基于分子动力学方法的聚合物驱油微观流动规律研究

Polymer flooding has become one of the necessary methods to improve oil recovery in old oil fields, but the flow mechanism of polymer flooding is difficult to be clear. The project started from the micro level, based on the balanced molecular dynamics (EMD), comprehensive experiment the core skeleton 3D image and polyacrylamide chain molecules, simulation of polymer molecules in the pores of the movement and the polymer with oil molecules，nteracting with the wall surface. The mixed transport between pores in the polymer and oil molecules, and in the vicinity of the wall slip phenomenon, aggregation. The potential function of polymer molecules in the pore space is obtained, and the number of molecules on the pore cross section is statistically characterized, and the microscopic flow parameters in the statistical sense are extracted. The viscoelastic deformation and collision motion model of micro polymer flooding was established by the experiments of polymer rheological properties, viscoelastic experiments and polymer flooding. Based on the model of sliding and aggregation of molecular and wall, we can reveal the percolation mechanism of polymer flooding from microscopic scale and establish the theoretical system of polymer flooding. It provides a theoretical basis for the development of oil field polymer flooding technology and improves the recovery of polymer flooding.

聚合物驱油已成为老油田必要的提高采收率方法之一，但是其聚合物在地下驱油的流动机理难以明确。本项目从微观层面着手，基于平衡分子动力学方法（EMD），综合实验得到的岩心骨架三维空间图像和聚丙烯酰胺链状分子的空间构架模型，模拟计算聚合物分子在孔隙中的运动和聚合物与油分子、与壁面间的相互作用，研究孔隙中聚合物分子和油分子之间的混运，及在壁面附近的聚集、滑移现象。得出聚合物分子在孔隙空间内的势函数，统计特征孔隙截面上的分子数量，提取统计意义上的微观流动参数。结合聚合物流变性实验、黏弹性实验和聚合物驱替等实验，建立微观聚合物驱油的黏弹变形和碰撞运动模型。综合分子与壁面的滑移、聚集作用模型，从微观尺度上揭示聚合物驱油的渗流机理，建立聚合物驱油的流动理论体系。为油田聚驱技术发展提供理论基础，提高聚驱采收率。

聚合物驱油已成为老油田必要的提高采收率方法之一，但是其聚合物在地下驱油的流动机理难以明确。目前聚合物驱油研究主要依赖宏观实验，多数基于一定的假设和理想情况，难以定量且深入的分析,微观驱油理论缺乏，因此，基于分子模拟技术将聚合物分子设计及聚驱过程可视化，从分子层面去探析聚合物溶液的性质及聚驱过程机理,对于提高采收率具有重要意义。. 项目经过四年的研究，达到了研究目标。在室内电镜扫描和聚驱实验确定岩石参数及聚合物分子流变性参数基础上，研究聚丙烯酰胺链状大分子的空间构型和分子间的相互作用力。从微观有机化学层面研究聚集态大分子间的相互作用力和分子与固体壁面的相互作用力。用计算机进行分子构型的数字化建模，得到聚丙烯酰胺链状大分子团的空间模型。利用全原子分子动力学方法模拟聚丙烯酰胺大分子在孔隙中的运动。描述聚合物大分子与孔隙壁面的相互作用，明确近孔隙固体表面的滑移、吸附和壁面聚集现象。在模拟范围内放入聚丙烯酰胺大分子来进行精确的运动模拟，得出聚合物分子在孔隙空间内的微观渗流规律。建立基于微观分子作用的宏观驱替流动理论体系。将聚合物流变性和黏弹性作为约束条件，分子动力学数值模拟聚丙烯酰胺大分子在高岭石孔隙中对油分子的驱替运动。得到运动参数和孔隙截面上的分子分布统计量，用该参数和统计量作为渗流的参数表征，建立驱替流动理论。. 对聚合物溶液的微观研究，得到HPAM的黏弹性能优于NPAM，且前者在地层的吸附作用弱于后者。并通过水驱模型与聚驱模型的过程模拟，得到聚驱的洗油效率高于水驱。且通过分析，聚合物溶液的黏弹性是聚合物将原油驱出的主要机理。计算机分子模拟从微观尺度上揭示聚合物驱油的渗流机理，丰富聚合物驱油流动理论体系，有助于更好地设计和优化聚合物溶液性能，提高聚驱采收率。