吴飞鹏
关于纳米球逐级深部调驱技术的一些说明 精选
2016-7-29 10:46
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最近有很多用户和潜在用户询问关于纳米球的事情,询问最多的不外乎油田工程师常问的以下几个问题: 纳米球是如何工作的?尺寸大的好还是小的好?怕不怕高温高盐?怎么注入?是否需要先配成母液?对注入水有要求吗?等等

对于那种持纳米球是通过孔吼架桥封堵或者孔吼匹配封堵的观点朋友我就不再解释了,看问题可以有不同的观点,解释现象也可以有很多的理论,随便。

在本短文和后附的PPT里所介绍的内容只给那些喜欢接受新观点,并且愿意接受不完善的观点的朋友参考。

注水开发是目前为止最为经济有效的石油开发手段,能量是灵魂。随着原油和天然气不断的采出,储层中物质的减少,储层能量不断的下降,物质产出变得困难。为补充地层能量,将水注入储层,以恢复储层能量是注水开发的目标。但是,由于储层的各种非均质性,包括沉积物组成、韵律、流向、层间矛盾等等,还有油水两相流本身造成的渗流非均质性,注入水很难有效的保存在储层中转化为地层能量。进而造成油井含水的不断提高,形成注水的无效循环。

目前为止,聚合物驱在条件较好的整装相对均质油藏已经被证明是非常有效的提高采收率技术,由于依靠分子之间舒展的分子形态产生的相互作用而形成的粘度作为有效工作的基础,因此,聚合物溶液的粘度和粘度保留率以及扩大波及体积能力是非常娇气的,受各种油藏条件的影响非常明显,适用的油藏是非常有限的。

对于严重非均质油藏、高温高盐油藏、含铁含硫油藏,层间矛盾非常大的油藏,已经尝试了很多材料和方式用于解决注水开发的水窜问题,这里就不再一一列举,均存在注入性与封堵性能之间不可解决的天然矛盾,几十年的实践证明,都不是非常有效的方案。因此,需要另辟蹊径,找出“堵”以外的方式,实现注入水在油藏中转化为地层能量。

如果把注水过程按照注入水携带的能量或者其流动的形态划分,在注水井近井地带,由于注入水能量较大,可视为有明显压差的渗流,符合达西定律;而实际上,流体能量在多孔介质中损耗非常快,特别是注入井经过射孔注入的水可视为在一个发射状无边的多孔介质中耗散,因此,在油藏深部的渗流一定是与注入能量关系不大的一种渗流,这种渗流的主要驱动力不再是压差,而是水与构成空隙的亲水岩石表面形成的毛管力。这种毛管力驱使的渗流是无方向的,已有的经验已经证明:在多年水驱的油藏里,即便是在油藏深部含油饱和度很高的地方,在经年的注水开发中含水饱和度也是不断上升的,高含油的部位会越来越少。因此,如果能够将一种材料送到油藏深部,减小或者消灭空隙内壁与水形成的毛管力,油藏深部水的渗流速度将大幅度降低,在注水井工作状态不变的情况下,注入水不再快速渗出,就可以转变成地层能量,使油藏能量得以恢复。

假设:1)如果有一种物质,比重与水相当,做成纳米尺寸,可以自由地穿过任何空隙,随着水流到达油藏深部任何水可以到达的地方,在注入能量几乎耗尽的油藏深部,水的渗流非常缓慢,每天一米甚至是一尺时,该纳米或者亚微米尺寸的颗粒物质就会发生布朗运动。

2)在联通情况不变,渗流流量一定的情况下,水在直径为几百纳米到一两百微米的有限尺寸空隙中渗流的速度,在小空隙的地方流速大,在大孔隙的地方流速相对小,因此,纳米颗粒尺寸物质在小空隙内留下的几率小,在大孔隙内留下的几率大。

3)在一定的温度和矿化度的水中,纳米和亚微米尺寸的颗粒发生布朗运动的频率和直径与颗粒本身的尺寸成反比,但是,接触到水与岩石的界面的面积却是大一些的颗粒要大。当颗粒由于布朗运动与岩石表面接触时,岩石与水之间的毛管力消失,或者水的界面张力降低,毛管力减少。

4)当油藏深部的毛管力减小时,水的渗流速度降低,粒子的布朗运动作用更加明显,进一步降低渗流速度,从而使水相的渗透率从高到低逐级得到抑制,注入水逐步转化成地层能量,随着注入水的增加,油藏深部的能量逐级提高。

因此,纳米球随着注水进入油藏深部渗流低能量的渗流区域发挥着作用。

由于只有纳米尺寸,工业化生产出来的纳米球体系具有完全透明的特征。如果产品不透明,说明含有乳液成分,是亚微米或者微米尺寸,不是本工作所指产品,工作原理也应该完全不同,不是本文讨论的范围。

在透射电子显微镜下,纳米球均小于100nm,在此时高真空状态下,照片上的尺寸比实际在产品或者水中的尺寸应该小一点,大多数颗粒显示直径约20-40nm或者更小,未见超过100纳米的。

在海水中高温下浸泡后,尺寸不断变大,两周后纳米颗粒的尺寸最大的接近1微米,大多数仍然保持在纳米水平。在动态光散射光谱中出现两个分布,一方面是存在各种尺寸纳米球,另外一方面是在水中膨胀的纳米球存在一个尚未膨胀的核,这样就存在两个光反射界面,一个是水与膨胀部分的界面,另外一个是膨胀部分与未充分膨胀部分的界面。

由于膨胀后的纳米球大多数仍然是亚微米和纳米尺寸,因此,可以期待这些软化的颗粒具有非常强大的布朗运动能力。

检验纳米球是否可以在高渗的地方阻断毛管力而调整水的渗流能力,一个简单的方法是在一个低渗的砂管中用玻璃毛细管人为的制造一个高渗流通道。在这样的高渗通道中,水的流量和流速在水源不足时,随着水源的增加而增加。在水源充足后,玻璃毛细管里水的流量和流速是恒定的。说明,1)注入的能量未能有效的传到玻璃毛细管的接入点;2)毛细管本身的结构决定着水的流速与流量。在玻璃材质相同、长度完全一致的情况下,毛管的尺寸大的,流量大,毛管直径小的,流量小,但是流速快。与基于毛管力的流量与流速计算公式符合。

即便注水岩心的渗透率只有6.8mD,属于非常低渗的材质,在注入2000ppm的纳米球时并不存在注入困难或者压力上升过大的问题,并且,在注入一定量纳米球接转注水一段时间后,即便在本实验采用的直径最大的毛细管,其流量也得以控制,达到分流为零。

粉笔是碳酸盐存在,用粉笔检测,既可以考察纳米球在碳酸盐中是否可以工作,也可以考察什么样状态的纳米球会更有效。将模拟污水用日落黄染上颜色,将下面一支粉笔先用模拟污水饱和,上面放一支干燥的粉笔,将饱和了模拟污水的粉笔分别放入不含纳米球、含有刚刚配制的纳米球和预先已经膨胀的纳米球溶液的烧瓶中,随着时间的推移,在粉笔毛管力的作用下,向上渗流的水还是比油田中油藏深部的平均渗流速度要快很多,从图中可以清洗的看到,没有纳米球的水渗流最快,含有刚刚配制的纳米球的水稍慢,而含有预膨胀的纳米球的水爬得最慢,在90分钟时不到最快的一半。说明,纳米球的确可以在碳酸盐中有效地减小水的渗流。

平面模型可以直观的观察渗流以及油水两相的变化。在长庆超低渗的岩心切片表面,用裁纸刀画出一道贯通的大尺寸渗流通道,模拟可能的压裂裂缝或者天然裂缝,观察水的渗流以及纳米球的作用。从整个变化过程可以清晰的看到,纳米球的确有效的提高了注水效率,同时,也坚定地否定了任何关于堵的概念,并逻辑地支持了本文最初的科学假设。

接下来的填砂模型清晰的表明:即便是在渗透率极高的状态下,纳米球会在渗透率更高的体系中发挥作用;浓度相对较低的体系更有效,高浓度小段塞的注入方式效果有限。

单管注入实验说明,在油藏的实际注入过程中是将纳米球工业产品直接分配到水中注入,只要注入水符合油藏的注入要求,无需考虑纳米球的注入能力问题。

如果注水压力不断上升,说明地层能量得到补充,需要做的事情就是提高采出速度,降低浸没度或者动液面,为油的流出创造条件。

众多不同渗透率极差的双管模型提高采收率实验表明:纳米球技术可以解决目前为止不能解决的渗透率极差造成的各种问题,可以多次注入,边注边观察,只要注入方式合适,注入的量足够,没有什么极差是不能解决的,只要是适合注水开发,原油都可以达到很高的采收率。这是目前世界上唯一可以解决任何渗透率极差,并将油有效采出的材料与技术。

最后,回答油田工程师经常提到的问题:1)纳米球依靠布朗运动工作;2)原始尺寸越小越好;3)不会膨胀变软的物质无效;4)油田的温度和矿化度下都可以做到不怕温度和矿化度,只需要调整配方;5)随着注水在线注入,无需大型注入设备;6)对注入水无特殊要求,只要达到回注水的基本要求,干净即可。

纳米球不能用在亲油油藏,因为那地方的水窜不是渗透率差异造成的,而是注入速度不合理造成的。


阅读本文时,最好先下载附件的20160608重新做-中文版-短小版.ppt


本文所述内容全部来自本人在中科院理化所团队,对曾经参与工作的老师和同学表示感谢!


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