CN108924974A - 一种用于稠油开采的电加热材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于稠油开采的技术领域,具体的涉及一种用于稠油开采的电加热材料及其制备方法。该种用于稠油开采的电加热材料,将石墨烯修饰于岩棉上,将修饰好的岩棉作为加热芯置于加热钢管中。该电加热材料具有高导热性,传热效率快,可以快速降低稠油粘度,提高开采效率,降低开采成本。

Description

一种用于稠油开采的电加热材料及其制备方法
技术领域
本发明属于稠油开采的技术领域,具体的涉及一种用于稠油开采的电加热材料及其制备方法。
背景技术
稠油是我国石油资源的重要组成部分,预测地质储量达79.5×108t,可采资源量为19.1×108t,其中陆上稠油资源约占我国石油资源总量的20%。目前在松辽盆地、渤海湾盆地、准葛尔盆地、南襄盆地、二连盆地等15个中大型含油盆地和地区已探明稠油地质储量20.6×108t,已动用13.59×108t。随着国家经济发展对油气能源需求量的急剧增长以及易开采油气资源的逐渐枯竭,稠油油藏的有效开发利用将对保障我国战略能源安全具有重大意义。
1982年Hyne等提出水热裂解降黏的概念,具体通指稠油在高温水蒸汽的作用下发生的脱氮、脱硫、加氢、开环以及水煤气转换等一系列反应,从而降低黏度。1987年,Jana等人研究发现,与冷采沥青相比,热采沥青的组成及分子结构发生了显著变化表明稠油热采过程中,存在结构重组及官能团挥发的化学反应。Moni等研究了油砂及水在390℃下的水热裂解反应,反应后产物中发现大量轻烃,分析是由胶质和沥青质裂解产生,稠油中饱和烃与芳香烃的比值几乎没有变化。Strausz等对Hyne的实验方法做了改进,发现水热裂解反应使稠油中饱和烃、芳香烃等轻质组分含量增加,推断稠油部分重质大分子裂解生成了噻吩类物质。1997年Belgrave等研究了Athabasca油砂的水热裂解反应,建立了能够预测烃类分布的水热裂解反应动力学模型。姜嘉陵等研究结果表明,高温蒸汽作用下稠油会发生水热裂解反应,产生大量的N2、CO2、CH4及少量烯烃气体。2016年周明辉等使用纳米过渡金属催化剂,以促进水热裂解辅助超稠油注空气氧化改质吞吐的对比实验,结果表明氧化改质能够大幅度降低超稠油黏度。
尽管在水热裂解稠油、稠油裂解改质等方面已经取得了上述一系列发现,但迄今为止仍然存在水热裂解效率低、所需温度高、采油效果提升不明显等问题,无法广泛应用于产业化生产。
蒸汽吞吐法是当前国内外稠油油藏生产开采的主要手段,我国80%的稠油产量是依靠蒸汽吞吐技术获得的,但是常规的蒸汽吞吐技术对于稠油尤其原油粘度>5×104mPa·s的超稠油油藏开发效果差,采出程度低,难以进行有效生产。因为常规蒸汽吞吐技术的主要原理是利用蒸汽加热地层稠油,从而降低原油粘度、增强稠油的流动能力,但是随着开发的进行,存在油层中注入热量的损失及产出液带出热量的问题,导致被加热的油层逐渐降温,流向近井地带的稠油粘度逐渐增高,采出效率逐渐下降。此外,由于稠油与蒸汽密度和粘度的差异,常常导致蒸汽重力超覆或在高渗层汽窜,会降低蒸汽开采体积波及系数。即使在蒸汽所波及的区域,往往受到岩石-原油-水体系界面特性的限制,很大一部分稠油不能从岩石表面剥离下来,降低了洗油效率。
因此目前稠油开发利用的成本很高、资源采收率很低,严重制约着稠油资源的有效开发利用,探索稠油油藏高效开发新思路和方法具有重大意义。
发明内容
本发明的目的在于为了满足稠油开采的需求,解决现有降低稠油粘度方法的局限性而提供一种用于稠油开采的电加热材料及其制备方法,该电加热材料具有高导热性,传热效率快,能量利用率高,可以快速降低稠油的粘度,提高采油效率。
本发明的技术方案为:一种用于稠油开采的电加热材料,首先将石墨烯修饰于岩棉上制作加热芯,然后将该加热芯填充至加热钢管中形成复合的电加热材料。
该电加热材料的加热电压为20V~150V。
一种所述用于稠油开采的电加热材料的制备方法,首先对岩棉进行预处理去除杂质;然后将氧化石墨烯沉积于预处理后的岩棉表面;再将沉积氧化石墨烯的岩棉置于硼氢化钠溶液中进行氧化石墨烯的还原,还原完成后得到石墨烯-岩棉材料;最后将所得石墨烯-岩棉材料进行烘干干燥后作为加热芯填充至加热钢管中,制备成复合的电加热材料。
所述用于稠油开采的电加热材料的制备方法,包括以下具体步骤:
(1)对岩棉进行预处理:首先将岩棉切成圆柱状,然后将切好的岩棉放入体积分数为70%的乙醇溶液中浸泡2~4小时,最后取出置于蒸馏水中清洗3~5次后放入烘箱中烘干备用;
(2)配置氧化石墨烯溶液和硼氢化钠溶液:将氧化石墨烯和硼氢化钠分别溶解于蒸馏水中,分别超声振荡后搅拌至溶解,得到氧化石墨烯溶液和硼氢化钠溶液,备用;
(3)将步骤(1)处理好的岩棉浸泡在步骤(2)所配制的氧化石墨烯溶液中固化0.5h~1h;然后取出放入步骤(2)所配制的硼氢化钠溶液中在60℃下反应0.5h~1h,将氧化石墨烯还原为石墨烯得到石墨烯-岩棉材料;
(4)将步骤(3)所得的石墨烯-岩棉材料放入烘箱中在100~150℃下烘干3~6h,将烘干后的石墨烯-岩棉材料作为加热芯填充至加热钢管中,制备成复合的电加热材料。
所述步骤(1)中将岩棉切成直径为2cm、高为5cm的圆柱状。
所述步骤(2)所配制的氧化石墨烯溶液浓度为1mg/mL~10mg/mL。
所述步骤(2)所配制的硼氢化钠溶液浓度为0.1mol/L~0.3mol/L。
所述步骤(4)中加热钢管内径为2cm,外径为2.2cm,高为5.5cm。
本发明的有益效果为:本发明所述用于稠油开采的电加热材料将石墨烯修饰在岩棉上,石墨烯具有优异的热学,电学等性能;导热系数也可达600w/m·k,是目前为止导热系数最高的碳材料;在室温下的载流子迁移率约为15000cm2/(V·s),导电率高达106S/m2;岩棉是一种矿物质棉,熔点在1000℃以上,有良好的热稳定性,其导热系数不随时间而发生变化;常温下,膨胀率很低仅有10-6,可以使材料保持长期的稳定性;并且岩棉还具有良好的可塑性和抗腐蚀性,因此岩棉是一种优良的电加热基体材料,其它材料很难满足如此高的温度要求和稳定性。将石墨烯修饰在岩棉上所制备的该电加热材料同时具备了二者优良性能,加热管为其在地下提供了良好的保护作用,使其能适应更加严峻地下环境的同时最大化地发挥二者优良的性能。
利用石墨烯优良的导电导热性以及岩棉的耐温阻燃可塑性,可以快速地降低稠油的黏度,有效解决稠油开采中导热效率低,能量损耗大,洗油效率低等问题,提高了开采效率,黏度最高降低率为92.9%,该电加热材料最高温度可达583.6℃,已经满足稠油开采的加热温度;同时所述制备方法简单可操做性强,大大降低了开采成本。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
所述用于稠油开采的电加热材料的加热电压为100V。
所述用于稠油开采的电加热材料的制备方法,包括以下具体步骤:
(1)对岩棉进行预处理:首先将岩棉切成直径为2cm、高为5cm的圆柱状,然后将切好的岩棉放入体积分数为70%的乙醇溶液中浸泡2小时,最后取出置于蒸馏水中清洗3次后放入烘箱中烘干备用;
(2)配置氧化石墨烯溶液和硼氢化钠溶液:将不同质量的氧化石墨烯和硼氢化钠分别溶解于50mL蒸馏水中,超声振荡1h,搅拌2h至溶解,配制成浓度为2mg/mL、3mg/mL、4mg/mL、5mg/mL、6mg/mL、7mg/mL、8mg/mL、9mg/mL、10mg/mL的氧化石墨烯溶液和浓度为0.1mol/L的硼氢化钠溶液;
(3)取9块步骤(1)处理好的岩棉分别浸泡在步骤(2)所配制的不同浓度的氧化石墨烯溶液中固化1h;然后取出分别放入步骤(2)所配制的硼氢化钠溶液中在60℃下反应1h,将氧化石墨烯还原为石墨烯得到石墨烯-岩棉材料;
(4)将步骤(3)所得的9个石墨烯-岩棉材料放入烘箱中在120℃下烘干5h,将烘干后的9个石墨烯-岩棉材料作为9个加热芯分别填充至9根内径为2cm,外径为2.2cm,高为5.5cm的加热钢管中,制备成复合的9个电加热材料。
下面通过电极在所得的9个电加热材料两端分别施加100V电压,在室温25℃下加热时间10min,采用红外成像仪观测表面温度的变化,测试相同电压下石墨烯浓度对该电加热材料产热效果的影响,结果请见表1。
表1
氧化石墨烯浓度(mg/mL) 表面平均温度(℃) 表面最高温度(℃)
2 143.7 168.2
3 253.8 320.9
4 335.3 376.9
5 389.5 428.3
6 429.1 445.6
7 438.3 458.1
8 441.9 463.7
9 442.2 468.9
10 442.6 470.1
从表1中可以看出氧化石墨烯浓度对表面平均温度和表面最高温度有着显著的影响,随着氧化石墨烯的浓度逐渐增加,表面平均温度和表面最高温度逐渐增加,这是因为随着氧化石墨烯浓度的增加,负载在岩棉上的氧化石墨烯的含量不断增大,合成后的材料的导电性和导热性也不断增大。当氧化石墨烯浓度为8mg/mL时,固化时间为1h时,岩棉所负载的氧化石墨烯基本达到饱和,再增加氧化石墨烯的浓度,温度上升趋于平稳;同时可以看出平均温度可以达到442℃左右,已经满足稠油开采所需温度。
实施例2
所述用于稠油开采的电加热材料的加热电压为0V~150V。
所述用于稠油开采的电加热材料的制备方法,包括以下具体步骤:
(1)对岩棉进行预处理:首先将岩棉切成直径为2cm、高为5cm的圆柱状,然后将切好的岩棉放入体积分数为70%的乙醇溶液中浸泡2小时,最后取出置于蒸馏水中清洗3次后放入烘箱中烘干备用;
(2)配置氧化石墨烯溶液和硼氢化钠溶液:将氧化石墨烯和硼氢化钠分别溶解于50mL蒸馏水中,超声振荡1h,搅拌2h至溶解,配制成浓度为8mg/mL的氧化石墨烯溶液和浓度为0.1mol/L的硼氢化钠溶液;
(3)将步骤(1)处理好的岩棉浸泡在步骤(2)所配制的氧化石墨烯溶液中固化1h;然后取出放入步骤(2)所配制的硼氢化钠溶液中在60℃下反应0.5h,将氧化石墨烯还原为石墨烯得到石墨烯-岩棉材料;
(4)将步骤(3)所得的石墨烯-岩棉材料放入烘箱中在120℃下烘干5h,将烘干后的石墨烯-岩棉材料作为加热芯填充至内径为2cm,外径为2.2cm,高为5.5cm的加热钢管中,制备成复合的电加热材料。
下面通过电极在所得电加热材料的两端施加不同的电压,在室温25℃下加热时间10min,采用红外成像仪观测表面温度的变化,测试不同加热电压对该电加热材料产热效果的影响,结果请见表2。
表2
电压 表面平均温度(℃) 表面最高温度(℃)
0V 25.0 25.0
20V 158.3 221.7
40V 262.6 320.2
60V 342.9 375.9
80V 397.6 430.4
100V 441.9 463.7
120V 481.6 517.4
130V 521.6 546.9
150V 557.5 583.6
从表2中可以看出随着加热电压的逐渐增大,材料表面平均温度和最高温度逐渐上升;当加热电压在100V以内时,随着电压升高,表面温度和最高温度增长幅度较大,这是因为该材料有良好的保温性,开始产生的大部分热量集中于材料自身,温度上升较快。随着温度上升到一定值以后产生的大部分热量传热到环境中,温度增长幅度较缓。当加热电压为150V时,表面最高温度达到583.6℃,温度再升高,对材料的稳定性会造成一定的影响。因此最高加热电压设置为150V。
实施例3
所述用于稠油开采的电加热材料,该电加热材料的电压为100V。
所述用于稠油开采的电加热材料的制备方法,包括以下具体步骤:
(1)对岩棉进行预处理:首先将岩棉切成直径为2cm、高为5cm的圆柱状,然后将切好的岩棉放入体积分数为70%的乙醇溶液中浸泡2小时,最后取出置于蒸馏水中清洗3次后放入烘箱中烘干备用;
(2)配置氧化石墨烯溶液和硼氢化钠溶液:将氧化石墨烯和硼氢化钠分别溶解于50mL蒸馏水中,超声振荡1h,搅拌2h至溶解,配制成浓度为3mg/mL的氧化石墨烯溶液和浓度为0.1mol/L的硼氢化钠溶液;
(3)取5块步骤(1)处理好的岩棉分别浸泡在步骤(2)所配制的氧化石墨烯溶液中依次固化10min,30min,50min,60min,80min;然后取出放入步骤(2)所配制的硼氢化钠溶液中在60℃下反应1h,将氧化石墨烯还原为石墨烯得到石墨烯-岩棉材料;
(4)将步骤(3)所得的5个石墨烯-岩棉材料放入烘箱中在120℃下烘干5h,将烘干后的5个石墨烯-岩棉材料作为5个加热芯分别填充至5根内径为2cm,外径为2.2cm,高为5.5cm的加热钢管中,制备成复合的5个电加热材料。
下面通过电极在所得的5个电加热材料两端施加100V电压,在室温25℃下加热时间10min,采用红外成像仪观测表面温度的变化,测试固化时间对该电加热材料产热效果的影响,结果请见表3。
表3
固化时间(min) 表面平均温度(℃) 表面最高温度(℃)
10min 137.2 163.7
30min 213.2 260.6
50min 251.3 317.1
60min 253.8 320.9
80min 286.1 320.9
从表3中我们可以看出随着固化时间越来越长,表面平均温度和表面最高温度逐渐升高,当固化时间为50min时,岩棉上所负载的石墨烯基本达到饱和,再增加固化时间,温度上升不明显。
实施例4
所述用于稠油开采的电加热材料,该电加热材料的电压为100V。
将合成的电加热材料用于加热稠油实验观察黏度变化,包括以下具体步骤:
(1)对岩棉进行预处理:首先将岩棉切成直径为2cm、高为5cm的圆柱状,然后将切好的岩棉放入体积分数为70%的乙醇溶液中浸泡2小时,最后取出置于蒸馏水中清洗3次后放入烘箱中烘干备用;
(2)将氧化石墨烯和硼氢化钠分别溶解于50mL蒸馏水中,超声振荡1h,搅拌2h至溶解,配制浓度为8mg/mL的氧化石墨烯溶液和浓度为0.1mol/L的硼氢化钠溶液;
(3)取5块步骤(1)处理好的岩棉分别浸泡在步骤(2)所配制的氧化石墨烯溶液中固化50min;然后取出放入步骤(2)所配制的硼氢化钠溶液中在60℃下反应1h,将氧化石墨烯还原为石墨烯得到5个石墨烯-岩棉材料;
(4)将步骤(3)所得的5个石墨烯-岩棉材料放入烘箱在120℃下烘干5h,将烘干后的5个石墨烯-岩棉材料作为5个加热芯分别填充至5根内径为2cm,外径为2.2cm,高为5.5cm的加热钢管中,制备成复合的5个电加热材料。
(5)取200mL的烧杯5个,分别加入稠油40mL,将合成材料两端接入电极,放入烧杯稠油中,加热电压设置100V,加热时间设置为0min、2min、4min、6min、8min;并用黏度计测得稠油粘度的变化,结果请见表4
表4
加热时间(min) 稠油黏度(mPa·s)
0 5.2×104
2 4.6×104
4 3.1×104
6 1.7×104
8 0.7×104
当电流通过加热材料时,产生的焦耳热迅速从材料中传递到稠油中,从而油的黏度被降低。从表格中可以发现随着加热时间的增加,稠油黏度下降非常迅速,当加热时间为8min时,黏度降低到0.7×104mPa·s,该黏度的油可以顺利被采出,从而说明该材料的性能优良。

Claims (8)

1.一种用于稠油开采的电加热材料,其特征在于,首先将石墨烯修饰于岩棉上制作加热芯,然后将该加热芯填充至加热钢管中形成复合的电加热材料。
2.根据权利要求1所述用于稠油开采的电加热材料,其特征在于,该电加热材料的加热电压为20V~150V。
3.一种权利要求1所述用于稠油开采的电加热材料的制备方法,其特征在于,首先对岩棉进行预处理去除杂质;然后将氧化石墨烯沉积于预处理后的岩棉表面;再将沉积氧化石墨烯的岩棉置于硼氢化钠溶液中进行氧化石墨烯的还原,还原完成后得到石墨烯-岩棉材料;最后将所得石墨烯-岩棉材料进行烘干干燥后作为加热芯填充至加热钢管中,制备成复合的电加热材料。
4.根据权利要求3所述用于稠油开采的电加热材料的制备方法,其特征在于,包括以下具体步骤:
(1)对岩棉进行预处理:首先将岩棉切成圆柱状,然后将切好的岩棉放入体积分数为70%的乙醇溶液中浸泡2~4小时,最后取出置于蒸馏水中清洗3~5次后放入烘箱中烘干备用;
(2)配置氧化石墨烯溶液和硼氢化钠溶液:将氧化石墨烯和硼氢化钠分别溶解于蒸馏水中,分别超声振荡后搅拌至溶解,得到氧化石墨烯溶液和硼氢化钠溶液,备用;
(3)将步骤(1)处理好的岩棉浸泡在步骤(2)所配制的氧化石墨烯溶液中固化0.5h~1h;然后取出放入步骤(2)所配制的硼氢化钠溶液中在60℃下反应0.5h~1h,将氧化石墨烯还原为石墨烯得到石墨烯-岩棉材料;
(4)将步骤(3)所得的石墨烯-岩棉材料放入烘箱中在100~150℃下烘干3~6h,将烘干后的石墨烯-岩棉材料作为加热芯填充至加热钢管中,制备成复合的电加热材料。
5.根据权利要求4所述用于稠油原位开采的电加热材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中将岩棉切成直径为2cm、高为5cm的圆柱状。
6.根据权利要求4所述用于稠油开采的电加热材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)所配制的氧化石墨烯溶液浓度为1mg/mL~10mg/mL。
7.根据权利要求4所述用于稠油开采的电加热材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)所配制的硼氢化钠溶液浓度为0.1mol/L~0.3mol/L。
8.根据权利要求4所述用于稠油开采的电加热材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(4)中加热钢管内径为2cm,外径为2.2cm,高为5.5cm。
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