（油气田开发工程专业论文）聚驱采出液对抽油机井杆管偏磨影响的机理研究.pdf

s t u d yo nm e c h a n i s mo fi n f l u e n c eo fp r o d u c e dl i q u i d i np o l y m e rf l o o d i n gw e l l so ne c c e n t r i cw e a rb e t w e e ns u c k e rr o d a n do i lt u b e c h e nh u i ( o i la n dg a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l iz h a o m i n a b s t r a c t p o l y m e rf l o o d i n gh a sb e e na l li m p o r t a n te n h a n c e do i lr e c o v e r ym e t h o da d o p t e d a tt h el a t e rs t a g eo fo i l f i e l dd e v e l o p m e n ti nc h i n a b u t ，ap r o b l e mh a sb e e np u t f o r w a r dt h a tt h er a t ea n dd e g r e eo fe c c e n t r i cw e a l b e t w e e ns u c k e rr o da n do i lt u b e a g g r a v a t e di np o l y m e rf l o o d i n gw e l l st h a nw h i c hi nw a t e rf l o o d i n gw e l l s s i n c e p o l y m e rw e l l sp u ti n t op r o d u c t i o n v i s c o s i t yo fp r o d u c e dl i q u i de l e v a t i n gl e a dt o f r i c t i o ni n c r e a s i n ga s s o c i a t e d 谢也v i s c o s i t y t h a ti s ，f o r c es t a t u so fs u c k e rr o da n d t u b et u r nt o ob a d ，a n dt h el e n g t h w a y sc o m p r e s s i v el o a d si n c r e a s e di nd o w n s t r o k e a n ds o ，e c c e n t r i cw e a l b e t w e e ns u c k e rr o da n do i lt u b eb e c o m es e r i o u s ，t h er a t eo f s u c k e rr o da l s oi n c r e a s e d ，o p e r a t i n gw e l l so b v i o u sa d dal o t ，i tm u s ti n f l u e n c et h e p r o d u c t i o no fp o l y m e rf l o o d i n gw e l l 弧i sa r t i c l ea i m e da tt h ep r o b l e m ，o b t a i n e d p o l y m e rs a m p l ef r o mf i e l d ，s t u d i e de x p e r i m e n to nr h e o l o g yo fp r o d u c e dl i q u i d ， i n c l u d i n gt h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r e ，c o n c e n t r a t i o na n do i lc o n t e n te r eo nv i s c o s i t y , r e g r e s st h ec o n s i s t e n c yc o e f f i c i e n ta n dr h e o l o g i c a lc o e 伍c i e n to fc o n s t i t u t i v ee q u a t i o n , d e p i c t e dc o n s i s t e n c yc o e f f i c i e n ta n dr h e o l o g i c a lc o e f f i c i e n tt h r e e - d i m e n s i o n a lc u r v e r e s p e c t i v e l yu n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n dc o n c e n t r a t i o nc i r c u m s t a n c e s e x p e r i m e n t o nd y n a m i cs h e a rw a sc a r d e do u t ，o b t a i n i n gr e l a t i o n s h i po fc o m p o s i t em o d u l u s ，l o s s m o d u l u sa n ds t o r a g em o d u l u sf o l l o w i n gc h a n g eo ff r e q u e n c y ，g e t t i n gt h er e l a t i o n s h i p o ff r e q u e n c ya n de q u i v a l e n tp o i n to fl o s sm o d u l e sa n ds t o r a g em o d u l e s c a l c u l a t i o n f o r m u l a so fp u m p i n gu n i ts u s p e n s i o np o i n tl o a dw e r eo b t a i n e d ，t h ed i s t r i b u t i n gf o r c e s a l o n gt h ea x i sd i r e c t i o nw e r ea n a l y z e d , a n dt h ep o s i t i o no fn e u t r a lp o i n ta n dc r i t i c a l c o n d i t i o no fr o da n dt u b i n gw e a rw e r ed e r i v e d t h em a t h e m a t i c a lm o d e l sv e l o c i t y d i s t r i b u t i o n so fe c c e n t r i ca n n u l a ru n d e rt h em o v i n gt oa n df r oa x i a l l yf o rt h ep o w e r - l a wf l u i dw e r ed e d u c e d t h em a x w e l lf l u i dw a su s e dt oc a l c u l a t et h el a t e r a lf o r c ei n t h ee c c e n t r i ca n n u l a rb yu s i n gb i p o l a rc o o r d i n a t e sc o n v e r s i o n s o m ef a c t o r si n c l u d i n g w a t e rc o n t e n ta n ds u b m e r g e n c ed e p t hw h i c hi sr e l a t e dt os u c k e rr o da n do i lt u b ew e a r w e r ea n a l y z e d m e a s u r e so fp r o t e c t i o ne c c e n t r i cw e a l ，m a i n l ya r el o w e rs i n k e rr o d a n dc e n t r a l i z e r ，w e r ed e s i g n e da n dc a l c u l a t e d k e yw o r d s ：p o l y m e rf l o o d i n g ，e c c e n t r i cw e a r , p o w e r l a wf l u i d ，l o s sm o d u l e s ， s t o r a g em o d u l e s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得中国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 签名：塑! 垫 年月日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 诱撂 年 年 月 月 日 日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 研究背景与意义 第一章引言 聚合物驱在各大油田工业化应用以来，取得了不错的驱油效果，对于油田保持高 产稳产有一定的积极作用，经济和社会效益显著。但与此同时，聚驱采出井机采方式 基本沿用了水驱时的配套技术，给采油工艺方面带来了新的问题。与水驱相比，聚驱 油井产出液性质复杂，采油井见聚后抽油机的最大悬点载荷较水驱增加、而最小悬点 载荷较水驱时减小；抽油杆受力状况恶化，抽油杆与油管偏磨较水驱时程度及速度加 剧，杆断率增加，作业井次数明显增加，影响聚驱油井生产；检泵周期大大缩短，作 业费用增加，使得采油成本加大。 聚合物驱前后油井出现的这种现象非常普遍。美国的b y r o w 油田在注聚合物前因 杆管偏磨造成的断杆脱扣事故为2 4 井次年，而注聚后抽汲含聚合物采出液时则为4 2 井次年；在北俄勒冈州的n o r t ho r e g o nb a s i n 油田，注聚前后的断杆脱扣事故分别为 4 2 和2 6 6 井次年，增加了5 倍多。大庆油田采油一厂2 0 0 0 年有7 6 4 9 的返工井是由 于偏磨、杆断、管断、管漏、泵漏而引起的。其他各大油田也出现类似的情况。 目前，聚驱机采井出现的此类问题通常被认为是聚合物的高粘度所致。尽管聚合 物溶液具有增稠特性，但含聚合物溶液的粘度在很多油井中比原油粘度还低，约为 5 m p a s 1 5 m p a s 。抽油机在抽汲粘度更高的原油时尚能正常工作，而抽汲粘度更低 的含聚采出液时却出现问题，显然问题的关键不仅仅是聚合物溶液导致的粘度变化， 其中必定含有其他的机理和原因。由于聚合物溶液是典型的非牛顿流体，当注入的聚 合物突破后，采出液中的聚合物将会对其性质产生影响，因此分析和解决聚驱井中的 现象和问题，必须依据非牛顿流体力学的理论和方法。此外还会受到生产条件( 如抽汲 速度等) 的影响。这些原因共同造成了聚驱机采井各种不正常现象和问题的增加。 从常规水驱转为聚驱后，整个系统中流动的流体的组分和流动特性发生了很大的 变化，不但包括油、气、水，而且包括聚合物这种典型的高粘度非牛顿流体。使得系 统中流体的流动规律与水驱相比差别很大，且更为复杂。在聚合物驱油的井生产过程 中出现原油的粘度增大，含水率降低，油水乳化加剧等现象，系统中混合流体的粘度 大幅度增加，导致与粘度有关的各种摩擦力大幅度增加，抽油机悬点最大载荷与最小 载荷增加，抽油杆受力状况变差，抽油杆柱下行阻力增大，使得抽油杆柱弯曲变形过 第一章引言 大，抽油杆与油管之间发生偏磨，严重的将会使抽油杆断脱、油管磨漏。为了降低杆 断率，延长检泵周期，必须对聚驱采油井采出液的性质进行研究，在此基础上，依据 非牛顿流体力学理论和采油工艺理论推导临界载荷计算公式，对聚驱采出井生产过程 中抽油杆柱的受力状况进行分析，查明造成偏磨杆断的真正原因，从而有针对性地实 施防治措施，保证聚合物驱的顺利实施。 除了复杂的流体性质外，采出液的流动环境和条件也是非常复杂的。理论上含聚 采出液的流动通道是由抽油杆和油管所构成的同心环空，但是实际上这种环形通道经 常是偏心的。有杆抽油系统结构和工作原理上的特点使作为内壁面的抽油杆处在不断 地往复运动中，井中柱塞泵的上下冲程又使环空内的采出液不断地受到周期性压力梯 度的作用，这些都使采出液在井筒内地流动具有周期性和非定常流动特征。作为有杆 抽油系统的子系统之一，采出液在井筒杆管环空内的周期性非定常流动必然会对有杆 抽油系统产生一定的作用和影响，特别是采出液性质发生变化后，因此需要了解含聚 采出液在井筒内的流动规律以及它对采油系统的影响。 随着聚合物驱油技术应用范围的不断扩大，由此引发的一系列问题严重影响了生 产实效，虽然采取了一定的改进措施，但是对许多问题和现象产生的本质和机理缺乏 深入地了解和认识，对聚合物采出液性质、偏磨机理影响因素以及聚驱采出液在井筒 条件下流动规律的研究，有助于了解和认识聚驱采油工程中出现的各种问题的机理， 为聚驱机采井杆管偏磨防治提供理论依据和指导。 1 2 研究现状与进展 1 2 1 聚合物溶液的流变性 李彩虹、张玉亮【l - 3 】对聚合物溶液开展的流变性实验研究表明，在低剪切速率下聚 合物溶液显示出牛顿流体特征，其表观粘度不随剪切速率而改变。只有当浓度达到某 一数值后才表现假塑性流体特征。假塑性性质依赖于剪切速率、聚合物浓度、矿化度 等多种因素。唐金星等1 4 1 在较宽的剪切速率范围内得到了聚合物溶液的流变曲线，分析 了它的宏观流变特性与聚合物浓度、温度、压力等的关系。李福军【5 1 的实验结论与前面 一致，即在聚合物驱的矿场实际应用条件下，聚合物溶液的流变模式符合幂律模式中 的假塑性流体模型，并且溶液的稠度系数和流变指数随聚合物溶液浓度的变化而变 化。随聚合物溶液浓度的增加，稠度系数增加，这说明其增稠特性越来越明显：幂指 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 数随浓度的增加而减小，并且与l 的偏差越来越大，这表明它偏离牛顿流体的程度越 来越显著。 聚合物溶液除了具有粘性特性外，还表现出弹性的特殊性，也就是说聚合物溶液 是粘弹性流体，并且弹性有多种表现形式【6 】。2 0 世纪7 0 年代的研究结果嗍表明，在聚 合物溶液浓度较低的情况下，可以忽略聚合物溶液的粘弹性。但是当聚合物溶液的浓 度较高时，特别是在高速流动条件下就不能忽略溶液的粘弹性效应。张玉亮忉等通过实 验测定了不同浓度和矿化度下的聚合物溶液在多孔介质中的流动规律。汪伟英【8 1 根据聚 合物溶液在多孔介质中的渗流理论，提出了有效粘度的计算方法，导出了包括流体粘 弹性效应的、适用于较高流速范围的聚合物溶液有效粘度和剪切速率的关系式。夏惠 芬等【9 1 通过动态剪切实验和稳态剪切流动实验研究了聚合物溶液的粘弹性。无论是小振 幅振荡剪切实验还是稳态剪切实验都证明了聚合物溶液具有粘弹性流体特征，在低频 率下聚合物溶液以粘性为主，在中、高频率下以弹性为主。 1 2 2 杆管环空内流体的流动 周凤石【1 0 l 对偏心环空p o i s e u i l l e 流做了分析，并得出了偏心环隙流动的四个基本特 征，并对有关问题做了讨论。 吴疆【l l 】从柱坐标系下的n s 方程出发，对偏心环空p o i s e u i l l e 流的流动规律做了分 析。 崔海清和张海桥【1 2 】对石油工业中常用的h e r s c h e lb u c k l e ) , 流体的环空螺旋流做了解 析求解。与此同时，他们共同对幂律流体的圆管螺旋流做了解析求解，并且还对其得 到的结论做了室内实验验证。实验结果证明了他们的解析解是正确的。 l u o 和p e d e n 1 3 1 共同提出了一种求解偏心环空p o i s e u i l l e 流动的新方法。这种方法 的基本思想是：把偏心环空视为由无数个外径变化而内径不变的同心环空而组成，从 而可把偏心环空问题化为同心环空问题。 刘希圣，樊洪海和丁岗【1 叼对幂律流体偏心环空p o i s e u i u e 流的流动规律做了理论分 析和实验研究。 u n e r 和o z g e n 1 5 1 对幂律流体偏心环空p o i s e u i l l e 流的流量做了计算。他们是把偏心 环空问题化为变高度间隙问题处理的。 韩式方和伍岳庆【1 6 1 研究了上随体m a x w e l l 流体在圆管内非定常流动规律。 第一章引言 朱文辉和刘慈群【1 7 】研究了m a x w e l l 流体在环管内的不定常流动，进行了分析并得 到了解析结果。 崔海清和刘希圣【1 8 】建立了双极坐标系下非n e w t o n 流体偏心环空螺旋流的控制方 程，以水和c m c 水溶液为例计算和分析了非n e w t o n 流体偏心环空螺旋流的速度分 布，证实了影响非n e w t o n 流体偏心环空螺旋流二次流区域大小的主要因素是偏心距。 汪海阁等人【l 明以幂律流体为例计算了下套管作业时所产生的压力梯度和偏心环空 速度分布，对偏心度对波动压力及偏心环空宽，窄间隙内速度分布的影响也进行了研 究。 郑应人1 2 0 对非牛顿流体环空螺旋流的精确解进行了研究，从液体流动的运动方程 式和具有四个流变常数的本构方程式出发，引入应力函数的概念后导出了求解特征参 数的新方法。 郑俊德等人【2 1 1 研究了聚合物产出液在抽油泵的缝隙中的流动情况，建立了泵筒与 柱塞同心和偏心两种情况下运动方程和边界条件，给出了缝隙流流速，流量的解析 解。之后，郑俊德等人捌又研究了聚合物产出液在杆管环空中的流动情况，建立了在 考虑抽油杆上、下往复运动的条件下杆管同心与偏心两种情况下速度，流量与压力梯 度方程，并得到近似解。 李兆敏等人瞄1 对宾汉流体在环空中流动时的速度分布规律进行了研究，利用因次 分析方法，推导出了宾汉流体在环空中作层流运动时的速度分布规律，并且讨论了屈 服应力和压力梯度等参数对宾汉流体环空层流速度分布剖面的影响。 1 2 3 杆管偏磨问题 目前，杆管偏磨问题已经成为影响抽油机井检泵作业的主要因素之一。特别是采 用聚合物驱油技术以来，当采出液中含有聚合物后，杆管偏磨的问题目趋严重，因此 解决机采井的杆管偏磨已经成为油田生产亟待解决的问题。 在工程中，根据理论研究提出了很多解决杆管偏磨的措施【2 4 。2 7 1 ，如采用加重杆、 扶正环等，现场中也取得了一定的效果。但目前这些措施主要是针对水驱井，尽管有 些措施应用于聚驱井有一定的效果，但效果远不及水驱井的。这也就是说聚驱井杆管 偏磨在机理上与水驱井有不同的方面，为此许多学者对聚驱井的杆管偏磨问题进行了 研究。目前对聚驱井杆管偏磨加刷的原因有两种认识：( 1 ) 含聚采出液是菲牛顿流体， 特别是在高剪切速率下呈现出粘弹性增加了采出液的粘度，使得聚驱井下冲程中抽油 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 泵柱塞与衬套间的阻力、流体通过游动阀的阻力远大于水驱井的阻力，朱君和刘合等 【2 8 】、韩洪升等1 2 9 、孙健【3 0 】、郝建中等1 3 1 1 和赵子刚等【3 2 1 都从这个角度对此进行了简单地 分析。但他们的工作的重点主要是抽油杆的受力分析，对采出液的弹性研究并不充 分。( 2 ) 法向力作用。吴晓东等【3 3 】认为含聚流体在油井中存在法向力是导致杆管偏磨加 剧的原因，并从聚合物溶液的非牛顿性入手计算了法向力。韩洪升和王德民等 3 4 1 通过 实验证实了聚驱机采井内确实存在沿抽油杆在侧面上作用于杆上的力，在实验中测定 了不同聚合物浓度在不同偏心度下的法向力，但没有给出力的计算公式。杨树人等【3 5 】 以下随体m a x w e l l 模型计算了内管沿轴向以恒定速度运动时流体作用于抽油杆上的径 向力，但他们计算的是稳态时的情况，没有考虑到抽油杆往复运动时对其的影响。 1 3 论文的主要研究内容 ( 1 ) 聚驱油井产出液的流变性研究，包括损耗模量、储存模量随频率变化的关系， 粘弹主导性的变化： ( 2 ) 聚驱井中轴向力作用下的杆管偏磨机理分析，对轴向的载荷进行了分析，包括 中和点位置的计算以及临界偏磨条件的推导； ( 3 ) 幂律流体在偏心环空内壁面沿轴向做周期性往复运动的环空内的非定常流的流 动规律； ( 4 ) 下随体m a x w e l l 模型粘弹性流体在偏心环空中内壁面沿轴向做周期性往复运动 的侧向力计算； ( 5 ) 根据聚驱油井杆管偏磨的机理，对其进行偏磨措施的设计。 5 第二章聚合物宏观流变性研究 第二章聚驱采出液的流变性研究 2 1 聚驱采出液的粘度 聚驱采出液是原油与聚合物溶液的混合物，可采用加权法计算其粘度，即 = ( 1 一无) + 鳓厶 ( 2 1 ) 式中，心、心和心分别为混合物、油相和水相( 聚合物溶液) 的粘度，p a s ；无为 采出液的含水率，小数。 式( 2 。1 ) 表明，聚驱采出液的性质既与原油粘度有关，也与水相粘度有关。由于普 通水的粘度较小，小于lm p a s ，因此水驱采出液的粘度主要决定于油相，可忽略水相 的影响。对聚驱采出液，由于水相中聚合物的存在改变了水相流体的性质，使其由牛 顿流体变为非牛顿流体，特别是聚合物含量达到一定浓度的时候，含聚水相的流变性 将对混合液性质起决定性作用，这样就不能再忽略含聚水相的流变性对采出液性质的 影响，因此有必要研究聚合物溶液的流变性。 2 2 聚合物溶液的性质 2 2 1 聚合物溶液的流变性 流变性是指在外力场作用下，物体( 或材料) 发生流动或形变的一种特性。聚合物溶 液的流变性是指溶液粘度与流速或压差之间的关系。作用在物体上的力主要分为两种 力，一种是拉伸，另一种是剪切。在孔隙介质中，聚合物溶液流动同时承受着剪切和 拉伸力作用，存在剪切流动和拉伸流动。 ( 1 ) 剪切流动 水在管道或毛管中作层流流动属于剪切流动。在外界压差作用下，同一断面上的 水分子的流速分布呈线状，这是管壁固体分子对液体分子作用的结果。 假设压力梯度为d p d l ，在半径为，的液面上承受的静压力为万r 2 印。在长度为出 的液柱面上受到的剪切力为r 2 7 r r d l 。受力平衡时： - r 2 7 r r d = 万，2 d p 剪切应力为： 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 一，印f = 一一二 2m - 、 上式说明，液柱半径越大的表面上剪切应力越大，也就是说，越靠近管壁剪切应力越 大。在切应力作用下，液层以不同速率流动。设两液层的流速差为如，液层间距离为 曲，定义剪切速率为：，= d v d h ，剪切速率随切应力增加而增大，所以，越靠近管壁 剪切速率越大。经大量的实验证明，在剪切流动状态时，聚合物溶液的流变性可以用 拟塑性流体的幂律模式来描述。 ( 2 ) 拉伸流动 当聚合物溶液通过收缩一发散的喉道时，流线收缩，流动单元在横向上变细，轴 向上伸长，从而产生拉伸流动。这是由于聚合物溶液通过孔喉时受到拉伸力作用。由 于流线收缩，孔喉处流速远大于孔喉前后的流速。在孔喉处产生了速度差西。定义单 位长度的速度差d v l 为拉伸速率，三为产生速度差的管长。拉伸流动的特点是速度梯 度方向或拉伸速率方向与流动方向一致。应当指出小分子溶液通过收缩孔喉时不产生 拉伸流动。 ( 3 ) 高分子聚合物溶液假塑性流变特性解释 当聚合物溶液处于静止状态时，其中的大分子是以无规则线团状分散在水中的。 在对溶液施以一个近似于0 的极小的剪切应力时，只要剪切速率未影响总的分子构 象，无规则团结构将保持不被扰动，流动曲线的斜率在这一极低剪切速率范围保持不 变。随剪切速率增加，无规则团被剪切力的作用破坏，由球形变为椭球形，分子变长 变细，同时分子在溶液中顺流动方向定向。剪切形变使分子流动力学等价球体积增 加，从而表面积增加，导致内摩擦力增加，粘度相应上升。但分子定向而导致流动阻 力减小，克服了分子表面积增大而造成的阻力，所以，总的趋势仍然是剪切变稀。无 规线团结构开始破坏和分子取向结构开始建立的瞬时，就是由牛顿状态到假塑性状态 的开始。当分子取向到达最大程度时，流动特性指数可能再回到1 。剪切速率很高时， 分子之间可能发生缠结，这时流动阻力很大，流变曲线类似胀流型。 2 2 2 聚合物溶液的增粘性 由于聚合物一般具有较大的分子量，它的溶解速度要慢得多。由于聚合物分子的 尺寸与溶剂分子的尺寸相差悬殊，因此，二者分子的运动速度也相差较大，溶剂分子 能很快地渗入聚合物，而聚合物分子向溶剂中的扩散速度却非常缓慢。因而，聚合物 的溶解过程要经历两个阶段：首先是溶剂分子渗入聚合物内部，使聚合物体积膨胀， 7 第二章聚合物宏观流变性研究 即溶胀过程；第二个阶段才是聚合物分子在渗入的溶剂分子作用下使高分子聚合物均 匀地分散在溶剂中，形成完全溶解的聚合物一溶剂分子分散体系。 在室内配制聚合物溶液的过程中，向溶剂中加入聚合物粉末，必须均匀而快速。 快速的目的是由于聚合物的吸湿性非常强，在空气中暴露过久会吸收空气水分而潮 解，使聚合物的溶解性变差；均匀的目的是避免聚合物被成团加入到水中，会使团状 聚合物表面的粉末发生溶胀而阻碍内部聚合物的溶解，形成“鱼眼 影响溶解效果。 在溶液中，偶极水分子通过吸附或氢键作用在高分子周围形成溶剂化层或成为束 缚水，带电集团间的静电斥力使聚合物分子更加舒展，无规线团体积增大，致使分子 运动的内摩擦增大，流动阻力增加，从而增大了溶液的粘度。 2 2 3 聚合物溶液的稳定性 在聚合物驱机理中，聚合物增加了流体粘度，降低了地层渗透率，改善了流度 比，提高了波及系数。聚合物分子的任何降解都会导致流度的失控。因此保持聚合物 溶液在地下的粘度至关重要，这也是聚合物驱是否成功的关键。 保证聚合物溶液的稳定性，也就是要防止聚合物降解。聚合物降解是指聚合物主 链断裂，或主链保持不变而改变了取代基的过程。聚合物降解主要取决于聚合物本身 的化学结构。外界因素如应力、湿度、含氢量、残余杂质都对聚合物降解有很大影 响。在聚合物驱油中，通常将聚合物的降解分为机械降解、化学降解和微生物降解三 大类。 ( 1 ) 机械稳定性 在聚合物驱过程中，聚合物溶液经地面注入( 搅拌罐、静混器、闸门) 和射孔孔眼进 入地层后，其粘度损失主要是由聚合物的机械降解作用引起。机械降解是指聚合物分 子收到的拉伸应力超过了聚合物分子内化学键所能承受的能力时，聚合物分子链断裂 的现象。在常用的聚合物中，部分水解的聚丙烯酰胺f i n , a m ) 的机械稳定性较差，而黄 胞胶却具有较好的抗剪切性。 ( 生物稳定性 生物降解是聚合物驱中的一个主要问题。部分水解聚丙烯酰胺和生物聚合物都可 能存在生物降解问题，只是生物降解问题更为严重。如果聚合物在地面被生物降解， 可能导致聚合物的注入问题。因为微生物会堵塞地层，影响注入能力；如果聚合物在 地层被微生物降解，可能导致聚合物溶液的粘度损失，甚至丧失流动控制能力。因 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 此，了解聚合物的生物降解特性，及时采取相应对策，对于提高聚合物驱效果十分必 要。 ( 3 ) 化学降解 化学降解是指在化学因素( 氧、金属离子) 作用下，发生氧化还原反应或水解反应， 使分子链断裂或改变聚合物结构，导致聚合物分子量降低和溶液粘度损失的一个过 程。由于化学反应速率与温度紧密相关，因此又有热氧化降解之称。 2 3 聚合物溶液流变性实验研究 2 3 1 实验样品 实验样品( 胜利采油厂配制聚合物母液所使用的干粉型号) 性能参数见下表： 表2 - 1 聚合物样品性能参数 t a b l e 2 - 1p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fp o l y m e rs a m p l e 聚合物商品名称分子量水解度固含量外观滤过比 不溶物溶解 类型( x 1 0 6 ) ( )( )含量( ) 时间 ( h ) h p a mk y p a m 6 a2 5 22 0 58 9 粉末 1 oo 1 殳0 由中国石化胜利油田分公司检测中心起草的驱油用聚丙烯酰胺产品质量技术要求 如下( 各参数与均符合质量技术指标) ： 表2 - 2 驱油用聚丙烯酰胺产品质量指标 t a b l e 2 - 2i n d e xo ff l o o d i n gp o l y m e rp r o d u c t 项目质量指标 外观 白色颗粒状干粉 水解度2 0 0 2 5 o 表观粘度，m p a - s 芝1 1 5 固含量之8 9 0 溶解性 母液溶解均匀，溶解时应无大量气泡；溶解时间叟0h 水不溶物含量 蜘2 剪切粘度保留率之9 0 0 颗粒含 小于o 1 5m m 颗粒含量0 量 大于1 0m l l l 颗粒含量0 为了与现场聚驱产出液吻合，研究不同浓度、矿化度、含油聚合物溶液的流变 9 第= 章寨台物宏观瀛变性研究 性。故从胜利采油厂现场取4 0 0 0 m g l 的母液若干，并且用现场水质配制聚合物溶液进 行流变性实验。 对胜利采油厂配制聚合物母液所用的现场水质进行分析，各项参数如下 表2 - 3 现场水质分析参数 检测依据 s y 5 5 2 3 - 2 0 0 0 阴离子阳离子 项目m d l项目m 扎 c 】-c f + h c 0 3 m f + 3 9716 k + + n a + 阳离子总量 3 9 2 09 4 阴离子总量 1 7 10 5 6 总矿化度p h 值 6 苏林分类氯化钙型 2 32 实验设备 实验设备： ( 1 ) 德国a n i o np a a r 公司生产的p h y s i c am c u 0 1 旋转流变仪( 图2 - 1 ) 。( 平行平扳 测量系统、同轴圆筒测量系统和固体动态力学分析系统) 主要用于各种高分子材料流变 性能、粘弹性行为和动态力学性能研究： 圈2 - 1p h y s i e am c r 3 0 1 旋转流变仪 n 9 2 l p h y s l c a m c i u 0 1 r o t a r ) rr h e o m e t e r ( 2 ) 恒温水浴； ( 3 ) 电子天平：用于各种物质的定量称量，精度为0 0 0 1 r a g ； ( 4 ) 容量瓶、烧杯、量简、移液管、滴定管、温度计； ( 5 ) 磁力搅拌器。 实验参数： 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 参考胜利采油厂聚驱采出液含聚浓度( 1 0 0 m g l - - - - 4 0 0 m g l ) 、含油率( 5 - - - 1 5 ) ， 配制不同参数的溶液，测定其在不同温度、浓度、含油率下的流变性。实验参数见表 2 - 4 ： 表2 - 4 实验参数 温度( )5 06 07 0 含油率( )51 01 5 浓度( r a g l )l o o2 0 04 0 0 2 3 3 实验结果分析 ( 1 ) 温度影响 聚丙烯酰胺溶液( 质量浓度2 0 0 r a g l ) 在不同温度下的流变曲线如图2 2 。由图2 - 2 ( a ) 可以看出，随着温度的升高，含油聚丙烯酰胺溶液的表观粘度下降。这是因为随着温 度的升高，聚丙烯酰胺分子在溶液中运动速度加快，分子间的作用力减弱，所以含油 聚丙烯酰胺溶液的表观粘度下降。同时随着温度的升高，剪切变稀的特性逐渐减弱， 表观粘度的变化趋于平缓。因此当温度高于临界温度点时，即呈现为牛顿流体的流动 状态，粘度不再随剪切速率变化而变化。这与图2 - 2 ( b ) 中不同温度下聚丙烯酰胺溶液的 流变性曲线变化趋势近似。因此油藏温度越高，聚合物的增粘效果越差，但温度对聚 合物的假塑性流变特征影响不明显。 ( a ) 含油率l o c o ) 含油率o ( a ) o i lc o n t e n t10(b)oil c o n t e n to 图2 - 2 不同温度下聚合物流变曲线 玳9 2 - 2r h e o l o g i c a lc u r v eo fp o l y m e ri nd i f f e r e n td e g r e e 利用幂律流体模型对含油1 0 质量浓度2 0 0 m g l 聚合物溶液在不同温度下的实验 数据对稠度系数、流变系数进行回归，回归的本构方程如表2 5 所示。 第二章聚合物宏观流变性研究 表2 - 5 不同温度含油聚合物回归本构方程 温度( ) 质量浓度c m g m )含油率( ) 本构方程 5 0 2 0 01 0 = 4 0 2 6 7 7 一o 1 6 9 8 6 02 0 01 0 = 2 5 3 6 1x ? 。0 1 4 9 5 7 02 0 01 0 = 8 9 4 6 8 x 7 卸1 4 0 5 图2 - 3 不同温度含油聚合物测量值与回归值的关系 f i 醇- 3t h er e l a t i o n s h i po fr e g r e s s e dv a l u ea n dm e a s u r e dv a l u eo fo i lp o l y m e ri nd i f f e r e n td e g r e e 由图2 - 3 可以看出：在不同温度下，质量浓度2 0 0 m g l 含油1 0 聚合物的表观粘 度的测量值和回归方程计算值的最大相对误差为5 3 0 0 ，其平均值为2 0 3 1 。故回 归的本构方程可以描述不同温度下的含油聚合物，其符合幂律流体模型。 ( 2 ) 浓度影响 温度6 0 c 下含油1 0 聚丙烯酰胺溶液在不同质量浓度下的流变曲线如图2 4 。由 图2 4 ( a ) 可以看出，含油聚丙烯酰胺的质量浓度越大，其表观粘度就越大；随着剪切速 率的增大，质量浓度大的含油聚丙烯酰胺溶液其表观粘度下降幅度大。这是由于在低 剪切速率下，质量浓度大的含油聚丙烯酰胺溶液里的分子间的引力大，其分子链比较 稳定，所以表观粘度较大。但随着剪切速率的增大，聚丙烯酰胺分子的网状结构被破 坏，造成表观粘度下降。质量浓度越大的含油聚丙烯酰胺溶液，其分子结构被破坏越 严重，因次其表观粘度下降的就越大。这与图2 4 中不同质量浓度下聚丙烯酰胺溶液 的流变性曲线变化趋势近似。结果表明，含油聚合物浓度增高，不仅可以增强溶液的 假塑性流变特性，而且可以提高聚合物的增粘性，高浓度的增粘特性更好。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 o柏1 0 0 剪切速率( 1 街 ( a ) 含油率1 0 剪切速率( 1 肪 彻含油率0 ( a ) o i lc o n t e n t10(b)oil c o n t e n to 图2 4 不同质量浓度下聚合物流变曲线 f i 9 2 - 4r h e o l o g i c a lc u r v eo fd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o np o l y m e r 利用幂律流体的流变模式对含油1 0 聚合物溶液在不同的温度下的实验数据对稠 度系数、流变系数进行了回归，回归的本构方程如表2 - 6 所示。 表2 _ 6 不同质量浓度下含油聚合物回归本构方程 t a b l e 2 - 6r e g r e s s i o no fc o n s t i t u t i v ee q u a t i o no fd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o no i lp o l y m e r 质量浓度( m g l )温度( )含油率( ) 本构方程 1 0 06 01 0 = 1 3 6 2 3xy o 1 4 0 1 2 0 06 01 0 x = 2 5 3 6 1 xy 。0 1 4 9 5 4 0 06 01 0 a = 5 5 6 4 9 xy 加1 5 5 5 剪切速率( 1 ，s ) 图2 - 5 不同质量浓度含油聚合物测量值与回归值的关系 f i 9 2 5t h er e l a t i o n s h i po fr e g r e s s e dv a l u ea n dm e a s u r e dv a l u eo fd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o no i lp o l y m e r 1 3 枷 珊 瑚 绑 狮 懈 伽 o (ij占越簿鼷氍 (s罡3毯舞曝僻 第二章聚合物宏观流变性研究 由图2 5 可以看出：在不同质量浓度下，6 0 下含油1 0 聚合物表观粘度的测量 值和回归计算值的最大相对误差为1 8 3 8 ，平均值为0 6 6 9 。回归的本构方程可以 描述不同质量浓度下含油聚合物，其符合幂律流体模型。 ( 3 ) 含油率影响 温度6 0 c 下质量浓度2 0 0 m g l 含油聚丙烯酰胺溶液在不同的含油率下的流变性曲 线如图2 - 6 。由图2 - 6 可以看出，含油率越高的聚丙烯酰胺溶液的表观粘度越大。在其 他条件均相同的情况下，其表观粘度主要是由含油的多少来决定。 奄 - 孟 后 、_ 一 世 据 鼷 懈 图2 - 6 不同含油率下含油聚合物流变曲线 f i 9 2 - 6r h e o l o g i e a ic u r v eo fd i f f e r e n to i lc o n t e n tp o l y m e r 在温度6 0 ( 2 下，对质量浓度2 0 0 m g l 不同含油率的聚合物溶液进行幂律模型的回 归，得到本构方程： 表2 7 不同含油率下聚合物回归本构方程 t a b l e 2 - 7r e g r e s s i o no fc o n s t i t u t i v ee q u a t i o no fo i lp o l y m e ri nd i f f e r e n to i lc o n t e n t 含油率( )温度( )质量浓度( m g 几) 本构方程 56 02 0 0 z = 9 9 51 2 x 一o 1 1 3 7 1 06 02 0 0 = 2 5 3 6 1 x ，一o 1 4 9 5 1 56 02 0 0 = 4 0 4 1 9 xy 。0 嗍 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 期 2 仓2 0 0 茁 占 遥 耀 铸 群 5 0 o + 含油5 测量值 - - i t - - 含油5 回归方程计算值 v日40ww1 w 剪切速率0 s ) 图2 - 7 不同含油聚合物测量值与回归值的关系 f i 驴- 7t h er e l a t i o n s h i po fr e g r e s s e dv a l u ea n dm e a s u r e dv a l u eo fd i f f e r e n to i lp o l y m e r 由图2 7 ，可以看出：在不同含油率下，6 0 c 下质量浓度2 0 0 m g l 含油聚合物的表 观粘度的测量值和回归方程计算值的最大相对误差为4 3 4 5 ，其平均值为0 9 4 9 。 故回归的本构方程可以描述不同含油率下的聚合物，其符合幂律流体模型。 综合以上数据分析，可以看出：含油聚合物溶液与不含油聚合物相似，均具有明 显的非牛顿流体特性，其表观粘度随剪切速率的增加而减小，表现出假塑性流体特 性，其流变曲线符合幂率流体模型： = k y 扣1 式中 一表观粘度，m p a s ； x 稠度系数，m p a s n 1 ： y 一剪切速率，s 1 ； 刀一幂率指数，无因次。 由不同含油率下的幂率指数可以看出，含油率越高，其假塑性流变特性越强。就 对假塑性流变特性的影响大小而言，温度和质量浓度不如含油率的影响大。 图2 8 ，图2 - 9 分别为稠度系数、幂律指数随着温度和质量浓度的三维变化曲面。 三维曲面映射在温度、质量浓度面上的为等高线，分别表示一定的稠度系数、幂律指 数所对应的温度和质量浓度。从图中明显可以看出稠度系数随温度的增加而变小，随 浓度的增加而变大；幂律指数则随温度的增大而变大，随浓度的增加而变小。依据上 述图版，给定其产出液中所含聚合物浓度及井筒温度则可得到该处流体的稠度系数与 幂律指数。 1 5 第二章i e 钫袁观流变性m 究 图2 - 9 幂律指数随温度、质量浓度的变化曲面 f i 9 2 - 9 c h a n g i n gs u r f a c e o f p o w e r - l a we x p o n e n t w i t h t e m p e r a t u r ea n dc o n c e n t r a t i o n 2 4 聚合物溶液动态剪切实验研究 2 4 l 实验条件 实验用水为胜利采油厂配置聚合物用水，实验温度为5 0 c 。在研究矿化度变化时 水的组成比例保持不变且聚台物浓度保持恒定。 根据检测标准s y 5 5 2 3 2 0 0 0 油田水分析方法，配置聚合物用水组成： 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 表2 - 8 胜利采油厂配置聚合物用水组成 t a b l e 2 - 8c o m p o s i t i o no fp o l y m e rs o l u t i o