1.2.2　高浓度聚合物驱技术

聚丙烯酰胺（HPAM）已在油田得到了广泛的应用，与普通浓度聚合物溶液相比，高浓度聚合物溶液视黏度更大，具有更低流度比和更高注入压力。一方面，在高浓度聚合物溶液注入初期阶段，注入液会优先进入到流动阻力较低的高渗透层。随着注入量增加，高渗透层有效渗透率降低，水相渗流阻力增大，高渗透层和中低渗透层之间因此产生压力梯度。当压力梯度增至一定值时，注入液便会克服黏滞阻力和毛细管力，绕过高渗透层，进入到中低渗透储层，并且在高浓度聚合物溶液突破高渗透层之前，层间压力梯度一直存在，不断扩大注入液波及体积。此后，压力梯度便会逐渐变小乃至消失，扩大波及体积能力受限。另一方面，由于高浓度聚合物溶液视黏度较高，而且表现出较强的抗剪切性，当它在多孔介质中流动时能显著地改善油水流度比，有效地克服注水开发中所出现的指进和窜流现象，使注入液比较均匀地向井口推进。调整地层吸液剖面，从而使高浓度聚合物溶液充分地进入中低渗透层，扩大波及体积。并且高浓度聚合物溶液注入时机越早、用量越大，注入液扩大波及体积能力越强，增油效果就越显著。

传统理论认为，聚合物驱不能提高驱油效率，原因是依据残余油饱和度与毛管数的关系，聚合物引起的水相黏度增加使毛管数增加的幅度有限，不足以明显降低残余油饱和度。近年来王德民等人的研究证实，具有黏弹性的聚合物溶液可以提高驱油效率，而且认为残余油饱和度降低的原因来自于多孔介质中平行于流动方向的拉力，而拉力是由于黏弹性效应引起的。微观上，高浓度聚合物溶液内聚合物分子密度很大，分子链间的物理缠结点增多，造成链与链间的滑动现象减弱，聚合物溶液的黏弹性随之增强。一方面，高浓度聚合物溶液流经几何形状复杂的油层孔隙喉道时，会诱导出二次流，产生“旋涡”。在油藏驱替流动条件下，柔性聚合物分子在应力作用下将产生形变，其弹性又会使其恢复、收缩。因此，当具有黏弹性的柔性聚合物溶液通过多孔介质时，既存在着剪切流动，也存在着拉伸流动。特别是聚合物分子在流经孔道尺寸变化处时，聚合物分子就受到拉伸而表现出弹性。这种特性使进入盲端孔隙的聚合物溶液，具有与流动方向垂直、指向连通孔道的法向力。正是在上述聚合物溶液黏弹性的作用下，才使得聚合物溶液能够进入盲端中驱油。聚合物溶液的弹性效应可使其以“黏弹涡”的形式波及孔隙盲端深处，将其中的残余油剥离分散成油滴或油丝，并“拉、拽”携带至主流区，成为可驱动原油。随着聚合物溶液黏弹性增强，涡流区明显扩大，对盲端和喉道中残余油的驱替能力增强，因孔喉处的残余油被携带出来，使其毛管力发生变化，从而增加了孔喉处的残余油被驱替出来的机会，这种黏弹涡驱替效应是高浓度聚合物溶液提高微观驱油效率的重要机理之一。另一方面，高浓度聚合物在多孔介质中流动时油水界面上同样厚度内聚集的分子数量明显增多，在油水界面上聚合物分子间的相互作用力增强, 聚合物在溶液和油相界面上吸附和定向排列，形成排列紧密的油水界面膜，界面黏度变大，使界面的流动性变差。而且聚合物分子间的相互缠绕使其分子聚集体回旋半径增大，在多孔介质中流动时聚合物分子之间的运动会互相制约。因而随着注入压力的增高，聚合物分子产生拉伸变形，“拉、拽”带动后面和周围的分子运动。因此，高浓度聚合物溶液因其黏弹性能够高效地携带孔隙盲端中的残余油，从而提高微观洗油效率。综上所述，高浓度聚合物溶液作为驱油剂不仅可以扩大宏观波及体积，而且可以提高微观驱油效率，大幅度提高原油采收率。

聚合物溶液的流变性和黏弹特性是支撑聚合物驱油机理的一个非常重要的理论依据，所以对聚合物溶液的流变性和黏弹特性进行更加深入的研究，将有助于解释和明确聚合物驱油机理。聚合物溶液在岩心多孔介质中的渗流过程可以通过流变性来体现，流变性是指在外力场作用下，物体发生的流动或形变与内摩擦力之间的关系和规律性。聚合物溶液的黏弹性是指聚合物溶液对施加的外力相应表现为黏性和弹性双重特性。最新研究表明，聚合物溶液的黏弹性不但可以获得更高波及系数，而且可以提高微观驱油效率。损耗模量G″反映了聚合物溶液黏性的大小，储存模量G′则反映了黏弹流体弹性的大小。另外一个表征流体弹性性质的重要参数是第一法向应力差N₁，定义为流动方向与速度梯度方向上应力的差值。非牛顿流体流动时所表现出的诸如爬杆现象、射流胀大现象以及悬空虹吸现象等是法向应力的直接体现。使用流变仪测定流体黏弹性的方法主要有稳态剪切和动态剪切实验。在实验过程中，低剪切速率条件下第一法向应力差测试由于受仪器量程限制而难以获得准确数据。因此，通常采用一种由动态数据估计稳态数据的方法，即N₁=2G’[1+(G’/G”)2]0.7。

聚合物分子具有缠绕或环绕的大分子链，具有较高内部摩擦阻力阻碍流动，具有几乎与剪切速率无关的恒定黏度，称为零剪切黏度或本体黏度。本体黏度使聚合物在油层中存在阻力系数和残余阻力系数，是驱替水驱未波及残余油和簇状残余油的主要机理。

在驱油过程中，驱油剂与原油接触，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质，反映界面流动和变形阻力，作用是降低驱替速度。界面黏度越高，驱替速度降低幅度越大，其大小取决于成膜分子的排列紧密程度、成膜分子间相互作用大小和成膜分子间是否有结构形成，它对泡沫和乳状液的稳定性、驱油体系的驱油效率存在较大影响。

聚合物溶液的许多重要性质，主要是由聚合物分子的聚集态结构和分子内部的可动性所决定。通过分子聚集体的尺寸测量和扫描电镜观察，直接观察聚合物溶液中聚合物的分子形态，可判断大分子链的大小和形状，而不依赖于假设理论模型。