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體提高稠油采收率Shah, Rusheet D 阿拉斯加費爾班克斯大學(xué)本文為2009年SPE年度技術(shù)會議準(zhǔn)備的，并為在美國路易斯安那州新奧爾良市，2009年10月4-7日舉行的SPE國際學(xué)生論文競賽展覽演示，。 本文被SPE程序委員會選定為準(zhǔn)備的學(xué)生論文競賽方案國際學(xué)生論文大賽前文件的內(nèi)容沒有由石油工程師學(xué)會的審查，并須經(jīng)由作者（S）校正。材料不一定反映石油工程師學(xué)會的任何姿態(tài)，其管理人員或成員電子復(fù)制，分發(fā)或儲存本文的任何部分沒有石油工程師學(xué)會的書面同意是被禁止的。摘要：稠油是一個巨大的尚未開發(fā)的石油資源，是因為其高度的粘滯性使得它難以生產(chǎn)。目前，利用熱采技術(shù)，聚合物驅(qū)

2、，化學(xué)驅(qū)和氣體混相驅(qū)使稠油油藏生產(chǎn)的挑戰(zhàn)機遇。在這項工作中，三個不同的過程，即注氣熱，化學(xué)和互溶的優(yōu)勢已合并在一起產(chǎn)生一個新的粘度，稠油的過程。相比傳統(tǒng)的SC-CO2或VRI金屬納米粒子用于導(dǎo)熱增強超臨界二氧化碳（SC-CO2）或“減少粘度注入劑（VRI）”時稠油的粘度迅速減少，。溶于表面活性劑的SC-CO2也被添加到混合物中，以進(jìn)一步加強粘度降低。因此金屬納米粒子的熱性能，表面活性劑的化學(xué)性質(zhì)和互溶SC-CO2和VRI的性能完全降低稠油的粘度。簡介:如果它的API比重低于20度，原油被認(rèn)為是“稠”。 稠油是非瀝青質(zhì)的，稠密的，以其瀝青質(zhì)的含量稠油化學(xué)特征，盡管在一個巨大的資源基地，稠油和天然

3、瀝青在2000年生產(chǎn)原油25億桶（USGS事實表70-03，2003年8月），只有占約3億萬桶。 目前，開發(fā)商針對稠油藏在化學(xué)和密度方面有更好的油品質(zhì)量。每年生產(chǎn)的重油約66API比重超過15°，但估計大約50的技術(shù)可采稠油是稠密的（小于15°API比重，見圖1）。圖1：稠油API重力的作用下的年產(chǎn)量累計百分比（藍(lán)色）和技術(shù)上可采資源量的累計百分比（棕色）（提供：USGS事實表70-03，2003年8月）在傳統(tǒng)的生產(chǎn)，來自原油氣體和水的相關(guān)儲層的壓力一般是足以造成輕質(zhì)油流向生產(chǎn)井。然而，以維持開采價值的井的生產(chǎn)效率，稠油和超稠油生產(chǎn)幾乎總是要求采取措施，以減少油的粘度，向儲

4、層引入能源。當(dāng)過儲層注入熱蒸汽，原油粘度降低和通過驅(qū)替和部分蒸餾油油層壓力增加。可能被不斷注入蒸汽形成蒸汽驅(qū)，或者它可能被周期注射以用于交替注入和生產(chǎn)井。 使用氣體混相驅(qū)提高采收率是一種廣泛使用的技術(shù)，并能增加石油產(chǎn)量超出使用傳統(tǒng)的恢復(fù)方法。一般無論是在混相或非混相條件下注入氣被注入油藏?；煜嘧?，在一定油藏溫度下氣體和儲層流體混溶，其中包括在我們今天最廣泛使用的EOR過程后的熱采過程，它占著石油提高采收率生產(chǎn)的重大比重。 （事實表70-03，2003年8月）。目的：當(dāng)前可滿足稠油采收率的新型和創(chuàng)新的技術(shù)使重油生產(chǎn)面臨的機遇挑戰(zhàn)。這個項目是一種新的和創(chuàng)新的方法，對阿拉斯加北坡（ANS）稠油使用

5、金屬納米粒子使粘度降低。屬性，如二氧化碳的密度和粘度，降黏注入劑（VRI），ANS稠油（不可流動和可流動油），飽和的納米粒子二氧化碳（CO2納米流體），納米VRI（VRI納米流體），在1200 psia到2500 psia壓力變化范圍和溫度是恒定的（122華氏度）下，可測定注入飽和的納米粒子CO2的ANS原油和注射飽和納米VRI的ANS油。研究的目的如下：1通過使用納米粒子的飽和二氧化碳和VRI減少原油的粘度2. 使用納米粒子的熱性能強化稠油傳熱3. 利用表面活性劑（PDMS）和金屬納米粒子的密度和粘度的增強效應(yīng)減少流度和粘性指進(jìn)效果4. ANS重油飽和的貝雷砂巖巖心的提高采收率研究，與使用飽

6、和納米流體CO2和CO2氣體的氣驅(qū)巖心試驗研究5. 在模擬器中比較使用二氧化碳和二氧化碳的納米流體ANS的重油的采收率金屬納米粒子的背景：納米粒子是偉大的科學(xué)興趣，因為它們是散裝材料和原子或分子結(jié)構(gòu)之間有效的的橋梁。散裝材料應(yīng)具有恒定的物理性質(zhì)，化學(xué)性質(zhì)，不論其大小，但在納米尺度，這是往往并非如此。 “當(dāng)它們的大小接近納米級，并且當(dāng)在材料表面的原子的百分比變得顯著，材料性質(zhì)改變，。納米粒子表現(xiàn)出相對于散裝材料的特殊屬性。例如，散裝的彎曲銅（絲，織帶，等）發(fā)生在約50納米尺度銅原子/團簇運動。銅納米粒子小于被認(rèn)為是50納米超硬材料，表現(xiàn)出不相同的可塑性和延展性，大量銅納米粒子有非常高的表面積體積

7、比。這提供了一個巨大的動力，特別是在高溫下擴散。在較低溫度下可以采取燒結(jié)的地方，比較大的顆粒過短的時間尺度。這在理論上不影響最終產(chǎn)品的密度，雖然流動困難和納米粒子的凝聚傾向，往往創(chuàng)造一些問題。但超聲可以在一定程度上解決這個問題。圖2顯示掃描，電子顯微鏡（SEM）從“納米技術(shù)”上的納米氧化銅的形象。納米氧化銅粒子的掃描電鏡圖像 （單位： 納米)經(jīng)添加納米粒子的基液（常規(guī)液體）的性能，如密度，粘度，熱電導(dǎo)率和熱增加（張等，2005年11月）。這些基液的性能的增加在高溫的傳遞是期望的。表面活性劑的背景：表面活性劑降低在液 - 氣界面吸附液體的表面張力。聚二甲基硅氧烷（PDMS）是最廣泛使用的硅為基礎(chǔ)

8、的有機聚合物，特別是其不尋常的流變（或流量）的性能。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，像高粘度100,000 CP（阿法埃莎材料安全數(shù)據(jù)表）。 PDMS也是大多數(shù)化學(xué)品的化學(xué)惰性。它在SC-CO2可溶，也有增加SC-CO2的粘度的能力。 PDMS具有0.98的密度，139000的分子量和100000 CP的粘度。圖3：聚二甲基硅氧烷（單位：德buyl，2001年）實驗工作：EXP-1：飽和納米流體性質(zhì)的測定： 二氧化碳，表面活性劑的性質(zhì)：聚二甲基硅氧烷（PDMS）和計算ANS（不可流動的和可流動油）稠油。各個實驗在隨后的章節(jié)中詳述的進(jìn)行，以確定所需的屬性如

9、1所示表1：測試材料所需的屬性密度，粘度二氧化碳降粘劑聚二甲基硅氧烷ANS 原油EXP-2：降粘實驗： 一旦進(jìn)行上述所有實驗，就要知道所有所需的屬性。CO2納米流體和VRI納米流體按下面的表2所述的組成計算準(zhǔn)備。一旦制定了模型，使用準(zhǔn)備的co2/vri納米流體進(jìn)行降粘實驗使ANS重油的粘度減少。納米流體的組成： 納米流體的不同組分由的金屬納米粒子的數(shù)量決定。重量成分密度的基礎(chǔ)上一部分作為試驗材料也進(jìn)行了EXP-1計算。最終組分如下：表2：納米流體的組成組分描述Wt%納米氧化銅純度97金屬納米粒子0.5-3聚二甲基硅氧烷驅(qū)替劑5基液CO2 / VRI94.5-92密度計和粘度計：劍橋粘度計（圖4

10、）用于測試粘度測量，安東帕密度計（圖5）流體的用于密度測量。圖4：劍橋SPL 440粘度計（附件：SPL 440粘度計說明書）圖5:安東帕512p顯像密度計(附件：dma512p說明書)粘度測量：劍橋SPL 440粘度計用于測試液體的粘度測量。這個粘度的設(shè)計能夠承受高達(dá)10,000 psia高壓力和高溫度高達(dá)300華氏度。兩個移動電磁線圈（圖6）的活塞并提出在一個恒定的速度?；钊碾p向行車時間是用來測量周圍液體的絕對粘度。 “內(nèi)置的溫度檢測器（RTD）的感官測量采樣室的實際溫度。流體流經(jīng)¼u8221x外徑，（0.086“ID）到測量室的油管。低流量或靜態(tài)條件下測量流體粘度。系統(tǒng)測量粘

11、度，溫度和溫度補償粘度。圖6：viscolab PVT劍橋SPL 440粘度計的橫斷面（來源：spl440粘度計使用說明書）。用阿拉斯加北坡（ANS）稠油做的降粘實驗。實驗裝置（圖7）在粘度計壓力和溫度控制閾內(nèi)，在壓力規(guī)定值1 0,000 psia粘度降下2個。 圖7：粘度測量設(shè)置示意圖阿拉斯加北坡（ANS）不可流動的/可流動的油樣的粘度測量：用阿拉斯加北坡（ANS）不可流動/可流動的稠油做降粘實驗。實驗裝置（圖7）在粘度計壓力和溫度控制閾內(nèi)，在壓力規(guī)定值10,000 psia粘度由降下2個。降低粘度的測定過程：1其中已經(jīng)有表面活性劑（PDMS）和納米氧化銅權(quán)衡根據(jù)組成的儲能器1（圖7）中注入

12、CO2。2. 在與表面活性劑混合之前納米氧化銅受到30分鐘的超聲波，是因為超聲波可以實現(xiàn)原始大小的氧化銅納米粒子即納米粒子團聚的23-40納米在尺寸較大時不受干擾。3.一旦使用二氧化碳注射泵注射二氧化碳后，儲能器1的壓力增加到表面活性劑的混合壓力的以上。含有CO2的混合表面活性劑壓力為2500 psia。4.溫度升高到140華氏度來提高材料的混合。進(jìn)一步加強混合，儲能器1振動16小時。5. 然后將CuO + PDMS + CO2混合氣體注入已知的死的/可流動的ANS石油數(shù)量的儲能器2中。6. 然后儲能器2在的100華氏度晃動32小時，這個溫度是ANS井底溫度。使二氧化碳完全溶解在石油晃動是必要

13、的?；蝿?2小時后，它被連接到保持在恒溫溫度控制閾為100華氏度的在線粘度計。7. 在溫度在100華氏度下，不同壓力下測量重油粘度。8. 用相同的步驟其他井VRI納米流體測量。唯一不同的是VRI二氧化碳的地方使用的。EXP-3：使用巖心氣驅(qū)來提高采收率實驗傳統(tǒng)巖心驅(qū)替實驗儀器（圖8）被用來研究使用CO2和CO2納米流體（不可流動）ANS重油的提高采收率。以確保CO2保持在高于其臨界條件的壓力和溫度，處于超臨界相。貝雷砂巖巖心長1.5英寸，直徑6英寸。圖8：巖心驅(qū)替的實驗裝置油水飽和的Berea砂巖巖心：用22000 ppm的總?cè)芙夤腆w（TDS）的鹽水，以達(dá)到束縛水飽和度的Berea砂巖巖心飽和

14、。選擇22000 ppm的鹽度鹵水作為備用。其次為水飽和度以下的程序和重質(zhì)油飽和度的巖心：1. 在真空條件下，巖心連續(xù)3天用鹽水飽和（22,000 ppm的TDS）。2.然后將巖心放在巖心夾持器中，并用上述鹽水驅(qū)替，直到巖心的進(jìn)口和出口壓差穩(wěn)定。3被ANS重油驅(qū)替的巖心，預(yù)先加熱ANS重油，以確保其在金屬管材中流動暢通，還可以通過巖心。4. 當(dāng)巖心被ANS重油驅(qū)替，在巖心中的鹽水被驅(qū)替到外面。當(dāng)油取代流出水時束縛水達(dá)到飽和。巖心二氧化碳驅(qū)：使用巖心CO2驅(qū)替來提高ANS重油采收率遵循以下步驟：1. 按照前面提到的步驟用水和ANS稠油飽和巖心。2. 將二氧化碳罐連接到金屬儲能器。3. 增加儲能器

15、的壓力，使其壓力大于使用ISCO泵的二氧化碳的臨界壓力（PC）。4.連接CO2儲能器到巖心夾持器。確保通過巖心夾持器出口的一個閥門是關(guān)閉的。5.用超臨界CO2膨脹ANS稠油達(dá)48小時。6. 48小時后，打開后連接到一個可變孔插入式背壓調(diào)節(jié)器（BPR），保持出口的出口壓力穩(wěn)定。7. BPR的出口連接到兩相分離器。8. 在分離器的壓力降低到大氣和顯著的體積限度時收集油，水和氣體。巖心二氧化碳納米流體驅(qū)：使用巖心納米流體CO2驅(qū)替來提高ANS重油采收率遵循以下步驟：1. 按照前面提到的步驟用水和ANS重油飽和巖心。2. 測量計算的納米CuO和PDMS數(shù)量并且將它們添加到一個儲能器中。3. 二氧化碳罐

16、連接到上述儲能器。4. 增加儲能器的壓力，使其壓力大于使用ISCO泵的二氧化碳的臨界壓力（PC）。5.此蓄能器連接到巖心夾持器。確保巖心夾持器的出路出口的一個閥門是關(guān)閉的。6. 用允許超臨界二氧化碳納米流體膨脹ANS重油達(dá)48小時。7. 48小時后，打開后連接到一個可變孔插入式背壓調(diào)節(jié)器（BPR），保持出口的出口壓力穩(wěn)定。8. BPR的出口連接到兩相分離器中。9. 在分離器的壓力降低到大氣和顯著的體積限度時收集油，水，氣（CO2）和納米粒子。結(jié)果與討論:結(jié)果:EXP-1：確定的納米粒子飽和的流體性質(zhì)二氧化碳的性質(zhì)：密度：表3顯示了在77 華氏度時的不同的壓力下，用安東帕密度計測量二氧化碳的密度

17、。在的實際室溫為77華氏度下將二氧化碳罐連接到密度計。密度是用儲能器中存在的氣體量來計算，而分散劑和氧化銅納米粒子的數(shù)量也可以用來計算。表3：二氧化碳的密度壓力(psia)在77華氏度的密度 (g/cc)1617.000.831764.000.841911.000.852058.000.862205.000.872352.000.88粘度：表 4 顯示在 2500 psia和 122華氏度的壓力和溫度下，用劍橋粘度計測量的CO2 和二氧化碳的納米流體的粘度。表4：在2500 psia的二氧化碳的粘度壓力(psia)粘度(cP)50033.55100033.63150033.31200034.4

18、9250035.70表面活性劑的性質(zhì)：表5顯示了溫度為77華氏度時，在不同的壓力下，用劍橋粘度計測量的表面活性劑的粘度。表5：PDMS的粘度溫度為122華氏度的粘度二氧化碳，表面活性劑1%的氧化銅0.016 Cp2.28 CpVRI的性質(zhì)：通過注入VRI形成到氣注到密度計，在120 psi（壓力罐）和77 華氏度的壓力和溫度下進(jìn)行密度測量表6: 溫度為77華氏度的VRI的密度120psi壓力下的密度0.408 g/ccEXP-2:降粘實驗用不同濃度的納米粒子進(jìn)行降粘實驗，確定含有CuO濃聚物重油的粘度降低范圍。兩個基液：CO2;VRI及其用于實驗?zāi)康暮煌珻uO納米粒子的變異體(見表7 &am

19、p;表9)。表7: CO2的試驗研究表樣品序號描述SC1室溫81華氏度的重油SC2溫度122華氏度的重油和CO2SC3溫度122華氏度的稠油、CO2、 PDMS 、0.5%(wt)和CuOSC4溫度122華氏度的稠油、CO2、 PDMS 、0.5%(wt)和CuOSC5溫度122華氏度的稠油、CO2、 PDMS 、1%(wt)和CuOSC6溫度122華氏度的稠油、CO2、 PDMS 、3%(wt)和CuO下表顯示了溫度為恒溫 122 華氏度時，使用二氧化碳納米流體所取得的粘度讀數(shù)。表 8：使用二氧化碳納米流體粘度隨壓力的變化粘度 (cP)分別 (SC1) 在81華氏度 (SC3) 140華氏度

20、 和122華氏度壓力SC1SC2SC3SC4SC5SC61264.7283.950.8216.2224.4522.7025.821586.7274.769.4616.4124.5323.5526.671709.7281.971.0016.3825.1523.7426.981886.7286.372.7016.5825.3624.2627.542050.7291.675.0016.8325.7024.6027.842189.7297.476.5416.8726.0224.8327.262303.7304.978.3816.9726.2525.0827.482396.7314.279.0017.0

21、726.5925.3827.752510.7322.380.2317.2026.7525.7027.81進(jìn)行VRI的實驗列表VR1122華氏度的30 mole % VRI的重油VR2溫度122華氏度的重油，VRI、CO2、 PDMS 、0.5%(wt)和CuOVR3溫度122華氏度的重油，VRI、CO2、 PDMS 、1%(wt)和CuOVR4溫度122華氏度的重油，VRI、CO2、 PDMS 、3%(wt)和CuO下表顯示了溫度為恒溫 122 華氏度時，用VRI納米流體所取得的粘度讀數(shù)表10：使用VRI納米流體的粘度隨壓力的變化 溫度122華氏度的粘度（cp）壓力VR1VR2VR3VR412

22、64.717688.5558.9687.661586.7182.191.3761.5289.651709.7189.993.3063.8392.971886.7202.996.1064.1796.052050.7213.798.5664.8598.52396.7224.199.1365.38100.32510.7231.8101.166.79101.5下表顯示了溫度為恒溫 122 華氏度時，用 ANS "可流動油"和二氧化碳納米流體所取得的粘度讀數(shù)表11：ANS可流動油的實驗列表樣品號描述SC1室溫81華氏度的稠油LO1溫度122華氏度的可流動稠油LO2溫度122華氏度的含

23、CO2、 PDMS 、1%(wt)和CuO的可流動稠油，表12：使用ANS活重油和二氧化碳納米流體時粘度隨壓力的變化在溫度81 華氏度(SC1) and 122 華氏度的粘度（cp）SC1壓力LO1LO21264.7283.911117EXP-3: 巖心CO2氣驅(qū)三次采油試驗巖心CO2氣驅(qū)三次采油試驗下表顯示巖心CO2氣驅(qū)實驗時，觀察到的Berea砂巖巖心的干重和被水飽和后和被ANS稠油飽和的重量巖心飽和二氧化碳?xì)怛?qū)油實驗。表13：提高采收率研究中觀察到的重量Berea砂巖巖心的干重42.7 g被水飽和后的巖心的重量370.3 g孔隙度 15.86%稠油飽和后的巖心的重量368.0 g被ANS

24、稠油驅(qū)替的水18 g束縛水飽和度(%Swi)34.78%巖心的原始油15.7 gCO2氣驅(qū)的采油量9.1 g%采收率58 %用CO2納米流體驅(qū)三次采油實驗：下表顯示CO2納米流體驅(qū)實驗時，觀察到的Berea砂巖巖心的干重和被水飽和后和被ANS稠油飽和的重量 表14：提高采收率研究中觀察到的重量Berea砂巖巖心的干重349.2 g被水飽和后的巖心的重量367.8 g孔隙度10.68 %稠油飽和后的巖心的重量367.1 g被ANS稠油驅(qū)替的水12.2 g束縛水飽和度(%Swi)34.4 %巖心的原始油11.5 gCO2氣驅(qū)的采油8.2 g%采收率71.30 %討論：EXP-1：通過加入納米CuO

25、來增加二氧化碳的密度和粘度EXP-21.CO2納米流體：CO2膨脹ANS稠油, 降低其粘度，PDMS和不同濃度的CuO有助于減少各種稠油樣品黏度。溫度越高，降粘效果越好。2.VRI納米流體：VRI可以降低ANS重稠油的粘度，但是其范圍不依賴二氧化碳。添加納米CuO和PDMS到VRI可以進(jìn)一步降低ANS重油的粘度3.ANS可流動油和二氧化碳納米流體：添加甲烷到ANS稠（不可流動）油也就是ANS可流動油來減少ANS稠（不可流動）油的粘度。添加CuO納米粒子和PDMS可以進(jìn)一步降低ANS可流動油的粘度EXP-31. 用巖心二氧化碳?xì)怏w三次采油實驗CO2膨脹ANS稠油，驅(qū)替其通過Berea砂巖巖心，在

26、地層原油采收率約582. 用CO2納米流體驅(qū)三次采油實驗CO2膨脹ANS，來驅(qū)替一些原油到出口。 PDMS和CuO納米粒子驅(qū)替更多的油到出口，是因為納米流體的高粘度和的密度產(chǎn)生了71的采收率。結(jié)論：進(jìn)行稠油提高采收率的工作，可以得出以下結(jié)論。EXP-1：a.二氧化碳的密度和粘度隨著添加的PDMS和CuO納米粒子而增加EXP-2： 1、CO2納米流體：a. 只用1（wt）的CO2納米流體可使ANS重油粘度的減少三倍。b. SC3樣品被加熱到144 華氏度顯示最低黏度c. SC2樣品，其中有30摩爾的二氧化碳也可以減少ANS重稠油（不可流動）粘度：d. SC4樣本，其中有30摩爾的二氧化碳，PDM

27、S和0.5（wt）的納米CuO能降低ANS稠油的粘度比其中只有30摩爾CO2的樣品SC2更低e. SC5樣品，30摩爾二氧化碳，PDMS和1（wt）的納米CuO在122華氏度可降低粘度到最低值f. SC6樣品，30摩爾的二氧化碳，PDMS和3（wt）g. 與樣品SC5相比，納米CuO不能降低粘度2 - VRI納米流體：a. VRI可以在一定程度上減少的ANS重油的粘度，但還不如二氧化碳多。b. VRI可以實現(xiàn)雙重ANS稠油粘度降低c. VR2樣本，其中有30摩爾VRI也可以減少ANS稠油的粘度d. VR3樣品，其中有30摩爾的二氧化碳，PDMS和1（wt）的納米CuO能降低ANS重油的粘度比其中只有30摩爾VRI的VR2樣品更低e. VR4樣本，有30摩爾VRI，PDMS和3（wt）的納米CuO與樣品VR3相比，不能降低粘度3 ANS可流動油和CO2納米流體a. 添加甲烷氣道樣