應(yīng)用飽和納米粒子注入氣體提高稠油采收率

1、應(yīng)用飽和納米粒子注入氣提高稠油采收率Shah，阿拉斯加費(fèi)爾班克斯路德大學(xué)本文是為2009年美國(guó)物理學(xué)會(huì)年度技術(shù)會(huì)議準(zhǔn)備的，是2009年10月4日至7日在美國(guó)路易斯安那州新奧爾良舉行的美國(guó)物理學(xué)會(huì)國(guó)際學(xué)生論文競(jìng)賽展覽的演示。美國(guó)石油工程師學(xué)會(huì)項(xiàng)目委員會(huì)選擇準(zhǔn)備的國(guó)際學(xué)生論文競(jìng)賽計(jì)劃的競(jìng)賽前文件內(nèi)容未經(jīng)石油工程師學(xué)會(huì)審查，必須由作者進(jìn)行更正。這些材料不一定反映石油工程師協(xié)會(huì)的任何立場(chǎng)。未經(jīng)石油工程師協(xié)會(huì)的書面同意，禁止其管理層或成員對(duì)本文件的任何部分進(jìn)行電子復(fù)制、分發(fā)或存儲(chǔ)。摘要：重油是一種巨大的未開(kāi)發(fā)的石油資源，因?yàn)樗母哒扯仁蛊潆y以生產(chǎn)。目前，利用熱采技術(shù)、聚合物驅(qū)、化學(xué)驅(qū)和氣混相驅(qū)稠油油藏生

2、產(chǎn)面臨挑戰(zhàn)和機(jī)遇。在這項(xiàng)工作中，三種不同工藝的優(yōu)點(diǎn)，即注氣加熱、化學(xué)和相互溶解，被結(jié)合起來(lái)產(chǎn)生一種新的粘度，重油工藝。與傳統(tǒng)的用于熱傳導(dǎo)增強(qiáng)的超臨界二氧化碳(SC-CO2)或“降粘注射器(VRI)”的SC-CO2或VRI金屬納米粒子相比，重油的粘度迅速降低。溶解在表面活性劑中的超臨界CO2也被加入到混合物中，以進(jìn)一步提高粘度降低。因此，金屬納米粒子的熱性質(zhì)、表面活性劑的化學(xué)性質(zhì)以及可混溶的SC-CO2和VRI的性質(zhì)完全降低了重油的粘度。導(dǎo)言：如果它的空氣污染指數(shù)低于20度，原油就被認(rèn)為是“稠的”重油是非瀝青質(zhì)的，而且密度很大。由于含有瀝青質(zhì)的重油的化學(xué)特性，盡管在巨大的資源基礎(chǔ)中，重油和天然瀝

3、青在2000年生產(chǎn)了25億桶原油(美國(guó)地質(zhì)勘探局概況70-03，2003年8月)，僅占約3億桶。目前，對(duì)于稠油油藏，開(kāi)發(fā)人員在化學(xué)和密度方面具有更好的石油質(zhì)量。每年生產(chǎn)的重油中，約66%的比重超過(guò)15，但據(jù)估計(jì)，約50%的技術(shù)可采重油是致密的(比重低于15，見(jiàn)圖1)。圖1:在重油美國(guó)石油學(xué)會(huì)比重下的年生產(chǎn)累積百分比(藍(lán)色)和技術(shù)可采資源累積百分比(棕色)(提供：美國(guó)地質(zhì)勘探局概況表70-03，2003年8月)在常規(guī)生產(chǎn)中，來(lái)自原油、天然氣和水的相關(guān)儲(chǔ)層的壓力通常足以生產(chǎn)輕質(zhì)油流向生產(chǎn)井。然而，為了保持具有生產(chǎn)價(jià)值的井的生產(chǎn)效率，重油和超重油的生產(chǎn)幾乎總是需要降低油的粘度并將能量引入儲(chǔ)層的措施。

4、通過(guò)置換和部分蒸餾，將熱蒸汽注入過(guò)儲(chǔ)層，以降低原油粘度并增加儲(chǔ)層壓力。它可以連續(xù)注入蒸汽，形成蒸汽驅(qū)，也可以定期注入交替注入井和生產(chǎn)井。氣體混相驅(qū)是一種廣泛使用的提高原油采收率的技術(shù)，可以提高原油產(chǎn)量，超越傳統(tǒng)的開(kāi)采方法。通常，注入的氣體在混合或非混合條件下注入儲(chǔ)層。混合相注氣、氣體和儲(chǔ)層流體在一定的儲(chǔ)層溫度下混合，包括目前使用最廣泛的EOR工藝后的熱采工藝，它在原油強(qiáng)化采收率生產(chǎn)中占很大比例。(美國(guó)地質(zhì)勘探局概況介紹70-03，2003年8月)。目的：目前，能夠滿足稠油采收率的創(chuàng)新技術(shù)使稠油生產(chǎn)面臨機(jī)遇和挑戰(zhàn)。該項(xiàng)目是一種新的創(chuàng)新方法，通過(guò)使用金屬納米粒子來(lái)降低阿拉斯加北坡重油的粘度。性質(zhì)，

5、如二氧化碳的密度和粘度、降粘注入劑(VRI)、ANS重油(不可流動(dòng)和可流動(dòng)的油)、飽和納米顆粒二氧化碳(CO2納米流體)、納米VRI(VRI納米流體)。在壓力變化范圍從1200 psia到2500 psia且溫度恒定(122華氏度)的條件下，可以確定注入飽和納米顆粒CO2的ANS原油和注入飽和納米VRI的ANS油。這項(xiàng)研究的目標(biāo)如下：1.利用納米粒子的飽和二氧化碳和VRI降低原油粘度24.ANS稠油飽和貝利砂巖巖心提高采收率研究及飽和納米流體CO2和CO2氣驅(qū)巖心實(shí)驗(yàn)研究5.在模擬器中比較了二氧化碳和二氧化碳納米流體的重油采收率。金屬納米粒子的背景：納米粒子是一個(gè)很大的科學(xué)興趣，因?yàn)樗鼈兪谴髩K

6、材料和原子或分子結(jié)構(gòu)之間的有效橋梁。散裝材料應(yīng)該具有恒定的物理和化學(xué)性質(zhì)，不管它們的大小，但是在納米尺度上通常不是這樣。“當(dāng)它們的尺寸接近納米級(jí)時(shí)，當(dāng)材料表面原子的百分比變得顯著時(shí)，材料的性質(zhì)就會(huì)發(fā)生變化。納米粒子相對(duì)于大塊材料表現(xiàn)出特殊的性質(zhì)。例如，大塊彎曲的銅(線、織帶等。)發(fā)生在大約50納米尺度的銅原子/團(tuán)簇運(yùn)動(dòng)。銅納米粒子比被認(rèn)為是50納米的超硬材料小，顯示出不同的塑性和延展性。大量的銅納米粒子具有非常高的表面積體積比。這提供了巨大的推動(dòng)力，尤其是在高溫下的擴(kuò)散。在可以在較低溫度下進(jìn)行燒結(jié)的地方，相對(duì)較大的顆粒具有太短的時(shí)間尺度。理論上，這不會(huì)影響最終產(chǎn)品的密度，盡管納米顆粒的流動(dòng)困難

7、和聚集趨勢(shì)經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生一些問(wèn)題。但是超聲波可以在一定程度上解決這個(gè)問(wèn)題。圖2顯示了通過(guò)掃描和電子顯微鏡(SEM)在“納米技術(shù)”上的納米氧化銅的圖像。納米氧化銅顆粒的掃描電子顯微鏡圖像(單位：納米)添加納米顆粒的基液(常規(guī)液體)的性質(zhì)，如密度、粘度、熱導(dǎo)率和熱增量(張等，2005年11月)。在高溫下，提高這些基礎(chǔ)流體的性能是理想的。表面活性劑的背景：表面活性劑降低了液-氣界面上吸附液體的表面張力。聚二甲基硅氧烷(PDMS)是應(yīng)用最廣泛的硅基有機(jī)聚合物，特別是其不尋常的流變(或流動(dòng))性能。圖3顯示了PDMS分子聚合物的交聯(lián)。交聯(lián)聚合物提供了不同尋常的流變性能，如100，000厘泊的高粘度(阿法莎材料

8、安全數(shù)據(jù)表)。PDMS也是大多數(shù)化學(xué)物質(zhì)的化學(xué)惰性。它可溶于超臨界二氧化碳，并具有增加超臨界二氧化碳粘度的能力。PDMS的密度為0.98，分子量為，粘度為CP。圖3:聚二甲基硅氧烷(單位：buyl，2001)實(shí)驗(yàn)工作：實(shí)驗(yàn)一：飽和納米流體性質(zhì)的測(cè)定；二氧化碳和表面活性劑的性質(zhì)：聚二甲基硅氧烷(PDMS)和計(jì)算ANS(不可流動(dòng)和可流動(dòng)的油)重油。每個(gè)實(shí)驗(yàn)都將在下面的章節(jié)中詳細(xì)進(jìn)行，以確定所需的屬性，如圖1所示。表1:測(cè)試材料所需的性能密度、粘度二氧化碳粘度抑制劑聚二甲基硅氧烷ANS原油實(shí)驗(yàn)二：降粘實(shí)驗(yàn)：一旦進(jìn)行了上述所有實(shí)驗(yàn)，就必須知道所有需要的性質(zhì)。CO2納米流體和VRI納米流體根據(jù)下表2中描

9、述的組成制備。一旦模型建立，ANS重油的粘度通過(guò)使用制備的co2/vri納米流體的粘度降低實(shí)驗(yàn)來(lái)降低。納米流體的組成：納米流體的不同成分由金屬納米粒子的數(shù)量決定?；谥亓拷M分的密度，EXP-1也被計(jì)算作為測(cè)試材料。最終組件如下：表2:納米流體的組成組件描述重量%納米氧化銅純度為97%的金屬納米粒子0.5-3聚二甲基硅氧烷驅(qū)油劑5基礎(chǔ)液體二氧化碳/VRI94.5-92密度計(jì)和粘度計(jì)：劍橋粘度計(jì)(圖4)用于粘度測(cè)量，安東帕密度計(jì)(圖5)用于密度測(cè)量。圖4:劍橋SPL 440粘度計(jì)(附件：SPL 440粘度計(jì)規(guī)格)圖5:安東帕512p密度計(jì)(附件：dma512p說(shuō)明)粘度測(cè)量：劍橋SPL 440粘度

10、計(jì)用于測(cè)量液體的粘度。這種粘度可承受高達(dá)10，000磅/平方英寸的高壓和高達(dá)300華氏度的高溫。兩個(gè)移動(dòng)的螺線管(圖6)移動(dòng)活塞并以恒定的速度上升?；钊碾p向行程時(shí)間用于測(cè)量周圍液體的絕對(duì)粘度?！皟?nèi)置溫度檢測(cè)器(RTD)檢測(cè)采樣室的實(shí)際溫度。流體通過(guò)外徑為8221x(內(nèi)徑為0.086英寸)的管道流入測(cè)量室。低流量或靜態(tài)條件下流體粘度的測(cè)量。該系統(tǒng)測(cè)量粘度、溫度和溫度補(bǔ)償粘度。圖6:6:visco lab PVT劍橋SPL 440粘度計(jì)的橫截面(來(lái)源：spl440粘度計(jì)使用手冊(cè))。阿拉斯加北坡稠油降粘實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置(圖7)在1 0，000 psia的壓力規(guī)定值下，在粘度計(jì)壓力和溫度控制閾值內(nèi)有兩

11、個(gè)粘度下降。圖7:粘度測(cè)量設(shè)置示意圖阿拉斯加北坡不可流動(dòng)/可流動(dòng)油樣品的粘度測(cè)量；在阿拉斯加北坡用不可流動(dòng)/可流動(dòng)重油進(jìn)行了降粘實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置(圖7)在粘度計(jì)壓力和溫度控制閾值內(nèi)將粘度從2降低到10，000 psia。粘度降低的測(cè)定：1.表面活性劑(PDMS)和納米氧化銅之間已經(jīng)有了平衡。根據(jù)組成將CO2注入能量存儲(chǔ)裝置1(圖7)。2.納米氧化銅在與表面活性劑混合前先經(jīng)過(guò)30分鐘的超聲波處理，因?yàn)槌暡梢詫?shí)現(xiàn)原始尺寸的氧化銅納米顆粒，即23-40納米的納米顆粒團(tuán)聚，在尺寸較大時(shí)不受干擾。3.一旦通過(guò)使用二氧化碳注射泵注射二氧化碳，蓄壓器1的壓力增加到高于表面活性劑的混合壓力。含CO2的混合表

12、面活性劑的壓力為2500磅/平方英寸。4.將溫度提高到華氏140度，以改善材料的混合。為了進(jìn)一步加強(qiáng)混合，蓄能器1振動(dòng)16小時(shí)。5.然后將CuO PDMS CO2混合氣體注入已知死/可流動(dòng)ANS油量的蓄能器2中。6.然后，蓄能器2在100華氏度(即ANS井底溫度)下振動(dòng)32小時(shí)。有必要將二氧化碳完全溶解在油中并搖動(dòng)它。搖動(dòng)32小時(shí)后，將其連接到保持在100華氏度恒溫控制閾值的在線粘度計(jì)上。7.測(cè)量重油在100華氏度和不同壓力下的粘度。8.使用相同的步驟在其他井中測(cè)量VRI納米流體。唯一的區(qū)別是VRI的二氧化碳被用于一些地方。EXP-3:利用巖心氣體驅(qū)提高采收率實(shí)驗(yàn)傳統(tǒng)的巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)儀器(圖8)

13、用于研究使用CO2和CO2納米流體(不可流動(dòng)的)ANS重油的提高的油采收率。以確保CO2保持在高于其臨界條件的壓力和溫度下，并且處于超臨界狀態(tài)。貝利砂巖巖心長(zhǎng)1.5英寸，直徑6英寸。圖8:巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置被油和水飽和的Berea砂巖巖心；22000 ppm總?cè)芙夤腆w(TDS)鹽水用于達(dá)到具有束縛水飽和度的Berea砂巖巖心飽和度。選擇鹽度為22000 ppm的鹽水作為備用。以下是含水飽和度和重油飽和度以下的程序：1.在真空條件下，巖心連續(xù)3天被鹽水飽和(22，000百萬(wàn)分之一時(shí)延)。2.然后將巖心放入巖心夾持器中，用上述鹽水替換，直到巖心入口和出口之間的壓差穩(wěn)定。3對(duì)于被ANS重油置換的巖心，

14、ANS重油被預(yù)先加熱，以確保在金屬管中平穩(wěn)流動(dòng)，并且可以穿過(guò)巖心。4.當(dāng)巖心被ANS重油驅(qū)替時(shí)，巖心中的鹽水被驅(qū)替到外面。當(dāng)油取代流出水時(shí)，結(jié)合水達(dá)到飽和。核心二氧化碳驅(qū)油：使用巖心CO2驅(qū)替來(lái)提高ANS重油采收率遵循以下步驟：1.按照上述步驟用水和ANS重油飽和巖心。2.將二氧化碳罐連接到金屬蓄電池上。3.使用ISCO泵增加蓄能器的壓力，使其壓力大于二氧化碳的臨界壓力。4.將CO2蓄能器連接至堆芯支架。確保通過(guò)堆芯支架出口的一個(gè)閥門關(guān)閉。5.超臨界CO對(duì)ANS重油的膨脹7.BPR的出口連接到兩相分離器。8.當(dāng)分離器的壓力降至大氣壓力和顯著的體積極限時(shí)，收集油、水和氣體。核心二氧化碳納米流體驅(qū)

15、油；使用巖心納米流體CO2驅(qū)替來(lái)提高ANS重油采收率遵循以下步驟：1.按照上述步驟用水和ANS重油飽和巖心。2.測(cè)量計(jì)算出的納米氧化銅和PDMS的數(shù)量，并將它們添加到儲(chǔ)能裝置中。3.二氧化碳罐連接到上述蓄能器。4.使用ISCO泵增加蓄能器的壓力，使其壓力大于二氧化碳的臨界壓力。5.該蓄能器連接到芯座。確保芯座出口處的閥門關(guān)閉。6.用納米流體使超臨界二氧化碳膨脹48小時(shí)。7.48小時(shí)后，打開(kāi)后連接可變節(jié)流孔插入式背壓調(diào)節(jié)器(BPR)，以保持出口壓力穩(wěn)定。8.BPR的出口連接到兩相分離器。9.當(dāng)分離器的壓力降至大氣壓力和顯著的體積極限時(shí)，收集油、水、氣體(CO2)和納米顆粒。結(jié)果和討論：結(jié)果：實(shí)驗(yàn)

16、一：納米粒子飽和度的流體性質(zhì)測(cè)定二氧化碳的性質(zhì)：密度：表3顯示了在77華氏度的不同壓力下用安東帕密度計(jì)測(cè)量的二氧化碳密度。在77華氏度的實(shí)際室溫下，將二氧化碳罐連接到密度計(jì)上。密度由蓄能器中存在的氣體量計(jì)算，分散劑和氧化銅納米顆粒的量也可以計(jì)算。表3:二氧化碳的密度壓力(psia)77華氏度時(shí)的密度1617.000.831764.000.841911.000.852058.000.862205.000.872352.000.88粘度：表4顯示了用劍橋粘度計(jì)在2500磅/平方英寸和122華氏度的壓力和溫度下測(cè)量的CO2和CO2納米流體的粘度。表4:二氧化碳在2500磅/平方英寸下的粘度壓力(psia)粘度(cP)50033.55100033.63150033.31200034.49250035.70表面活性劑的性質(zhì)：表5顯示了在77華氏度的不同壓力下用劍橋粘度計(jì)測(cè)量的表面活性劑的粘度。表5:5的粘度：PDMS122華氏度時(shí)的粘度二氧化碳、表面活性劑1%氧化銅0.016 Cp2.28 Cp