CN105032261B - 一种制备纳米分散体系的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种制备纳米分散体系的方法及装置。该装置包括电子散射源、体系反应生成容器、搅拌器、换能片、超声波发生器、中间容器和驱替泵，其中，换能片置于体系反应生成容器内，超声波发生器置于体系反应生成容器外，换能片通过导线与超声波发生器连接，中间容器一端连接体系反应生成容器，另一端连接驱替泵。利用该装置制备纳米分散体系的方法包括：将流体1和流体2分别注入体系反应生成容器内；使流体1和流体2处于饱和溶解状态；开启超声波发生器和电子散射源，换能片工作，体系反应生成容器内形成纳米分散体系。该纳米分散体系具有良好的稳定性和注入性，适用于高温高压油藏的开发。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备纳米分散体系的方法及装置，属于石油开发技术领域。
背景技术
油藏开发普遍采用补充能量的方法，采用向油藏中注入驱替剂(水、聚合物溶液、气体等)驱替原油的方式，在我国应用最为广泛的是注水开发。
目前，注水开发面临两个常见问题：一是油藏非均质性导致注入水沿大孔道窜流，使其无法进入渗透率相对较低的孔隙。二是低渗透油藏，岩石孔隙半径小，注入水在较大压差下才能渗流进入孔隙。如果能将纳米、纳米级气泡分散到水中使之成为分散体系，在驱油时，微小气泡可以进入注入水不能进入的孔隙内，从而提高波及效率，提高采出程度。
目前尚没有这种适合在高温高压油藏条件下的分散体系，现有产生纳米-毫米级气泡的方法及装置所生成的气泡分散体系在高温下很难稳定、高压下极易合并。
因此探索纳米级分散体系生成方法，研制反应装置，使分散体系注入孔隙后实现气泡提高采出程度成为本领域亟待解决的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种制备纳米分散体系的方法及装置，采用本发明提供的装置制备得到的纳米分散体系，该纳米分散体系在高温下具有良好的稳定性，能够应用于高温高压油藏注水开采等领域。
本发明中的纳米分散体系是指两相不能按照任意比例互溶的流体(流体1和流体2)，流体1的密度大于流体2的密度，流体2能够在流体1中形成纳米气泡或纳米液滴并以一定浓度均匀分布在流体1中。
为达到上述目的，本发明提供了一种制备纳米分散体系的装置，该装置包括电子散射源、体系反应生成容器、搅拌器、换能片、超声波发生器、中间容器和驱替泵，所述换能片置于所述体系反应生成容器内，所述超声波发生器置于体系反应生成容器外，所述换能片通过导线与所述超声波发生器连接，所述中间容器一端连接所述体系反应生成容器，另一端连接驱替泵；搅拌器能够对体系反应生成容器内的两相流体进行搅拌，使两相流体处于饱和溶解状态，超声波发生器能够控制换能片的运作，驱替泵能够将中间容器内盛装的流体注入体系反应生成容器内；
所述体系反应生成容器包括可视端盖和釜体，所述可视端盖置于所述釜体的侧面，并通过密封垫压压实在所述釜体上；所述可视端盖上设有玻璃块(通过玻璃块可以观察并控制纳米分散体系的形成)，可视端盖的厚度、釜体的厚度、玻璃块的厚度和直径可以由实际耐压要求确定；所述釜体的上方设有两个流体入口，分别为第一入口和第二入口(两相流体能够分别从第一入口和第二入口进入体系反应生成容器内)，所述釜体的下方设有出口(形成的纳米分散体系能够从出口流出)；
所述换能片包括钢片和换能环；所述钢片的中间分布有孔眼，所述换能环置于所述钢片的上方，所述孔眼位于所述换能环的环空区域内，以使纳米级气泡能够从孔眼中喷射出来；
所述中间容器包括第一中间容器和第二中间容器，所述第一中间容器的一端连接所述第一入口，另一端连接所述驱替泵，所述第二中间容器的一端连接所述第二入口，另一端连接所述驱替泵；
所述电子散射源的电子束发射端与所述玻璃块正对，其发射的电子束能够穿透玻璃块。
在上述装置中，优选地，所述孔眼的直径为50-100μm；所述钢片中孔眼所在区域的厚度为0.05-0.1mm，更优选为0.1mm；所述钢片中孔眼所在区域外的厚度为0.2mm；所述换能环是由陶瓷压电材料制成的。
在上述装置中，优选地，所述换能环包括正极和负极，所述换能环的正极与所述超声波发生器的正极相连，所述换能环的负极与所述超声波发生器的负极相连。
在上述装置中，优选地，所述电子散射源包括第一阳极、阴极、加速阳极、可调聚焦线圈和玻璃外罩；所述第一阳极、阴极和加速阳极从上至下依次设置在所述电子散射源背对玻璃块的一端上，所述可调聚焦线圈置于所述玻璃外罩的外面，能够沿玻璃外罩的轴向移动。
在上述装置中，优选地，所述搅拌器在低压条件下可以为普通螺杆搅拌器，其搅拌头位于体系反应生成容器内，且不影响反应体系生成容器的密封性；在高压条件下可以采用磁力搅拌的方式。
在上述装置中，优选地，所述体系反应生成容器上设有压力表。
在上述装置中，优选地，所述体系反应生成容器的出口通过出口管线与应用系统相连。
在上述装置中，优选地，所述电子散射源与所述玻璃块之间的距离≤10cm。
本发明还提供了一种利用上述装置制备纳米分散体系的方法，其包括以下步骤：
步骤1：利用驱替泵将流体1和流体2分别注入体系反应生成容器内，并使体系反应生成容器内的温度和压力达到设计值；
步骤2：利用搅拌器搅拌，使流体1和流体2处于饱和溶解状态；
步骤3：开启超声波发生器和电子散射源，换能片工作，体系反应生成容器内形成纳米分散体系；
其中，所述流体1和流体2为两相不能按照任意比例互溶的流体，且流体1的密度大于流体2的密度。
本发明中超声波发生器能够为换能片提供能量，使其将电能转化为高频机械能，换能片上的孔眼快速剪切周围流体，将气相流体以喷射方式形成微米级颗粒；电子散射源发射的电子束能够穿透可视端盖上的玻璃块进入体系反应生成容器内被纳米气泡捕获，伴随自发溶解和电子间的相互排斥作用，其中一相流体形成的纳米级气泡或液滴能够稳定分布于另一相流体中，形成适宜油藏开发的纳米分散体系。
在上述方法中，优选地，在步骤1中，将流体1和流体2分别注入体系反应生成容器内时，先注入流体1，待流体1的液面至玻璃块底部的距离占整个玻璃块高度的1/4-3/4时(使两相的界面处于利于观察的区域)，停止注入流体1，并注入流体2。
在上述方法中，优选地，所述换能片位于流体1的内部或液面处。
在上述方法中，优选地，在步骤3中，超声波发生器的振荡频率为1.5-2.0MHz。
在上述方法中，优选地，在步骤1中，所述体系反应生成容器内的温度为常温至90℃，压力为0-20MPa，该温度和压力条件与高温高压油藏条件相近，制得的分散体系能够在该条件下保持分散特性，直接应用于高温高压油藏。
在上述方法中，优选地，始终保持体系反应生成容器内的温度和压力为上述设计值。
在上述方法中，优选地，该方法还包括当形成纳米分散体系时，将其从体系反应生成容器的出口注入应用系统的步骤。
本发明中所使用的两相流体为液相流体和气相流体。
本发明的创造性地利用超声波振荡方法生成纳米分散体系，以流体2(气体)向流体1(水)中分散为例，本发明提供的技术方案的核心包括三个过程：溶解饱和、超声振荡和电子捕获。
溶解饱和——在设计温度压力条件下，在密闭容器内注入流体1和流体2，使两者充分接触，达到最大溶解状态；
超声振荡——利用中间带微孔阵的环状换能片高频持续振荡，可形成微米级别的气泡(流体2微粒)，见图1；
电子捕获——微米泡在流体1中有自发溶解现象，此时利用电子散射源将电子打入微泡周围并使其捕获电子。伴随自发溶解，分布有一定数量电子的微米泡缩小至纳米级，此时电子相互排斥使气泡本身无法缩小，纳米泡之间也因电子排斥作用而保持合理距离，形成稳定分布，见图2。
本发明具有以下有益效果：
1)本发明提供的纳米分散体系具有良好的稳定性和易注入性，纳米级气泡能进入低渗微孔隙内，提高波及效率；同时，纳米级气泡进入大孔道时，在较大压差作用下，气泡迅速膨胀，多个气泡在孔道内填充后形成的贾敏效应，使分散体系进入较小孔径的孔隙内，起到调剖作用；
2)带有负电的纳米级气泡具有剥离油膜的作用，提高采出程度；
3)该方法具有简单、易于操作的优点，符合矿场实施条件。
附图说明
图1为纳米级气泡生成的原理图；
图2为纳米级气泡生成的示意图；
图3为制备纳米分散体系的装置的结构示意图；
图4为体系反应生成容器的结构示意图；
图5为换能片的结构示意图；
图6为电子散射源的结构示意图；
主要附图标号说明：
1：电子散射源；2：电子束；3；体系反应生成容器；4：出口管线；5：应用系统；6：驱替泵；7：换能片；8：超声波发生器；9：第二中间容器；10：第一中间容器；11：微米气泡；12：纳米气泡；101：阴极；102：加速阳极；103：可调聚焦线圈；104：第一阳极；105：玻璃外罩；301：可视端盖；302：搅拌器；303：出口；304：釜体；305：玻璃块；306：压力表；307：第一入口；308：第二入口；701：钢片；702：孔眼；703：换能环；704：电极；705：导线。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
本实施例提供了一种制备纳米分散体系的装置，该装置的结构如图3所示。
该装置包括电子散射源1、体系反应生成容器3、搅拌器302、换能片7、超声波发生器8、中间容器和驱替泵6，换能片7置于所述体系反应生成容器3内，超声波发生器8置于体系反应生成容器3外，换能片7通过导线705与超声波发生器8连接；
体系反应生成容器3的结构如图4所示，其包括可视端盖301和釜体304，所述可视端盖301置于釜体304的侧面，并通过O型密封圈压实在所述釜体304上；可视端盖301上设有玻璃块305；釜体304的上方设有两个流体入口和压力表306，两流体入口分别为第一入口307和第二入口308，釜体的下方设有出口303，该出口303与应用系统5相连；
换能片7的结构如图5所示，其包括钢片701和换能环703；钢片701的中间分布有孔眼702，钢片701的上方粘结由陶瓷压电材料制成的换能环703，孔眼702位于换能环703的环空区域内，孔眼702的直径为50-100μm，钢片701中孔眼702所在区域的厚度为0.1mm，孔眼702所在区域外的厚度为0.2mm，换能环703的正极与超声波发生器8的正极相连，换能环703的负极与超声波发生器8的负极相连；
中间容器包括两个容器管，分别为第一中间容器10和第二中间容器9；第一中间容器10的一端连接第一入口307，另一端连接驱替泵6，第二中间容器9的一端连接第二入口308，另一端连接驱替泵6；
搅拌器302的搅拌头置于体系反应生成容器3内；
电子散射源1的结构如图6所示，其包括第一阳极104、阴极101、加速阳极102、可调聚焦线圈103和玻璃外罩105，第一阳极104、阴极101和加速阳极102从上至下依次设置在电子散射源1背对玻璃块305的一端上，可调聚焦线圈103置于玻璃外罩105的外面，能够沿玻璃外罩105的轴向移动，电子散射源1的电子束发射部位与玻璃块305正对。
实施例2
本实施例提供了一种利用实施例1中的装置制备纳米分散体系的方法，其包括以下步骤：
1)在第一中间容器10和第二中间容器9中分别装盛水和CO2；
2)将第一中间容器10中的水注入体系反应生成容器3内，待液面至玻璃块305底部的距离占整个玻璃块305高度的2/3时，停止注入水，并将第二中间容器9中的CO2注入体系反应生成容器3内，使体系反应生成容器3内的温度达到设计值(温度为50℃)，通过持续注入CO2使体系反应生成容器3内的压强升至设计值(10MPa)；
3)开启搅拌器302搅拌1h，使水和CO2处于饱和溶解状态；
4)启动电子散射源1，使之正对体系反应生成容器3的玻璃块305，两者间的距离不大于10cm；
5)开启超声波发生器8，控制振荡频率为1.7MHz±0.2MHz，换能片7工作，观察换能片7周围流体振动情况，此过程水的透光性逐渐变差；
6)待水的浑浊程度不再加重时，纳米气泡的浓度达到最大；
7)按照(1mL/min)设定速度将生成的纳米分散体系由体系反应生成容器3的出口303注入应用系统5中。
在室内实验中(岩心长度5cm，渗透率20mD；原油样品粘度10mPa.s；温度50℃；压力10MPa)，注水驱油的采出程度为58％，而本发明提供的纳米分散体系的采出程度为72％，由此可见，与注水驱油效果相比，本发明提供的技术方案能提高采收率10％左右。
上述室内实验结果表明：本发明提供的纳米分散体系具有良好的稳定性和易注入性，应用于油藏开发中能显著提高原油的采出程度，并且方法简单、易于操作。
Claims (13)
1.一种制备纳米分散体系的装置，该装置包括电子散射源、体系反应生成容器、搅拌器、换能片、超声波发生器、中间容器和驱替泵，所述换能片置于所述体系反应生成容器内，所述超声波发生器置于体系反应生成容器外，所述换能片通过导线与所述超声波发生器连接；
所述体系反应生成容器包括可视端盖和釜体，所述可视端盖置于所述釜体的侧面，并通过密封垫压实在所述釜体上；所述可视端盖上设有玻璃块，所述釜体的上方设有两个流体入口，分别为第一入口和第二入口，所述釜体的下方设有出口；
所述换能片包括钢片和换能环；所述钢片的中间分布有孔眼，所述换能环置于所述钢片的上方，所述孔眼位于所述换能环的环空区域内；
所述中间容器包括第一中间容器和第二中间容器，所述第一中间容器的一端连接所述第一入口，另一端连接所述驱替泵，所述第二中间容器的一端连接所述第二入口，另一端连接所述驱替泵；
所述电子散射源的电子束发射端与所述玻璃块正对。
2.根据权利要求1所述的制备纳米分散体系的装置，其特征在于：
所述孔眼的直径为50-100μm；所述钢片中孔眼所在区域的厚度为0.05-0.1mm；所述钢片中孔眼所在区域外的厚度为0.2mm；
所述换能环是由陶瓷压电材料制成的。
3.根据权利要求1所述的制备纳米分散体系的装置，其特征在于：所述换能环包括正极和负极，所述换能环的正极与所述超声波发生器的正极相连，所述换能环的负极与所述超声波发生器的负极相连。
4.根据权利要求1所述的制备纳米分散体系的装置，其特征在于：所述电子散射源包括第一阳极、阴极、加速阳极、可调聚焦线圈和玻璃外罩；所述第一阳极、阴极和加速阳极从上至下依次设置在所述电子散射源背对玻璃块的一端上，所述可调聚焦线圈置于所述玻璃外罩的外面，能够沿玻璃外罩的轴向移动。
5.根据权利要求1所述的制备纳米分散体系的装置，其特征在于：所述体系反应生成容器上设有压力表。
6.根据权利要求1所述的制备纳米分散体系的装置，其特征在于：所述体系反应生成容器的出口与应用系统相连。
7.根据权利要求1所述的制备纳米分散体系的装置，其特征在于：所述电子散射源与所述玻璃块之间的距离≤10cm。
8.一种利用权利要求1-7任一项所述的装置制备纳米分散体系的方法，其包括以下步骤：
步骤1：利用驱替泵将流体1和流体2分别注入体系反应生成容器内，并使体系反应生成容器内的温度和压力达到设计值；
步骤2：利用搅拌器搅拌，使流体1和流体2处于饱和溶解状态；
步骤3：开启超声波发生器和电子散射源，换能片工作，体系反应生成容器内形成纳米分散体系；
其中，所述流体1和流体2为两相不能按照任意比例互溶的流体，且流体1的密度大于流体2的密度。
9.根据权利要求8所述的方法，其中：在步骤1中，将流体1和流体2分别注入体系反应生成容器内时，先注入流体1，待流体1的液面至玻璃块底部的距离占整个玻璃块高度的1/4-3/4时，停止注入流体1，并注入流体2。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中：所述换能片位于流体1的内部或液面处。
11.根据权利要求8所述的方法，其中：在步骤3中，超声波发生器的振荡频率为1.5-2.0MHz。
12.根据权利要求8所述的方法，其中：在步骤1中，所述体系反应生成容器内的温度为常温至90℃，压力为0-20MPa。
13.根据权利要求8所述的方法，其中：该方法还包括当形成纳米分散体系时，将其从体系反应生成容器的出口注入应用系统的步骤。
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