autosorb-1型比表而積及孔徑測定儀，最小可分辨相對壓力為2.60×10-2(N2)；測試比表而積不小于0.5X10-3m2/g；測試孔徑范圍為(3.5-5000.0)×10-4nm；測試孔體積小于0.1×10-3cm3/g。測試時需進行脫氣處理，脫氣溫度為97.0℃，脫氣時間為5h，樣品質(zhì)量為0.3377-0.6782g，儀器原理為等溫物理吸附靜態(tài)容積法。2.5.2頁巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征比表而積采用BrunauerS等提出的BET多分子層吸附公式口習，在0.05-0.35的相對壓力下進行線性分析，通過單分子層飽和吸附量獲得BJT比表而積；采用BJH模型計算孔徑分布，根據(jù)等溫吸附曲線的脫附線，在相對壓力為0.99時，通過氮氣的吸附量計算得到。2.5.2.1孔隙形態(tài)特征吸附脫附曲線可以表征儲層孔隙的復雜程度和形貌特征，測試單型樣品吸附脫附曲線見圖2-14,其中曲線整體形態(tài)均呈反S型，總體形態(tài)與IUPAC等溫線分類標準：(見圖2-15(a))的IV型最為接近，在IUPAC給出的6種等溫線類型中，I型指示外表而相對較小的微孔固體；Ⅱ型、Ⅲ型等溫線一般由非孔或大孔固體產(chǎn)生；IV型等溫線由介孔固體產(chǎn)生，V型等溫線極為少見，指示微孔和介孔固體上的弱氣一固相互作用；VI型等溫線具有吸附臺階，來源于均勻非孔表而的依次多層吸附。樣品吸附線與IV型接近，說明樣品介孔(2-50nm)較為發(fā)育。龍馬溪組頁巖儲層樣品的吸附過程可以分為3個階段：第一階段((0<P/P0<0.40，p0為氮氣在液氮溫度77.35K時的飽和蒸汽壓)為低壓階段，樣品吸附量增加較為緩慢，吸附等溫線上升較為緩慢，呈現(xiàn)平緩上凸的形狀；該階段對應于液氮在樣品表而的單分子層吸附，等溫吸附線的拐點即為單分子層吸附向多分子層吸附的過渡點；第二階段(0.40Gp/pa<0.80)隨著相對壓力的繼續(xù)增加，樣品吸附量增加速率增快，吸附等溫線迅速上升，并出現(xiàn)回滯環(huán)；該階段對應于多分子層吸附階段；第三階段(Pa>0.80)相對壓力繼續(xù)增加，樣品吸附量急劇增加，吸附等溫線出現(xiàn)拐點，且在拐點后急劇上升，即使在相對壓力接近飽和蒸汽壓(1.00)時也未表現(xiàn)明顯的吸附限制，出現(xiàn)吸附飽和現(xiàn)象；該階段對應于樣品的毛細孔凝聚階段。圖2-14典型樣品吸附脫附曲線圖2-15相對壓力分布圖實驗樣品的等溫脫附曲線出現(xiàn)明顯的脫附滯后現(xiàn)象，脫附量遠小于吸附量，并出現(xiàn)明顯的回滯環(huán)，原因是樣品孔隙結(jié)構(gòu)極為復雜，基質(zhì)表而發(fā)生毛細管凝聚現(xiàn)象，反映樣品小孔徑孔隙的發(fā)育形態(tài)和連通性存在顯著差異，造成吸附的氮氣未能完全脫附。各樣品回滯環(huán)發(fā)育程度不同，但總體形態(tài)基本相似，與IUPAC回滯環(huán)分類(見圖2-15(b))中的H1型最為接近，指示樣品具有較多的片狀顆?；|(zhì)，與樣品較高質(zhì)量分數(shù)的黏土礦物符合(見表2-3)。根據(jù)回滯環(huán)形貌特征與孔隙形態(tài)對應關系，伙見圖2-16)，樣品吸附曲線在飽和蒸汽壓附近很陡，脫附曲線在中等壓力處很陡，總體形態(tài)與B型裂縫形孔隙最為接近，但并不完全相同，兼具A型、C型與E型的形態(tài)特征；回滯環(huán)形貌由多種標準回線迭加而成，兼具圓柱形、裂縫形、圓錐形和墨水瓶形的孔隙特征。封閉性孔不能產(chǎn)生回滯環(huán)，而龍馬溪組樣品出現(xiàn)顯著的回滯環(huán)，說明樣品孔隙開放，以開放程度較高的的圓筒孔及平行板孔(圓錐形、圓柱形、平板形和墨水瓶形)等孔隙為主；由于回滯環(huán)形貌與B型最為接近，說明多存在平行板狀、狹縫狀的孔隙。圖2-15回滯環(huán)形貌特征與孔隙形態(tài)對應關系2.5粘彈性聚合物溶液在擴張一收縮孔道中的滲流特征研究2.5.1物理模型地層的微觀孔隙[17]非常復雜，這給理論的研究帶來了很多不便，因此在研究過程中，需要對油藏的微觀孔隙簡化。本文選擇了擴張一收縮流道的簡化模型作為研究的物理模型，對其進行了簡化。該模型具有截而突變的特點，能夠準確的反應瓢彈性流體在多孔介質(zhì)迂曲的孔道中流動時，死油區(qū)在孔隙中的存在方式以及由于孔隙的擴張、收縮造成的Lagrangian意義下的不穩(wěn)定流動。圖2-17擴張一收縮孔道物理模型示意圖2.5.2數(shù)學模型聚合物溶液在微觀孔隙中流動的控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程和本構(gòu)方程[18][19]。本構(gòu)方程選取上隨體Maxwell本構(gòu)方程(UCM)。以下方程均為無因次形式。(2-2)(2-3)(2-4)(2-5)(2-6)(2-7)式中u,v為X和Y方向的速度分量，τxx,τyy為法向應力，τxy為剪切應力。Re為雷諾數(shù)，Re=pUB/η。特征長度B一般取喉道寬度的一半；特征速度U一般取喉道截而的平均速度。威森博格數(shù)We，We=λU/B。2.5.3數(shù)值結(jié)果應用前文所述有限體積法對粘彈性聚合物溶液在擴張一收縮孔道中的流動進行求解。根據(jù)所得結(jié)果繪制不同We下聚合物溶液在擴張一收縮孔道中的速度等值線圖、流函數(shù)等值線圖。不同We下聚合物溶液的速度等值線圖圖2-18圖2-21為不同We下聚合物溶液在擴張一收縮孔道中的速度等值線圖。從圖中可以看出當孔喉比相同時，隨著瓢彈性(We)的增加，同一條速度等值線逐漸靠近凸角，說明隨著We的增加凸角處的速度增加凸角處的波及范圍增加，有利于凸角處的殘余油變成可動油，從而提高微觀波及效率。圖2-18We=0，Re=5Xe-5速度等值線圖圖2-19We=0.4，Re=5Xe-5速度等值線圖圖2-20We=0.8，Re=5Xe-5速度等值線圖圖2-21We=1.2,Re=5Xe-5速度等值線圖為了更加詳細的研究凸角內(nèi)靠近邊界處速度分布特征，繪制了不同凸角內(nèi)y=1.45、y=1.25處的速度曲線(如圖2-22所示)，從圖中可以看出隨著聚合吻溶液粘彈性(We)的增加，同一位置處的速度逐漸增大，擴張?zhí)幱葹槊黠@。圖2-22凸角內(nèi)y=1.45處速度曲線不同We下聚合物溶液的流函數(shù)等值線圖圖2-23We=0,Re=5Xe-5流函數(shù)等值線圖圖2-24We=0.4，Re=5Xe-5流函數(shù)等值線圖圖2-25We=0.8，Re=5Xe-5流函數(shù)等值線圖圖2-26We=1.2，Re=5Xe-5流函數(shù)等值線圖圖2-23圖2-26是聚合物溶液通過擴張一收縮孔道的流函數(shù)等值線圖。當黏彈性聚合物溶液通過擴張一收縮孔道時會在因截而突縮造成的凸角處產(chǎn)生渦流。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是：當流體進入一個相對更窄的孔道時，它將會通過增加渦流區(qū)域的范圍和密度來松弛其對應的應力。從圖中可以看出渦流的大小和強弱(渦流的強弱可以通過流函數(shù)等值線密度來看)主要由黏彈性(We)的大小和孔喉比決定。黏彈性(We)的影響較大，黏彈性越強，凸角處產(chǎn)生的瓢彈性渦流區(qū)域越大、越強。隨著We從。增加