CN105542743B - 一种纳米流体稠油热采助剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种纳米流体稠油热采助剂及其制备方法。以该纳米流体稠油热采助剂的总体积为基准，其原料组成可以包括：纳米材料0.01‑0.5％、乳化剂0‑15％、辅助试剂0.1‑5％、矿物离子0‑6％、稠化剂0.1‑1％、分散溶剂0‑30％以及水余量。该热采助剂的制备方法为：将水、矿物离子、乳化剂、稠化剂和辅助试剂混合均匀后配制得到溶液A；将油溶性纳米材料与分散溶剂混合均匀后配制得到分散液B；将分散液B加入到溶液A中，形成乳化液；通过超声分散或高速搅拌形成稳定乳化液；或者，在水中加入辅助试剂，混合均匀后加入水溶性纳米材料，分散均匀后加入稠化剂，混合均匀后形成含有纳米材料的悬浮液。
Description
技术领域
本发明属于石油开采技术领域，具体涉及一种纳米流体稠油热采助剂及其制备方法。
背景技术
稠油开采技术主要包括热采(例如蒸汽吞吐、蒸汽驱、火驱、SAGD、FAST、SAGP等)和冷采。根据油藏的具体情况，现阶段以稠油热采为主要开发方式。蒸汽驱和蒸汽吞吐是两种主要的热采方法。注蒸汽是当前世界上开采稠油油藏的最主要方法，通过蒸汽将热力提供给油层岩石和流体，一方面使油层原油的粘度大大降低，增加原油的流度；另一方面原油受热后发生体积膨胀，可减少最终的残余油饱和度。
近几年蒸汽吞吐、蒸汽驱技术的发展主要在于使用各种助剂改善吞吐效果。该技术是80年代在委内瑞拉发展起来的，注入的助剂主要有天然气、溶剂(例如轻质油)、凝胶调剖堵水剂以及高温泡沫剂(例如一些表面活性剂)。注蒸汽辅助技术的应用使油井的动用程度提高，生产周期延长，采收率明显提高。目前，注助剂或其它辅助技术主要针对降低稠油粘度、增大波及体积和控制窜流通道三个方面做研究，而针对增加原油导热性能方面的研究较少。水的导热能力是油的6-7倍，因此，热量易向高含水区扩散。同时由于储层的强非均质性，必然导致蒸汽沿高渗透带突进，大大降低蒸汽有效波及面积，从而影响了注蒸汽的开采效益。纳米流体是20世纪90年代以来应用于强化传热领域的，属于新一代的高效传热冷却技术，其在电力、化学、空调、运输和微电子等行业中具有普遍应用，但针对稠油热采利用纳米流体导热性能来强化热传导暂时未见报道。
现有技术中，主要以表面活性剂、乳化剂、催化降粘或溶剂等形式降粘作为辅助热采方式。例如：CN103422841A涉及一种稠油降粘方法，通过向稠油中加入含氰基的有机化合物，并将其分散在稠油中以降低原油粘度。CN101074367A介绍了一种稠油稀化剂，用于稠油热采中化学辅助蒸汽驱改善蒸汽吞吐效果的提高采收率，其主要组成为：乙二胺四乙酸二钠、低级脂肪酸、螯合分散剂、磺酸盐助排剂等。CN102260490A涉及一种稠油助采剂及其制备方法，该稠油助采剂的主要组成为：脲、高温防乳破乳剂、石油磺酸盐、乙二胺四乙酸二钠、高温起泡剂。CN101328798A介绍了一种稠油开采的方法，主要介绍了降解剂的制备过程和应用方式。CN101845298A介绍了一种油溶性降粘剂，其由以下重量百分比的组分组成：溶剂50-65％、聚氧乙烯醚20-30％、乳化剂6-10％。CN103939068A介绍了一种开采稠油或沥青的方法，该方法能提高储层中稠油或沥青在地层中的流动，该方法包括在储层中的一部分稠油或沥青中，利用火烧油层建立起一个燃烧前缘，并在火烧油层过程中向地层中注入空气和碱性化合物，其中该碱性化合物接触燃烧前缘处的烃类，并且与烃类中的环烷酸反应形成表面活性剂。CN103147732A介绍了一种稠油及超稠油油藏条件下中低温可控自生热的方法；该方法包括以下步骤：通过稠油或超稠油油藏的注入井向油层中注入含氧气体和催化剂；加热注入井附近的油藏使其温度升高至100-400℃，启动催化氧化放热反应，反应放出的热量加热油藏，实现对于稠油或超稠油油藏的可控自生热。
另一方面，现有热采辅助技术以调剖、堵水、堵窜等形式作为辅助热采方式。例如：CN101633835A介绍了一种稠油热采封窜剂，其主要组成为：水玻璃10-30％、乙酸乙酯0.5-3％、氯化铵0.3-1.3％、柠檬酸铝0.005-0.015％、EDTA或EDTA盐0.01-0.03％。CN104847302A介绍了一种堵水方法，包括以下步骤：确定因底水锥进导致的出水油层；向所述出水油层注入预定量的气体；向注入气体后的出水油层注入化学堵剂进行选择性堵水；其中化学堵剂由第一段塞和第二段塞组成，以质量百分比浓度计，第一段塞由0.4-0.5％聚丙烯酰胺、2-3％橡胶颗粒、1-3％栲胶粉组成，第二段塞为15-25％树脂粉煤灰配制的水溶液。
纳米技术在石油领域主要应用于催化或磁力降粘。例如：CN103321617A介绍了一种纳米磁流体吞吐采油方法及井网结构，在油藏开采区域内将吞吐井、磁源井以及监测井组成一个吞吐井组；在吞吐井和磁源井的井筒内下入电磁体；向吞吐井内注入纳米磁流体分散溶液；启动磁源井井下电磁体、调节磁通量，使其在目标油层中形成一个巨大的磁场，关闭磁源井电磁体，同时启动吞吐井电磁体并调节磁通量，使进入油层深部的纳米磁流体在吞吐井磁力作用下回流，吞吐井开井生产。CN102977254A介绍了一种稠油纳米降粘剂及其制备方法，该纳米降粘剂主要包括纳米聚(二乙烯基苯-丙烯酸短链酯-丙烯酸高碳酯)。CN103320110A介绍了一种纳米复合型耐高温助采剂，由3-8wt％改性纳米无机助剂、3-8wt％石油磺酸盐、10-40％wt％降粘剂、5-15wt％乳化剂、2-10wt％表面润湿剂、2-10wt％渗透剂、5-10wt％高分子改性剂、1-8％wt％催化剂和余量水制备而成，其具有耐高温，乳化、抗盐等性能。CN103421483A介绍了一种稠油水热裂解纳米催化降粘剂及其制备方法，所述催化降粘剂是包括以重量份数计的以下物质经还原反应而得：金属盐1-50重量份、溶剂10-200重量份、醇5-150重量份、还原剂5-150重量份、碱溶液100-500重量份、磺酸50-300重量份、蒸馏水100重量份；所述降粘剂的粒径分布在1-10nm之间。
上述现有技术主要是在降粘和调堵窜流通道方面进行研究，而稠油是不良热导体，低于水的热导率6-7倍，因此注入的热量仅能在油、汽或水接触面满足热量交换，因此为了增大热交换率，这些现有技术需要提高注入蒸汽热量，导致生产成本增加，且热效率低。
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纳米流体稠油热采助剂及其制备方法。该稠油热采助剂能够提高原油的导热能力，进而提高蒸汽热量的利用率。
为达到上述目的，本发明首先提供了一种纳米流体稠油热采助剂，以所述纳米流体稠油热采助剂的总质量为基准，其原料组成包括：纳米材料0.01-0.5％、辅助试剂0.1-5％、稠化剂0.1-1％以及水余量；或者其原料组成包括：纳米材料0.01-0.5％、乳化剂0.1-15％、辅助试剂0.1-5％、矿物离子0.1-6％、稠化剂0.1-1％、分散溶剂10-30％以及水余量。
在上述的纳米流体稠油热采助剂中，优选地，所述纳米材料包括纳米金属氧化物、纳米非金属氧化物和纳米碳化物等中的一种或几种的组合。更优选地，所述纳米金属氧化物包括纳米氧化铜、纳米氧化铁和纳米氧化铝等中的一种或几种的组合；所述纳米非金属氧化物包括纳米二氧化硅等；所述纳米碳化物包括碳纳米纤维和/或碳纳米球等，其中，所述碳纳米纤维包括碳纳米管、实心碳纳米纤维。尤为优选地，所述纳米材料包括纳米氧化铜、纳米氧化铝、纳米二氧化硅和碳纳米球中的一种或几种的组合。
在上述的纳米流体稠油热采助剂中，优选地，所述纳米材料的直径为1nm-500nm，更优选为10nm-50nm。
在上述的纳米流体稠油热采助剂中，优选地，所述纳米材料可以为水溶性或油溶性。当本发明采用的纳米材料为水溶性时，上述纳米流体稠油热采助剂的原料组成可以包括纳米材料0.01-0.5％、辅助试剂0.1-5％、稠化剂0.1-1％以及水余量；可以不包括所述乳化剂、矿物离子和分散溶剂。当本发明采用的纳米材料为油溶性时，上述纳米流体稠油热采助剂的原料组成可以包括纳米材料0.01-0.5％、乳化剂0.1-15％、辅助试剂0.1-5％、矿物离子0.1-6％、稠化剂0.1-1％、分散溶剂10-30％以及水余量。本发明的水溶性纳米材料和油溶性纳米材料的制备方法均可以为本领域常规的。更优选地，所述纳米材料为油溶性表面修饰纳米材料。纳米材料按制备方法可分为液相法、气相法和固相法，为便于现场化应用优选固相法制备超细粉体。纳米材料表面修饰可利用表面活性剂法将表面活性剂一端吸附到纳米材料表面，另一端表现为极性亲水或非极性亲油的特性，实现纳米材料亲水或亲油的目的；或通过表面沉积法进行纳米材料表面包裹亲油或亲水材料实现。优选通过表面活性剂吸附方法制备水溶性或油溶性纳米材料。潘秋红、张锡凤在《油溶性纳米铜的制备及其在SF15W/40汽油中的摩擦学性能》中介绍通过液相化学还原法结合界面上次仪醋酸铜为母体维生素C(Vc)为还原剂，聚乙二醇2000为修饰剂，正丁醇为生长剂，制得粒度分布为18.2-80.2nm、平均粒度为44.7nm的油溶性球形纳米Cu。CN102925253A介绍了一种通过将锡纳米颗粒分散到具有润湿剂的分散介质中经过搅拌和超声波处理得到油溶性纳米锡颗粒的制作方法。CN103769605A介绍了一种油溶性金纳米颗粒的合成方法，其提供了一种温和条件下在油相体系中合成高浓度、高稳定性，尺寸在30-100nm的油溶性金纳米颗粒的合成方法。油溶性纳米材料利用微乳液的制备方法可以参考：蔡逸飞硕士毕业论文《微乳液法制备油溶性纳米金属铜及其在摩擦学中的应用》控制微乳液粒径在1-100纳米之间，制备得到了10-50纳米的油溶性铜纳米颗粒。本发明将上述文献的全文引用于此作为参考，可以采用上述方法制备得到本发明的油溶性表面修饰纳米材料，但不限于上述文献中的方法。
在上述的纳米流体稠油热采助剂中，优选地，所述乳化剂包括非离子表面活性剂、阴离子表面活性剂和阳离子表面活性剂中的一种或几种的组合；其中，所述非离子表面活性剂包括失水山梨醇三油酸酯、失水山梨醇月桂酸酯、聚氧乙烯月桂醚、聚氧乙烯山梨糖醇酐脂肪酸酯等中的一种或几种的组合；所述阴离子表面活性剂包括烷基苯磺酸钠和/或烷基磺酸钠等；所述阳离子表面活性剂包括胺盐型阳离子表面活性剂等。更优选地，所述乳化剂包括十二烷基苯磺酸钠和/或聚氧乙烯山梨糖醇酐脂肪酸酯；尤为优选地，所述聚氧乙烯山梨糖醇酐脂肪酸酯为Tween-81和/或Tween-80。
在上述的纳米流体稠油热采助剂中，优选地，所述辅助试剂包括有机或无机碱、低分子醇等中的一种或几种的组合；更优选地，所述辅助试剂包括三乙醇胺、乙二醇和乙醇中的一种或几种的组合。
在上述的纳米流体稠油热采助剂中，优选地，所述矿物离子包括NaCl和/或CaCl2等。
在上述的纳米流体稠油热采助剂中，优选地，所述稠化剂包括聚丙烯酰胺和/或多糖类聚合物等；更优选地，所述稠化剂包括分子量为1000-1200万的阴离子聚丙烯酰胺、黄原胶、胍胶及它们的改性产物中的一种或几种的组合。
在上述的纳米流体稠油热采助剂中，优选地，所述分散溶剂包括苯类有机溶剂和/或氯化烷烃等；更优选地，所述分散溶剂包括甲苯。
在本发明中，上述的纳米流体稠油热采助剂可以采用气相沉淀法、分散法或共混法制备得到，优选采用共混法。
更具体地，根据本发明的具体实施方式，优选地，当采用的纳米材料为油溶性纳米材料(该油溶性纳米材料可以为直接制作完成后呈油溶性的，也可以为经表面修饰后呈油溶性的)时，所述的纳米流体稠油热采助剂通过以下步骤制备得到：(1)在水中加入矿物离子，充分溶解后加入乳化剂、稠化剂和辅助试剂，混合均匀后配制得到溶液A；(2)将油溶性纳米材料加入到分散溶剂中，混合均匀后配制得到分散液B；(3)将分散液B加入到溶液A中，形成乳化液；(4)然后通过超声分散或高速搅拌形成稳定乳化液，制备得到所述的纳米流体稠油热采助剂。
在上述的制备步骤中，优选地，步骤(1)、(2)和(3)均是在搅拌条件下进行，其中，步骤(1)的搅拌条件为200-400r/min，步骤(2)的搅拌条件为200-400r/min，步骤(3)的搅拌条件为600-700r/min。
在上述的制备步骤中，优选地，步骤(4)中的超声分散的工作频率为30-60KHz(更优选为40kHZ)、功率为0.1-0.5W×cm2(更优选为0.2566W×cm2)，时间为10-30min(更优选为20min)；高速搅拌的速度为5000-20000r/min(更优选为10000r/min)，时间为5-15min(更优选为10min)。基于工业化生产要求，步骤(4)优选采用高速搅拌方式。
根据本发明的具体实施方式，优选地，当采用的纳米材料为水溶性纳米材料(该水溶性纳米材料可以为直接制作完成后呈水溶性的，也可以为经表面修饰后呈水溶性的)时，所述的纳米流体稠油热采助剂通过以下步骤制备得到：在水中加入辅助试剂，混合均匀后加入水溶性纳米材料，分散均匀后加入稠化剂，混合均匀后形成含有纳米材料的悬浮液，制备得到所述的纳米流体稠油热采助剂。
另一方面，本发明还提供了上述纳米流体稠油热采助剂的制备方法，当采用的纳米材料为油溶性纳米材料(该油溶性纳米材料可以为直接制作完成后呈油溶性的，也可以为经表面修饰后呈油溶性的)时，该制备方法包括以下步骤：(1)在水中加入矿物离子，充分溶解后加入乳化剂、稠化剂和辅助试剂，混合均匀后配制得到溶液A；(2)将油溶性纳米材料加入到分散溶剂中，混合均匀后配制得到分散液B；(3)将分散液B加入到溶液A中，形成乳化液；(4)然后通过超声分散或高速搅拌形成稳定乳化液，制备得到所述的纳米流体稠油热采助剂；
当采用的纳米材料为水溶性纳米材料(该水溶性纳米材料可以为直接制作完成后呈水溶性的，也可以为经表面修饰后呈水溶性的)时，该制备方法包括以下步骤：在水中加入辅助试剂，混合均匀后加入水溶性纳米材料，分散均匀后加入稠化剂，混合均匀后形成含有纳米材料的悬浮液，制备得到所述的纳米流体稠油热采助剂。
在上述的制备方法中，优选地，当采用的纳米材料为油溶性纳米材料时，步骤(1)、(2)和(3)均是在搅拌条件下进行，其中，步骤(1)的搅拌条件为200-400r/min，步骤(2)的搅拌条件为200-400r/min，步骤(3)的搅拌条件为600-700r/min。
在上述的制备方法中，优选地，当采用的纳米材料为油溶性纳米材料时，步骤(4)中的超声分散的工作频率为30-60KHz(更优选为40kHZ)、功率为0.1-0.5W×cm2(更优选为0.2566W×cm2)，时间为10-30min(更优选为20min)；高速搅拌的速度为5000-20000r/min(更优选为10000r/min)，时间为5-15min(更优选为10min)。基于工业化生产要求，步骤(4)优选采用高速搅拌方式。
本发明提供的纳米流体稠油热采助剂的注入方式可以为伴蒸汽或注蒸汽前注入。本发明提供的纳米流体稠油热采助剂能够提高原油导热能力，进而提高注入蒸汽热量的转化效率，提高波及体系，能够达到提高采收率的效果。
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。
实施例及对比例
根据表1的原料组成及配比(表1中的各原料配比是以纳米流体稠油热采助剂的总质量为基准计算的，余量为去离子水)，当选用油溶性纳米材料时，按照以下步骤制备纳米流体稠油热采助剂：
(1)在磁力搅拌器以400r/min的转速条件下，在去离子水中加入矿物离子，待完全溶解后，加入乳化剂和稠化剂，待完全溶解后，加入辅助试剂，配制得到溶液A；
(2)在磁力搅拌器以200-400r/min的转速条件下，在分散溶剂中加入油溶性纳米材料，搅拌均匀后配制得到分散液B；
(3)在磁力搅拌器以600-700r/min的转速条件下，将分散液B缓慢加入到溶液A中，形成乳化液；
(4)高速搅拌形成稳定乳化液，其中高速搅拌的速度为1000r/min，时间为10min。
在下述表1中，各油溶性纳米材料可商购或室内制备。
1.油溶性纳米二氧化硅
纳米二氧化硅优选沉降法制备：在反应釜中加入浓度为0.35-0.55mol/L的Na2SiO3溶液、2.5-5％(质量百分比)乳化剂聚乙二醇6000、2％(质量百分比)分散剂Na2SO4混配均匀后，在磁力搅拌器150rmp/min条件下滴加浓硫酸至pH＝4-5熟化1-2小时。熟化后将反应液体抽滤烘后用去离子水反复洗涤滤饼，再将洗涤好的滤饼放入90℃真空烘箱中烘干，最后将产物放入高温炉在150-200℃煅烧1h，研磨成粉末。
按照0.45-0.55mol/L Na2SiO3溶液可制备得到直径主要分布在10-20nm范围的纳米二氧化硅颗粒；按照0.35-0.45mol/L Na2SiO3溶液可制备得到直径主要分布在40-50nm范围的纳米二氧化硅颗粒。
纳米二氧化硅油溶性表面改性方法参考刘会媛等在2011年第八期化学世界发表的《硅烷偶联剂KH-560改性纳米二氧化硅》方法进行改性。
2.油溶性纳米氧化铜
纳米氧化铜粉购买阿拉丁试剂公司直径10-20nm和直径30-50nm试剂，油溶性改性方法参考文献蔡逸飞硕士毕业论文《微乳液法制备油溶性纳米金属铜及其在摩擦学中的应用》。
3.表面改性纳米碳球
纳米碳球购买自北京德科岛金科技有限公司，直径为20-40nm。改性方法参照陈贵如等人发表于《科技通报》1999年6月第44卷第11期《碳纳米管上的沉积铂》方法，将纳米碳球表面沉积金属铂改性。
表1
测试例1
利用Hot Disk导热系数仪测定导热率。
测试方法1：先测定对比例1-4的导热性能，然后将实施例1-6按照0.1％(质量百分比)的加入量添加到原油样品中搅拌均匀后测定导热性能。
表2
测试例2
测试方法2：测试空岩心导热性能，然后将岩心饱和对比例1-4和实施例1-6测试导热性能。
表3
| 实验样品 | 热导率W/mK | 实验样品 | 热导率W/mK |
| 空人造岩心 | 3.351-3.456 | 人造岩心饱和对比例1 | 2.890 |
| 人造岩心饱和对比例2 | 2.881 | 人造岩心饱和对比例3 | 2.937 |
| 人造岩心饱和对比例4 | 1.732 | 人造岩心饱和实施例1 | 1.809 |
| 人造岩心饱和实施例2 | 1.852 | 人造岩心饱和实施例3 | 2.010 |
| 人造岩心饱和实施例4 | 1.871 | 人造岩心饱和实施例5 | 2.071 |
| 人造岩心饱和实施例6 | 2.045 |
由表2和表3的内容可以看出，本发明提供的纳米流体稠油热采助剂能够提高原油的导热能力，可以推断其能够进而提高注入蒸汽热量的转化效率，能够达到提高采收率的效果。
Claims (14)
1.一种纳米流体稠油热采助剂，以所述纳米流体稠油热采助剂的总质量为基准，其原料组成为：纳米材料0.01-0.5%、乳化剂0.1-15%、辅助试剂0.1-5%、矿物离子0.1-6%、稠化剂0.1-1%、分散溶剂10-30%以及水余量；
所述纳米材料包括纳米氧化铜、纳米氧化铁、纳米氧化铝、纳米二氧化硅、碳纳米管、实心碳纳米纤维和碳纳米球中的一种或几种的组合；所述纳米材料的直径为1nm-500nm；所述纳米材料为油溶性；
所述乳化剂包括失水山梨醇三油酸酯、失水山梨醇月桂酸酯、聚氧乙烯月桂醚、聚氧乙烯山梨糖醇酐脂肪酸酯、烷基苯磺酸钠、烷基磺酸钠和胺盐型阳离子表面活性剂中的一种或几种的组合。
2.根据权利要求1所述的纳米流体稠油热采助剂，其中，所述纳米材料包括纳米氧化铜、纳米氧化铝、纳米二氧化硅和碳纳米球中的一种或几种的组合。
3.根据权利要求1或2所述的纳米流体稠油热采助剂，其中，所述纳米材料的直径为10nm-50nm。
4.根据权利要求1所述的纳米流体稠油热采助剂，其中，所述纳米材料为油溶性表面修饰纳米材料。
5.根据权利要求1所述的纳米流体稠油热采助剂，其中，所述乳化剂包括十二烷基苯磺酸钠和/或聚氧乙烯山梨糖醇酐脂肪酸酯。
6.根据权利要求5所述的纳米流体稠油热采助剂，其中，所述聚氧乙烯山梨糖醇酐脂肪酸酯为Tween-81和/或Tween-80。
7.根据权利要求1所述的纳米流体稠油热采助剂，其中，所述辅助试剂包括有机或无机碱、低分子醇中的一种或几种的组合。
8.根据权利要求7所述的纳米流体稠油热采助剂，其中，所述辅助试剂包括三乙醇胺、乙二醇和乙醇中的一种或几种的组合。
9.根据权利要求1所述的纳米流体稠油热采助剂，其中，所述矿物离子包括NaCl和/或CaCl2。
10.根据权利要求1所述的纳米流体稠油热采助剂，其中，所述稠化剂包括聚丙烯酰胺和/或多糖类聚合物。
11.根据权利要求10所述的纳米流体稠油热采助剂，其中，所述稠化剂包括分子量为1000-1200万的阴离子聚丙烯酰胺、黄原胶、胍胶及它们的改性产物中的一种或几种的组合。
12.根据权利要求1所述的纳米流体稠油热采助剂，其中，所述分散溶剂包括苯类有机溶剂和/或氯化烷烃。
13.根据权利要求12所述的纳米流体稠油热采助剂，其中，所述分散溶剂包括甲苯。
14.权利要求1-13任一项所述的纳米流体稠油热采助剂的制备方法，当采用的纳米材料为油溶性纳米材料时，该制备方法包括以下步骤：（1）在水中加入矿物离子，充分溶解后加入乳化剂、稠化剂和辅助试剂，混合均匀后配制得到溶液A；（2）将油溶性纳米材料加入到分散溶剂中，混合均匀后配制得到分散液B；（3）将分散液B加入到溶液A中，形成乳化液；（4）然后通过超声分散或高速搅拌形成稳定乳化液，制备得到所述的纳米流体稠油热采助剂。
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