多孔介質(zhì)中聚合物驅(qū)的驅(qū)油機(jī)理，得到廣泛認(rèn)可的理論是對(duì)于一定的液體一巖 石系統(tǒng)，驅(qū)油效率由驅(qū)替液的粘滯壓力梯度和殘余油上滯留力的比值決定，前者與驅(qū)替 液的粘度和流速成正比，后者主要取決于界面張力，二者的比值定義為毛管數(shù)。根據(jù)該 理論，聚合物溶液與原油間的界面張力與水驅(qū)相近，宏觀壓力梯度相同，兩種驅(qū)替液的 毛管數(shù)相近，因此聚合物驅(qū)的驅(qū)油效率與水驅(qū)相同，這與聚合物驅(qū)的室內(nèi)和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)數(shù) 據(jù)不符。此時(shí)，無法用宏觀力解釋聚合物溶液粘彈性對(duì)驅(qū)油效率的影響，聚合物驅(qū)時(shí)驅(qū) 油效率的提高只能是不增加宏觀壓力梯度的微觀力引起的。本文通過對(duì)不同種類聚合物 溶液粘彈性的測試，系統(tǒng)的對(duì)比了不同聚合物溶液的粘彈特性，找出了適合本實(shí)驗(yàn)的定 量表征聚合物溶液粘度和彈性的方法；從殘余油的微觀受力分析出發(fā)，提出了驅(qū)替液的 彈性性質(zhì)會(huì)改變孔隙中的微觀流線，從而增加作用于殘余油團(tuán)突出部位的微觀作用力， 使突出部位移動(dòng)這一微觀驅(qū)油機(jī)理；通過宏觀巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了微觀力對(duì)不同類型殘 余油的作用，及粘彈性和毛管數(shù)對(duì)驅(qū)油效率的影響。
本研究中采用的聚合物包括聚丙烯酰胺類聚合物、梳形聚合物和締合聚合物三種。 通過動(dòng)態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)和穩(wěn)態(tài)剪切實(shí)驗(yàn)分別測試了三種聚合物溶液的粘彈特性，分析了聚合 物相對(duì)分子質(zhì)量、質(zhì)量濃度等對(duì)溶液粘彈性的影響。通過測試結(jié)果的對(duì)比分析，揭示了 三種不同分子結(jié)構(gòu)的聚合物溶液的粘彈性特點(diǎn)。結(jié)果顯示，聚丙烯酰胺類聚合物溶液的 粘度和彈性隨分子量和聚合物質(zhì)量濃度的增加而增加，在動(dòng)態(tài)力學(xué)試驗(yàn)和穩(wěn)態(tài)剪切實(shí)驗(yàn) 中都觀察到了相同的結(jié)果，粘度對(duì)質(zhì)量濃度更為敏感而彈性對(duì)分子量更為敏感；與同分 子量的聚丙烯酰胺類聚合物相比，梳形聚合物溶液在質(zhì)量濃度相同時(shí)具有更高的粘度， 但彈性較低，當(dāng)聚合物種類不同時(shí)，動(dòng)態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果在粘彈性的對(duì)比中往往不如穩(wěn) 態(tài)剪切實(shí)驗(yàn)的結(jié)果準(zhǔn)確，利用穩(wěn)態(tài)剪切實(shí)驗(yàn)中第一法向應(yīng)力差隨剪切速率變化直線的斜 率可以定量表征不同聚合物體系的彈性大小；締合聚合物在低濃度時(shí)體現(xiàn)出的粘彈性質(zhì) 與普通聚丙烯酰胺相同，濃度達(dá)到一定程度后溶液的粘度急劇上升，該濃度為締合聚合 物溶液的臨界締合濃度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，高于臨界締合濃度后的締合聚合物溶液具有比 高分子量聚丙烯酰胺溶液更高的粘度，締合作用對(duì)彈性貢獻(xiàn)不大，彈性仍然取決于聚合 物的分子量。
分析了不同孔隙介質(zhì)條件下微觀殘余油的狀態(tài)及分步，對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)下殘余油團(tuán)的應(yīng) 力分步進(jìn)行了分析，研究發(fā)現(xiàn)，殘余油團(tuán)在綜合驅(qū)動(dòng)力的作用下必然會(huì)在沿流動(dòng)方向的 后段形成一個(gè)突起部位以提供足夠的毛管力平衡前方的驅(qū)動(dòng)力，使殘余油團(tuán)平衡。因嚴(yán) 驅(qū)替液的流線在突起部位變化最大，微觀流速的改變會(huì)產(chǎn)生微觀的慣性力，對(duì)殘余油I 的突出部位產(chǎn)生推動(dòng)力。粘彈性流體由于具有法向應(yīng)力效應(yīng)，流線改變的幅度大于牛頓 流體；另外，粘彈性流體在毛細(xì)管中的速度剖面更均勻，靠近殘余油團(tuán)處的流速更大， 所以粘彈性流體可以產(chǎn)生更大的微觀驅(qū)動(dòng)力，并且彈性越高，微觀力越大。微觀力是粘 彈性流體提高驅(qū)油效率的主要原因。
在親油和親水人造均質(zhì)巖心上研究了不同聚合物溶液驅(qū)時(shí)粘彈性及毛管數(shù)對(duì)驅(qū)油 效率和殘余油飽和度的影響。利用驅(qū)替過程中巖心兩端的壓力梯度計(jì)算毛管數(shù)值，有效 的避免了驅(qū)替液粘度和滲透率等因素的影響。對(duì)于聚丙烯酰胺類聚合物、梳形聚合物和 締合聚合物等不同類型的聚合物驅(qū)，增加體系的毛管數(shù)和增加溶液的彈性都可以有效的 提高驅(qū)油效率、降低殘余油飽和度。對(duì)具有不同粘彈性特點(diǎn)的聚合物溶液的驅(qū)油效果進(jìn) 行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)驅(qū)油效率與聚合物溶液彈性的對(duì)應(yīng)關(guān)系具有很好的規(guī)律性，證明了彈性對(duì) 驅(qū)油效率的作用。梳形聚合物和締合型聚合物由于彈性低于同分子量的聚丙烯酰胺溶 液，所以驅(qū)油效率較低，粘度對(duì)驅(qū)油效率沒有影響。合理的提高驅(qū)替液的彈性，可以獲 得與超低界面張力同樣的驅(qū)油效果。高濃度聚合物驅(qū)的現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果顯示，提高驅(qū)油效 率的幅度達(dá)到20%OOIP以上，為普通聚合物驅(qū)的二倍，且聚合物溶液前緣更加平緩， 波及效率更高。
綜上所述，聚合物溶液的彈性性質(zhì)，在不增加驅(qū)替壓力梯度的情況下，可以提高多 孔介質(zhì)中的驅(qū)油效率。粘彈性驅(qū)替液提高驅(qū)油效率的主要機(jī)理是：驅(qū)替液的彈性性質(zhì)會(huì) 改變孔隙中的微觀流線，從而增加作用于殘余油團(tuán)突出部位的微觀作用力，使突出部位 移動(dòng)。這一機(jī)理可以比較好地解釋聚合物驅(qū)在微觀實(shí)驗(yàn)和宏觀試驗(yàn)中所見到的現(xiàn)象，有 助于化學(xué)驅(qū)化學(xué)劑的設(shè)計(jì)、合成與篩選，有助于化學(xué)驅(qū)驅(qū)油方案的設(shè)計(jì)和優(yōu)選、化學(xué)驅(qū) 數(shù)模的發(fā)展和微觀滲流力學(xué)的發(fā)展。
“三次采油”是指在二次采油后通過向油層中注入非常規(guī)物質(zhì)開采石油的方法。根 據(jù)油氣藏類型和油氣藏驅(qū)動(dòng)方式，一次采油的采收率變化范圍可能為0?50%。二次采 油是利用維持地層壓力（如注氣或注水）的方式開采原油，二次采油通常是指水驅(qū)，其 采收率值對(duì)于輕質(zhì)油藏為20%?50%;對(duì)于油砂為零，對(duì)于稠油油藏只有百分之幾，這 種開采方式的優(yōu)點(diǎn)是流程簡單，容易實(shí)施，但相應(yīng)的控制程度及采收率都難達(dá)到令人滿 意的水平。三次采油（EOR，也叫強(qiáng)化采油）通常是指二次采油以后的開采。
三次采油技術(shù)可歸納為四種不同類型的采油方法：（1)化學(xué)驅(qū)油法：又可分為聚合 物驅(qū)、表面活性劑驅(qū)、泡沫驅(qū)、堿驅(qū)及二元復(fù)合驅(qū)（堿/聚合物驅(qū)、聚合物/表面活性劑、 堿/表面活性劑）和三元復(fù)合驅(qū)（堿/表面活性劑/聚合物）等；（2)混相驅(qū)油法：如C02 驅(qū)、煙道氣驅(qū)、N2驅(qū)等；（3)熱力采油法：如蒸氣驅(qū)、熱水驅(qū)等；（4)微生物驅(qū)油法。 由于油藏條件不同，原油、水質(zhì)、巖石的性質(zhì)各異，所用的三次采油的方法具有很強(qiáng)的 針對(duì)性。
在以上三次采油方法中，化學(xué)驅(qū)中的聚合物驅(qū)是一類非常有效的提高采收率方法。 聚合物驅(qū)是上世紀(jì)中期發(fā)展起來的一項(xiàng)三次采油技術(shù)，由于該方法具有技術(shù)簡單、成本 較低等特點(diǎn)，比較適合我國大多數(shù)油田的實(shí)際情況，逐漸得到了廣泛的應(yīng)用。目前，我 國大部分油田都處于水驅(qū)二次采油階段，部分地區(qū)進(jìn)入高含水階段，但水驅(qū)后仍有大約 65%的礦藏原油仍留在地下。為此，已有相當(dāng)部分的油田區(qū)塊進(jìn)入了聚合物驅(qū)階段。聚 合物驅(qū)可以把水驅(qū)后的原油采收率再提高1〇%OOIP以上。
聚合物驅(qū)是在注入水中加入少量水溶性高分子聚合物，通過增加水相粘度和降低水 相滲透率來改善流度比、提高波及系數(shù)，從而提高原油采收率。當(dāng)油藏的非均質(zhì)性比較 嚴(yán)重或水驅(qū)流度比較高時(shí)，聚合物驅(qū)可以取得明顯效果。由于聚合物驅(qū)油技術(shù)在三次采 油中扮演著重要的角色，因此多年來，國內(nèi)外許多研究者一直都在致力于聚合物驅(qū)油機(jī) 理的研究。
1.1本文研究的目的和意義
聚合物驅(qū)始于二十世紀(jì)五十年代末和六十年代初。美國于1964年進(jìn)行了第一次聚 合物驅(qū)礦場試驗(yàn)，隨后在1964~1969年間，實(shí)施了 61個(gè)聚合物驅(qū)項(xiàng)目。從二十世紀(jì)七 十年代到1985年共實(shí)施了 183個(gè)聚合物驅(qū)項(xiàng)目，大多沒有取得明顯的效果；前蘇聯(lián)的 阿爾蘭油田、加拿大的Horsefly Lake油田、Rapdan油田、法國的Chaterenard油田以及 其他各國相繼進(jìn)行了聚合物驅(qū)礦場試驗(yàn)[1]，原油采收率提高了 6%?17%。我國自19' 年大慶油田開展小井距的聚合物驅(qū)試驗(yàn)以來，聚合物驅(qū)得到了迅速發(fā)展。特別是在'
五”、“九五”期間，在聚合物驅(qū)室內(nèi)研究、數(shù)值模擬技術(shù)、注入工藝以及動(dòng)態(tài)監(jiān)測技術(shù) 等方面進(jìn)行了大量的研究和試驗(yàn)，為聚合物驅(qū)進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用階段奠定了基礎(chǔ)[2_3]。 1987?1993年，大慶油田成功地進(jìn)行了兩次聚合物驅(qū)先導(dǎo)性試驗(yàn)[4]。這兩次試驗(yàn)的成功 使大慶油田聚合物驅(qū)提高采收率技術(shù)進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用階段。目前，聚合物驅(qū)在我國的大 慶、大港、河南、吉林、勝利等油田已進(jìn)入工業(yè)化階段，大慶油田的聚合物驅(qū)己成為世 界上最大的聚合物驅(qū)項(xiàng)目。
由于聚合物驅(qū)的迅速發(fā)展，相應(yīng)的關(guān)于聚合物驅(qū)提高采收率機(jī)理的研究逐漸受到全 世界石油科技工作者的重視。通過室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)及先導(dǎo)性礦場試驗(yàn)，人們對(duì)聚合物 提高原油采收率機(jī)理的認(rèn)識(shí)逐漸加深。大部分人認(rèn)為，聚合物的驅(qū)油機(jī)理是降低油水流 度比，抑制注入水的突進(jìn)，擴(kuò)大面積波及效率，所以注入聚合物溶液與常規(guī)注水的最終 殘余油飽和度是相同的[5_1()]。但是，近年來的研究表明，粘彈性流體和粘性流體在同樣 條件下驅(qū)替巖心后，前者的最終殘余油飽和度明顯低于后者，這說明，具有粘彈性的聚 合物溶液不但能夠提高宏觀波及系數(shù)，而且能夠較大幅度地提高微觀驅(qū)油效率[11_14]，這 一觀點(diǎn)目前已得到廣泛的支持。
要想弄清聚合物溶液的粘彈性對(duì)驅(qū)油效率的影響規(guī)律，就必須進(jìn)行以下方面的研 究：（1)給出適合描述聚合物溶液流變性的本構(gòu)方程及流動(dòng)控制方程；（2)給出粘彈性 流體在微觀孔隙空間中流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型；（3)給出不同彈性流體在同一毛管數(shù)條件下驅(qū) 替殘余油后含油飽和度降低及驅(qū)油效率的增加情況及同一彈性流體在不同毛管數(shù)條件 下驅(qū)替殘余油后含油飽和度降低及驅(qū)油效率的增加情況；（4)給出不同粘彈性流體在可 視巖心中驅(qū)替水驅(qū)后殘余油的驅(qū)油效率及殘余油的變化規(guī)律等。本文通過大量理論研究 及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，針對(duì)以上部分內(nèi)容進(jìn)行了大量的研究工作，并著重進(jìn)行了多種聚合物體系 在不同介質(zhì)中的物理模擬驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，涉及聚合物種類包括常規(guī)聚丙烯酰胺、高分子量聚 丙烯酰胺、締合型聚合物及梳形聚合物等等，同時(shí)拓寬了所研究聚合物的分子量范圍； 所采用人造巖心分別模擬了弱親油地層及親水地層的情況。通過系統(tǒng)的的實(shí)驗(yàn)取得了大 量聚合物溶液粘彈性對(duì)驅(qū)油效率影響規(guī)律的數(shù)據(jù)。研究結(jié)論有助于進(jìn)一步理解聚合物驅(qū) 的驅(qū)油機(jī)理，并為化學(xué)驅(qū)化學(xué)劑的選擇及現(xiàn)場試驗(yàn)設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。