CN110145282B - 一种负载型催化剂辅助微波开采稠油油藏的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于稠油油藏开采的技术领域，具体的涉及一种负载型催化剂辅助微波开采稠油油藏的方法。该种负载型催化剂辅助微波开采稠油油藏的方法，包括以下步骤：(1)向稠油油藏中注入负载型催化剂流体段塞；(2)在稠油油藏中加入微波发生设备，对含有负载型催化剂流体的油层进行体积加热；(3)关闭微波发生设备，向稠油油藏中注水进行后续驱替，其中注水速度≤3m/d。该方法从所开采稠油油藏的条件、纳米催化体系的选取、具体开采工艺条件的设定以及后续驱替动力的选择多重角度进行综合设计，形成高品质、高采收率微波开采稠油油藏的方法。

Description

一种负载型催化剂辅助微波开采稠油油藏的方法
技术领域
本发明属于稠油油藏开采的技术领域，具体的涉及一种负载型催化剂辅助微波开采稠油油藏的方法。
背景技术
微波采油是利用大功率微波源对含油地层进行辐射增能的技术，其作为一种高效、快速、清洁的新型采油方式，主要作用对象为深层、薄层和近海的油砂、超稠油、油页岩等非常规油藏，加快对微波采油技术的开发和应用是目前研究的热点。微波加热物质的效率依赖于该物质的介电损耗常数，水、活性炭、过渡金属及其氧化物等是微波的强吸收介质，而稠油属于微波弱吸收剂，因此需要加入添加剂进一步提高微波加热稠油效率。众多学者所开展的探索性研究初步证实了微波和纳米催化剂在提高稠油等非常规油藏采收率方面的技术优势，结合世界油气资源开发的实际，纳米催化剂辅助微波将在非常规油田开发中具有极其广阔的应用前景。
近年来，相关学者在纳米催化体系辅助微波加热对稠油降粘的影响方面进行了较为深入的研究。稠油在微波辐射下的裂解降粘反应归因于催化剂表面的高温，催化剂局部表面温度的升高导致催化作用的增强，最终引起反应速率的提高。纳米催化体系对稠油降粘在实际油田上难以应用，其主要原因是油田常以水作为工作流体进行驱油，然而很多纳米催化体系在实际油田开采条件下难以分散于水中，其易于在近井地带堵塞；部分水溶性较好的纳米催化体系虽然可以被注入油藏，但在进入油藏后由于很难接触油层导致无法进行有效降粘。
发明内容
本发明的目的在于针对目前纳米催化体系在实际油田开采条件下易堵塞、难以接触油层无法进行有效降粘的实际开采应用问题，提供一种负载型催化剂辅助微波开采稠油油藏的方法。该方法从所开采稠油油藏的条件、纳米催化体系的选取、具体开采工艺条件的设定以及后续驱替动力的选择多重角度进行综合设计，形成高品质、高采收率微波开采稠油油藏的方法。
本发明的技术方案为：一种负载型催化剂辅助微波开采稠油油藏的方法，包括以下步骤：(1)向稠油油藏中注入负载型催化剂流体段塞：所述稠油油藏单层厚度≥5m，净总厚度比＞0.5，埋深在1000～3000m，储层孔隙度为20％～30％，渗透率大于1mD，储层孔喉直径大于1μm；稠油油藏中地层温度下脱气油粘度≤20000mPa·s，含油饱和度≥40％，稠油中重质组分含量在10％～40％；在负载型催化剂流体中，负载型催化剂的质量分数为0.05％～0.1％，余量为水；所述负载型催化剂为磁性氧化石墨烯纳米颗粒；所述负载型催化剂流体段塞注入量控制为0.05PV～0.1PV，注入速度≤3m/d；
(2)在稠油油藏中加入微波发生设备，对含有负载型催化剂流体的油层进行体积加热；
(3)关闭微波发生设备，向稠油油藏中注水进行后续驱替，其中注水速度≤3m/d。
所述步骤(1)中磁性氧化石墨烯纳米颗粒由四氧化三铁纳米颗粒负载于氧化石墨烯构成。
所述步骤(1)中四氧化三铁纳米颗粒负载量为20％～40％。
所述氧化石墨烯的粒径为100nm，四氧化三铁纳米颗粒的粒径为20～100nm。
所述步骤(1)中负载型催化剂流体段塞的注入速度为2m/d～3m/d。
所述步骤(3)中注水的速度为2m/d～3m/d。
所述注水与注负载型催化剂流体的体积比不小于5:1。注水和注负载型催化剂流体的体积比不能太小，催化剂段塞主要作用是对稠油进行改质降粘，而后续水驱则是将降粘后稠油采出的手段，因此注入水的体积至少为注入催化剂体积的5倍，且注入速度不可过快，过快易导致水窜通道产生，影响采收率，应低速注入，扩大波及体积。
所述注水与注负载型催化剂流体的体积比为5～10:1。
所述步骤(2)中微波发生设备的微波频率为2450MHz，功率为700W。
所述步骤(2)中微波发生设备的微波加热时长为5～30分钟。
本发明的有益效果为：本发明首先选取满足所述油藏单层厚度、净总厚度比、埋深以及储层孔喉直径等条件的稠油油藏；然后注入负载型催化剂流体段塞，所选用的负载型催化剂为磁性氧化石墨烯纳米颗粒，该催化剂高度亲水且可以形成稳定的水性胶体，在水中分散性好，可以顺利地注入稠油油藏，避免出现在近井地带堵塞的情况，同时当微波辐射下油藏得到体积式加热时，所注入的负载型催化剂流体中负载剂的性能发生转变，将所负载的催化剂由水层携带至油层，实现与油层的充分接触，在微波辐射条件下，该催化剂吸收微波达到对稠油重质组分裂解的反应温度，进而在油层中对稠油有效地进行催化改质降粘，提高了后续注入水对稠油的动用率。最后采用后续水驱采出原油，后续注水可以补充稠油油藏微波采油后的地层能量，驱替出经过催化改质降粘后的高品质原油，提高采收率。
本发明所述方法考察负载型催化剂负载量及粒径对稠油降粘率的影响，探究负载型催化剂流体注入量与后续水驱注入量之间关系对采收率的影响，从所开采稠油油藏的条件、纳米催化体系的选取、具体开采工艺条件的设定以及后续驱替动力的选择多重角度进行综合设计，形成高品质、高采收率微波开采稠油油藏的方法。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中微观驱替实验和微观玻璃模型的示意图。
图2为本发明实施例4的实验过程图。
图3为本发明具体实施方式中负载型催化剂辅助微波开采稠油油藏原理图，其中负载型催化剂为亲水性磁性氧化石墨烯(MGO)，微波辐射还原后变为亲油性磁性石墨烯(MG)。
图4为本发明实验例1中50℃下不同粒径四氧化三铁纳米颗粒与稠油降粘率的关系图。
图5为本发明实验例2中50℃下不同四氧化三铁纳米颗粒负载量与稠油降粘率的关系图。
图6为本发明实验例3中50℃下不同微波功率与稠油降粘率的关系图。
图7为本发明实验例4中50℃下不同微波加热时长与稠油降粘率的关系图。
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
按照图1所示检验并连接实验设备，实验前首先用乙醇、超纯水清洗模型，实验过程如下：(1)将模型抽真空；(2)使用加热套对夹持器内的微观模型预热2h后，将模型围压设为1MPa；(3)向微观模型饱和水后再饱和实验用稠油；(4)以2.5m/d的速度进行负载型催化剂流体驱后，对微观模型进行微波处理，处理时长为5分钟；(5)以2.5m/d的速度进行后续水驱；(6)实验过程中使用显微数字摄像系统对驱替过程进行实时拍摄记录。
所述模型长宽分别为5cm，孔喉直径为50μm，含油饱和度为95％，模拟稠油油藏。所述实验用稠油50℃下粘度为80mPa·s，重质组分(胶质、沥青质)含量为12％。所述负载型催化剂为磁性氧化石墨烯纳米颗粒，由粒径为20nm的四氧化三铁纳米颗粒负载于粒径为100nm的氧化石墨烯构成，四氧化三铁纳米颗粒负载量为30％。在负载型催化剂流体中，负载型催化剂的质量分数为0.05％，余量为水；负载型催化剂流体段塞注入量为0.1PV，后续水驱注入量为0.5PV。
实施例2
按照图1所示检验并连接实验设备，实验前首先用乙醇、超纯水清洗模型，实验过程如下：(1)将模型抽真空；(2)使用加热套对夹持器内的微观模型预热2h后将模型围压设为1MPa；(3)向微观模型饱和水后再饱和实验用稠油；(4)以2.5m/d的速度进行负载型催化剂流体驱后，对微观模型进行微波处理，处理时长为5分钟；(5)以2.5m/d的速度进行后续水驱；(6)实验过程中使用显微数字摄像系统对驱替过程进行实时拍摄记录。
所述模型长宽分别为5cm，孔喉直径为50μm，含油饱和度为95％，模拟稠油油藏。所述实验用稠油50℃下粘度为80mPa·s，重质组分(胶质、沥青质)含量为12％。所述负载型催化剂为磁性氧化石墨烯纳米颗粒，由粒径为20nm的四氧化三铁纳米颗粒负载于粒径为100nm的氧化石墨烯构成，四氧化三铁纳米颗粒负载量为30％。在负载型催化剂流体中，负载型催化剂的质量分数为0.05％，余量为水；负载型催化剂流体段塞注入量为0.1PV，后续水驱注入量为1PV。
实施例3
按照图1所示检验并连接实验设备，实验前首先用乙醇、超纯水清洗模型，实验过程如下：(1)将模型抽真空；(2)使用加热套对夹持器内的微观模型预热2h后将模型围压设为1MPa；(3)向微观模型饱和水后再饱和实验用稠油；(4)以2.5m/d的速度进行负载型催化剂流体驱后，对微观模型进行微波处理，处理时长为5分钟；(5)以2.5m/d的速度进行后续水驱；(6)实验过程中使用显微数字摄像系统对驱替过程进行实时拍摄记录。
所述模型长宽分别为5cm，孔喉直径为50μm，含油饱和度为95％，模拟稠油油藏。所述实验用稠油50℃下粘度为80mPa·s，重质组分(胶质、沥青质)含量为12％。所述负载型催化剂为磁性氧化石墨烯纳米颗粒，由粒径为20nm的四氧化三铁纳米颗粒负载于粒径为100nm的氧化石墨烯构成，四氧化三铁纳米颗粒负载量为30％。在负载型催化剂流体中，负载型催化剂的质量分数为0.1％，余量为水；负载型催化剂流体段塞注入量为0.1PV，后续水驱注入量为0.5PV。
实施例4
按照图1所示检验并连接实验设备，实验前首先用乙醇、超纯水清洗模型，实验过程如下：(1)将模型抽真空；(2)使用加热套对夹持器内的微观模型预热2h后将模型围压设为1MPa；(3)向微观模型饱和水后再饱和实验用稠油；(4)以2.5m/d的速度进行负载型催化剂流体驱后，对微观模型进行微波处理，处理时长为5分钟；(5)以2.5m/d的速度进行后续水驱；(6)实验过程中使用显微数字摄像系统对驱替过程进行实时拍摄记录。
所述模型长宽分别为5cm，孔喉直径为50μm，含油饱和度为95％，模拟稠油油藏。所述实验用稠油50℃下粘度为80mPa·s，重质组分(胶质、沥青质)含量为12％。所述负载型催化剂为磁性氧化石墨烯纳米颗粒，由粒径为20nm的四氧化三铁纳米颗粒负载于粒径为100nm的氧化石墨烯构成，四氧化三铁纳米颗粒负载量为30％。在负载型催化剂流体中，负载型催化剂的质量分数为0.1％，余量为水；负载型催化剂流体段塞注入量为0.5PV，后续水驱注入量为1PV。
通过图2可看出，负载型催化剂流体驱后依旧有大部分剩余油未被采出，微波加热处理5min后部分油水重新运移分布，后续水驱提供足够的动力将大部分降粘后的剩余油采出。
对比例1
按照图1所示检验并连接实验设备，实验前首先用乙醇、超纯水清洗模型，实验过程如下：(1)将模型抽真空；(2)使用加热套对夹持器内的微观模型预热2h后将模型围压设为1MPa；(3)向微观模型饱和水后再饱和实验用稠油；(4)以2.5m/d的速度进行后续水驱；(5)实验过程中使用显微数字摄像系统对驱替过程进行实时拍摄记录。
所述模型长宽分别为5cm，孔喉直径为50μm，含油饱和度为95％，模拟稠油油藏。所述实验用稠油50℃下粘度为80mPa·s，重质组分(胶质、沥青质)含量为12％。所述的后续水驱注入量为0.5PV。
对比例2
按照图1所示检验并连接实验设备，实验前首先用乙醇、超纯水清洗模型，实验过程如下：(1)将模型抽真空；(2)使用加热套对夹持器内的微观模型预热2h后将模型围压设为1MPa；(3)向微观模型饱和水后再饱和实验用稠油；(4)以2.5m/d的速度进行后续水驱；(5)实验过程中使用显微数字摄像系统对驱替过程进行实时拍摄记录。
所述模型长宽分别为5cm，孔喉直径为50μm，含油饱和度为95％，模拟稠油油藏。所述实验用稠油50℃下粘度为80mPa·s，重质组分(胶质、沥青质)含量为12％。所述的后续水驱注入量为1PV。
对比例3
按照图1所示检验并连接实验设备，实验前首先用乙醇、超纯水清洗模型，实验过程如下：(1)将模型抽真空；(2)使用加热套对夹持器内的微观模型预热2h后将模型围压设为1MPa；(3)向微观模型饱和水后再饱和实验用稠油；(4)以2.5m/d的速度进行负载型催化剂流体驱后，对微观模型不进行微波处理；(5)以2.5m/d的速度进行后续水驱；(6)实验过程中使用显微数字摄像系统对驱替过程进行实时拍摄记录。
所述模型长宽分别为5cm，孔喉直径为50μm，含油饱和度为95％，模拟稠油油藏。所述实验用稠油50℃下粘度为80mPa·s，重质组分(胶质、沥青质)含量为12％。所述负载型催化剂为磁性氧化石墨烯纳米颗粒，由粒径为20nm的四氧化三铁纳米颗粒负载于粒径为100nm的氧化石墨烯构成，四氧化三铁纳米颗粒负载量为30％。在负载型催化剂流体中，负载型催化剂的质量分数为0.05％，余量为水；负载型催化剂流体段塞注入量为0.1PV，后续水驱注入量为0.5PV。
表1：实施例1-4和对比例1-3不同参数及得到的采收率。
Figure BDA0002082342070000061
将实施例1-4和对比例1-3得到的采收率列于表1中，由表1可知：同等注入参数下，进行微波处理加后续水驱要比不进行微波处理的采收率提高21％；加入负载型催化剂流体不经微波处理比单纯后续水驱采收率提高4％；加入负载型催化剂流体经微波处理后比单纯后续水驱采收率提高25％以上，随着负载型催化剂质量分数和负载型催化剂流体注入量的增加，采收率对应增加。
实验例1
取50℃下粘度为83400mPa·s的稠油，加入2％wt的供氢剂后，将其分为完全相同的7份，并做以下处理：一份不含任何添加物，一份添加1％wt粒径为5.5nm的四氧化三铁纳米颗粒，一份添加1％wt粒径为20nm的四氧化三铁纳米颗粒，一份添加1％wt粒径为50nm的四氧化三铁纳米颗粒，一份添加1％wt粒径为100nm的四氧化三铁纳米颗粒，一份添加1％wt粒径为1000nm的四氧化三铁纳米颗粒，一份添加1％wt粒径为10000nm的四氧化三铁纳米颗粒，将7份稠油在频率为2450MHz，功率为700W微波条件下加热30min，冷却至室温后测粘度，取50℃下的粘度计算降粘率，降粘率即加入催化剂后超稠油粘度降低的百分数。不同粒径四氧化三铁纳米颗粒对应的50℃下稠油降粘率，如表2所示。
表2：不同粒径四氧化三铁纳米颗粒对应的50℃下稠油降粘率
序号 1 2 3 4 5 6 7
四氧化三铁粒径，nm - 5.5 20 50 100 1000 10000
粘度，mPa·s 70200 56600 41400 40000 40200 50200 57900
降粘率，％ 15.83 32.13 50.36 52.04 51.80 39.81 30.58
由表2及图4可得，加入粒径在20nm-100nm之间的四氧化三铁催化剂的3号、4号、5号三组实验降粘率在50％以上，6号、7号两组微米级四氧化三铁催化剂降粘率在30％-40％。在一定范围内，纳米级催化剂效果更好。这是因为该范围内纳米级催化剂比表面积更大，在稠油中分散更好，对微波的转化效率更高，且纳米催化剂的体积效应，增强了本身的磁性能和催化活性，大大提升了纳米催化剂的催化速率。而实验也证明了粒径过小的四氧化三铁催化剂(如1号)降粘效果一般，这是由于粒径过小会导致团聚现象严重，四氧化三铁纳米粒子重新聚集成较大的粒子，使得其独特的物理化学性质失效。因此优选四氧化三铁纳米颗粒的粒径在20～100nm。
实验例2
取50℃下粘度为92000mPa·s的稠油，加入2％wt的供氢剂后，将其分为完全相同的6份，并做以下处理：一份添加1％wt负载量为0％的磁性氧化石墨烯，一份添加1％wt负载量为10％的磁性氧化石墨烯，一份添加1％wt负载量为20％的磁性氧化石墨烯，一份添加1％wt负载量为30％的磁性氧化石墨烯，一份添加1％wt负载量为40％的磁性氧化石墨烯，一份添加1％wt负载量为50％的磁性氧化石墨烯，将6份稠油在频率为2450MHz，功率为700W微波条件下加热30min，冷却至室温后测粘度，取50℃下的粘度计算降粘率，降粘率即加入催化剂后超稠油粘度降低的百分数。上述负载物均为粒径为20nm的四氧化三铁纳米颗粒，不同四氧化三铁纳米颗粒负载量对应的50℃下稠油降粘率，如表3所示。
表3：不同四氧化三铁纳米颗粒负载量对应的50℃下稠油降粘率
序号 1 2 3 4 5 6
负载量，％ 0 10 20 30 40 50
粘度，mPa·s 75900 59600 55000 50100 47300 45200
降粘率，％ 17.5 35.22 40.22 45.54 48.59 50.87
由表3及图5可以看出，随着四氧化三铁纳米颗粒负载量的增大，其对稠油的降粘率逐渐增大，但增长速度减慢，而负载量过大易导致负载型催化剂发生团聚，在水中的分散性下降。优选四氧化三铁纳米颗粒的负载量在20％～40％。
实验例3
取50℃下粘度为88600mPa·s的稠油，加入1％wt的磁性氧化石墨烯和2％wt的供氢剂后，将其分为完全相同的4份，并做以下处理：将4份稠油在频率为2450MHz，功率为分别为385W、539W、700W、850W的微波条件下加热30min，冷却至室温后测粘度，取50℃下的粘度计算降粘率，降粘率即加入催化剂后超稠油粘度降低的百分数。不同微波功率对应的50℃下稠油降粘率，如表4所示。
表4：不同微波功率对应的50℃下稠油降粘率
序号 1 2 3 4
微波功率，W 385 539 700 850
粘度，mPa·s 64800 53600 50200 48400
降粘率，％ 26.86 39.50 43.34 45.37
由表4及图6可得，随着微波功率的增大，其对稠油的降粘率逐渐增大，但增长速度减慢，而微波功率过大会带来系列安全问题以及经济效益减弱。
实验例4
取50℃下粘度为88600mPa·s的稠油，加入1％wt的磁性氧化石墨烯和2％wt的供氢剂后，将其分为完全相同的4份，并做以下处理：将4份稠油在频率为2450MHz，功率为700W的微波条件下分别加热5min、10min、20min、30min，冷却至室温后测粘度，取50℃下的粘度计算降粘率，降粘率即加入催化剂后超稠油粘度降低的百分数。不同微波加热时长对应的50℃下稠油降粘率，如表5所示。
表5：不同微波加热时长对应的50℃下稠油降粘率
序号 1 2 3 4
微波加热时长，min 5 10 20 30
粘度，mPa·s 70300 52600 50200 50600
降粘率，％ 20.65 40.63 43.34 42.89
由表5及图7可得，随着微波加热时长的增大，其对稠油的降粘率逐渐增大，但增长速度减慢，而微波加热时长过大会带来系列安全问题以及经济效益减弱。

Claims (7)

1.一种负载型催化剂辅助微波开采稠油油藏的方法，包括以下步骤：(1)向稠油油藏中注入负载型催化剂流体段塞：所述稠油油藏单层厚度≥5m，净总厚度比＞0.5，埋深在1000～3000m，储层孔隙度为20％～30％，渗透率大于1mD，储层孔喉直径大于1μm；稠油油藏中地层温度下脱气油粘度≤20000mPa·s，含油饱和度≥40％，稠油中重质组分含量在10％～40％；在负载型催化剂流体中，负载型催化剂的质量分数为0.05％～0.1％，余量为水；所述负载型催化剂为磁性氧化石墨烯纳米颗粒，该磁性氧化石墨烯纳米颗粒由四氧化三铁纳米颗粒负载于氧化石墨烯构成，其中四氧化三铁纳米颗粒负载量为20％～40％，氧化石墨烯的粒径为100nm，四氧化三铁纳米颗粒的粒径为20～100nm；所述负载型催化剂流体段塞注入量控制为0.05PV～0.1PV，注入速度≤3m/d；(2)在稠油油藏中加入微波发生设备，对含有负载型催化剂流体的油层进行体积加热；(3)关闭微波发生设备，向稠油油藏中注水进行后续驱替，其中注水速度≤3m/d。
2.根据权利要求1所述负载型催化剂辅助微波开采稠油油藏的方法，其特征在于，所述步骤(1)中负载型催化剂流体段塞的注入速度为2m/d～3m/d。
3.根据权利要求1所述负载型催化剂辅助微波开采稠油油藏的方法，其特征在于，所述步骤(3)中注水的速度为2m/d～3m/d。
4.根据权利要求1所述负载型催化剂辅助微波开采稠油油藏的方法，其特征在于，所述注水与注负载型催化剂流体的体积比不小于5:1。
5.根据权利要求4所述负载型催化剂辅助微波开采稠油油藏的方法，其特征在于，所述注水与注负载型催化剂流体的体积比为5～10:1。
6.根据权利要求1所述负载型催化剂辅助微波开采稠油油藏的方法，其特征在于，所述步骤(2)中微波发生设备的微波频率为2450MHz，功率为700W。
7.根据权利要求1所述负载型催化剂辅助微波开采稠油油藏的方法，其特征在于，所述步骤(2)中微波发生设备的微波加热时长为5～30分钟。
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