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应用微波技术开采稠油

时间:2008-08-20 01:25:13  浏览:        

摘要:微波在许多领域得到应用。在石油工业中利用微波采油,国内外都进行了多年的探索。国外研究认为,利用微波可以把油井产量提高1~4倍。由于微波采油主要是对油层加热,且具有加热过程连续、不受埋藏深度限制、不受地层渗透率影响、过程容易控制、对环境不会造成污染等优点,目前许多国家都在积极进行研究和试验。我国微波技术的研究始于20世纪50年代,近10年来在微波采油方面有了很大进展,目前正在研究微波加热源的辐射机理,开发大功率微波管、微波传输系统及相关工艺设备,这些研究成果将对加快微波采油技术的实际应用起到重要作用。
关键词:微波   采油

微波通常指工业中应用的分米波、厘米波和毫米波,其范围为300MHz~300GHz。微波技术在工业中应用的主要是它的热效应,利用微波对客体进行加热和烘干。它可以深入到客体(材料)内部,并有快速和瞬时控制的优点,所以将大功率的微波管线或微波天线下到需要微波作用的油层位置,或用传输的方法,将微波传到井底储层部位,对井下载体直接加热,使地层温度升高,原油粘度降低,流度提高,从而提高采收率。利用微波的加热效应开采稠油和高凝油,或低渗油藏的方法称为微波汽化采油技术。微波加热油层,是电极放射出的微波进入含油地层,当微波传入岩层时,储层内的流体和其
他物质抗微波的传播,使其传播强度减弱,微波能转化为热能,油层温度因此而迅速升高。蒸汽加热油层是传导加热,微波加热油层是靠油藏传递热量,而且穿透力强,储层受热面积大,热效率高。高凝油和稠油,由于其粘度大、凝固点低(粘度大于100Pa·s,凝固点高于40℃),在地层内粘附于砂岩中,难以用常规的水驱方法进行开采,目前国内国外主要使用热力开采,即蒸汽吞吐和蒸汽驱替,但采收率很低,最高也仅为25%,而且受到井底的限制,技术经济性能也不是很好。基于这一点,很多国家都积极进行微波采油的研究和试验,如美国的IIT研究所、ORS公司、加拿大石油公司、巴西的RIOANON油田等。目前,他们进行的现场试验,微波的最高频率一般只有几个兆赫,更高频率的试验研究还停留在实验室阶段。
1956年,Bitchey申请了微波采油的专利,但是长期以来被认为是类似于加热的驱油法,未能引起人们的重视。近10年来,对微波采油的研究已取得一系列成果,温哥华R.F石油公司声称有成套微波装置可用于现场稠油开采,其他一些国家也投入大量资金和力量开展这方面的研究,我国也有了很大的进展和突破。我国稠油和高凝油的主要特点是埋藏深、胶质沥青含量高、含蜡量高、粘度大、流动性差,给开采带来很大困难。全国已探明还未动用的稠油、超稠油和高凝油储量约10亿吨。因此2007年寻找高效低成本开采深层稠油、超稠油和高凝油的强化开采技术是当前一个亟待解决的具有重要意义的问题。因此,1996年3月25日,微波采油技术被正式列为“国家863计划”410主题,这使微波采油技术的研究和实验由个别研究变为国家计划,从而推进了这项研究工作。经过几年的努力,使采油机理研究、微波采油技术研究、油藏工程与优化施工工艺参数配伍的数字开发试验研究、油井采输节能技术工艺试验研究以及微波管等设备的研究都有了很大的进展。这些研究成果将对加快微波采油技术的开发和应用起到重要作用。
一、微波采油机理
1.加热作用
在微波场中所产生的热量大小与物质的种类以及电特性有关。微波对物质的介电热效应是通过离子迁移和极性分子的旋转造成分子运动来实现的,即极性分子接受热量后,被作用的分子从相对静态瞬间转变为动态,通过分子偶极以数十亿次的高速旋转产生热效应。在波场变化时,偶极子不能完全恢复到它们的初始置,表征为本身介电常数的减少和损耗因子的增大,这时能量将以热的形式耗散在材料中。微波频率作用下,沥青、沙砾和水的相对介电常数见表1。漫长的过程。材料吸收微波能是内部、外部和表面同时进行的,可以称此为体加热。因此,加热速度快,向外辐射和传导损失的热量也小。微波加热与蒸汽加热相比还有一个很大的优点,就是它可以使地层内的流体达到很高的温度,这为地下石油的干馏汽化开采提供了关键性条件。
2.造缝作用
微波采油技术是利用大功率微波源对地层进行辐射。石油储层是由不同的化学物质组成的,非均质性特征明显,化学成分复杂(由硅酸盐、氧化物、长石、泥质等矿物组成)。储层中含有许多空隙空间,其中含有流体,主要是地层中的水和石油,而不同的化学成分对微波的吸收能力相差很远,如水对微波的吸收能力为石英砂的数十倍。因此,在微波作用下不同物质组分温度升高程度相差甚远,热膨胀系数大小相差很大,热膨胀和冷收缩不均匀,产生很大的热应力,导致岩石产生很多微裂缝。低渗透油田中次微裂缝的产生使地层的渗透率提高,从而实现低渗透油田的高渗开采。
有人将建立了束缚水的饱和原油的岩心加工成切片,做了电镜扫描、拍片,然后进行了如下试验:一是将一块切片用2450MHz微波辐射,使其温度达到140摄氏度,然后对其表面进行电镜扫描,其结果与加热前的电镜扫描照片进行对比;二是将另一块切片用电阻丝恒温箱加热到140℃,然后也对其表面进行电镜扫描,并与加热前的电镜扫描照片进行对比。四组微波加热前后的对比照片观察表明,切片加热之前都只有数条较明显的“晶间缝”,微波加热后发现有明显的裂缝数十条,不仅原有裂缝变宽,而且产生了新的裂缝;恒温烘箱加热后没有发现裂缝有什么变化。实验分析表明,地层岩石用微波处理能促使裂缝发育,产生更多的晶间裂缝,从而提高了地层的渗透率。微波采油技术应用于低渗透油田开发可大幅度提高产量和采收率。
3.非热效应
微波加热地层后,由于温度升高,原油粘度显著下降,渗透阻力减小。同时,由于微波所使用的微波频率接近地层流体中极性分子的固有频率,极易引起强烈的共振,油中的长链分子化合物、支链分子的化合物、杂由于瞬间变态在作用物质内部进行,故称为内加热。微波称为一种特殊形式的能量,在油气开发中的应用性研究已引起人们的重视。微波加热频率一般在微波段100MHz~10GHz之间最大,其强度取决于被作用物质的中子、原子、偶极子转向、界面极化等损耗因子值的总和的大小。非电磁加热过程一般是从表面开始,通过传导、对流和辐射方式,把热从外部逐渐传至内部,这是一个相对
表1微波频率下的相对介电常数表

频率      抽提砂砂/        沥青混合物(含17%沥青)         油砂(含5%水)
2270         2.40                          3.23                                   —
1760         2.37                          3.20                                  5.14
2870         2.41                          3.22                                  5.21
3300         2.32                          3.24                                  5.35
4000         2.49                          3.26                                  5.35

环化合物以及一些胶质体和松散结构的结合断裂裂解,使高粘重质油部分成为低粘轻质油,流动性提高,指进现象改进,采收率和油井产量进一步提高;同时,由于凝固点降低了,也便于开采和输送。研究表明,原油中少量的胶质化合物影响其润湿性,经过微波后一些胶质化合物分裂,岩石润湿性改变,从而使采收率得到提高。
二、微波采油技术
采油的微波系统可以分为两类:一类是微波器件与被加热物质分离,即器件置于地面,通过传输线把微波功率传入井下,再由辐射器(加热天线)对油层进行加热;另一类是把微波管和辐射器置于井下储层位置,直接作用于储层。后者的最大优点是可以最大限度地利用热效率,所有的能量不论是器件本身的热损耗,还是微波的热辐射,不论是相干的辐射,还是不相干的辐射,不论什么频率的辐射,最终都变成含油岩层的热。微波加热开采技术目前设计有三种方法。
1.作为井口锅炉
在地面建立井口锅炉,利用微波对注入水加热或制造水蒸气,实施热采。此方法的优点是不用改变现有井筒。如果有小型的适合井下工作的大功率微波管,则一切设备和工艺都不变,只增加大功率供电电缆即可。若把大功率微波管放在地面把中间的油管作为微波传输管道,油就可从环空中抽出,但要研制出一种新型的环空泵。
2.作为井下锅炉
用微波对地下储层直接加热,使地层温度升高,其结构见图1。根据美国的一项专利,在井周围的温度升高到425℃以上,即远远高出稠油或高凝油的拐点温度时,用100kW功率,频率在0.01~2.00GHz变化,有效作用半径可到达12m。若井周围的温度只要求达到拐点温度时,则有效作用半径可远远大于12m。
3.多底井地层微波加热
微波能由坚井段向下传到多连通器中的功分器中,并与开窗侧钻水平井内的天线相连通。微波能由水平天线向地层辐射。在这种结构中,水平段有多远,水平天线就可伸多远,有效采油半径就可达到多远。水平段实际是不水平的,而是在向外延伸时向上翘,以便使远处的原油受微波加热作用后渗入到水平段,在重力作用下流入垂直段,再由装在垂直段内的环空泵将油举升到地面。其结构如图2所示。由图2可以看出,这种结构的有效作用半径决定于开窗侧钻的水平井的个数和沿水平方向延伸的距离。
三、微波采油的完井和固井方法
1.完井方法
由于开采方式不同,完井方式也有所不同。从微波采油方式可以看出,微波稠油和高凝油低温开采时,地层温度与蒸汽热开采相近。因为微波采油是利用微波辐射储层直接加热,井筒的温度不会超过蒸汽热采,原则上可以不考虑温度对井筒内套管柱的影响。需要考虑的主要影响因素是升温对产层部位和产层附近套管柱以及防砂管柱的影响。对于防砂衬管和砾石充填筛管必须按热采技术要求考虑。在进行中温和高温微波开采时,必须采取异于常规热采的特殊措施。由于稠油地层胶结松散,开采时很容易出砂,因此,从完井方法上必须考虑防砂问题。在完井管柱材质和管50柱结构上还必须考虑满足微波采油技术要求,也就是说,完井管柱必须能保证井眼稳定和防砂,同时对微波辐射穿透损耗小。
目前,主要有以下两种完井方法。
1)陶瓷衬管完井
该方法采用特殊陶瓷衬管,利用产层砂的自然成拱作用防砂,使用于不会严重出砂的稠油产层。完井管柱结构为:悬挂封隔器+伸缩接头+盲管+陶瓷衬管+陶瓷堵头。这种方法的特点是结构简单,施工方便,但防砂能力较差。
2)陶瓷筛管简化砾石充填完井砾石充填完井能有效保护产层和防砂,防砂期一般可长达10~15年,是目前最为有效的防砂工艺。使用陶瓷筛管砾石填充完井时,工艺上适宜采用简化砾石充填方法。完井管柱结构为:悬挂封隔器+伸缩接头+盲管+陶瓷筛管+陶瓷堵头。这种方法的特点是管柱结构简单,施工方便,而且能有效防砂。稠油微波开采时,从工艺上不会对地层出砂产生激励作用,特别是微波中温和高温开采时在近井地带还将伴随有一定程度的焦化作用,预期地层出砂不会很严重。
2.套管柱设计和固井设计
微波采油是在井下直接加热产层,中温和高温开采时还考虑使用隔热套管短节和少量具备伸缩性的套管柱,所以上部套管柱受到温度的影响很小。设计中主要考虑温度对产层附近套管柱的影响。为保证高温下套管井眼环空的有效密封性,需要进行特殊的固井设计。微波低温开采时,对于套管柱的设计和固井的技术要求与常规蒸汽热采不同。下部套管柱要尽可能采用高强套管,固井水泥中需添加耐热稳定剂、绝热添加剂、粘结添加剂。微波中温、高温开采时,地层加热温度在400℃以上,为防止热应力损坏套管,破坏套管柱与地层的密封,必须采取如下特殊措施:一要用特种耐高温水泥固井;二要在完井管柱中有盲管、悬挂封隔器,伸缩接头采用特种耐高温金属材料;三要在套管下部使用具有隔热作用的陶瓷套管短节,以防止套管柱产生高温热应力损坏;隔热陶瓷套管短节上加接具有良好伸缩性的玻璃纤维套管1~2根,进一步防止可能产生的套管变形。
四、采油生产中微波技术的其他应用
1.微波脱蜡
我国石油的特点之一是蜡含量(15%~28%)和凝固点(26%~36%)均较高。高凝油含蜡最高达40%,凝固点最高达68℃。在开采过程中,当原油从井底向井口输出时,由于温度和压力降低,原油中有助于溶解石蜡的轻质组分被脱出致使原油中的石蜡聚结在油管壁上,造成油井减产或因堵塞而停产,采用微波脱蜡,当2450MHz的微波功率由255W增大到850W时,脱蜡时间由10分钟缩短到2分钟。微波脱蜡具有时间短、效果好等特点。
2.微波破乳
原油在微波照射下,能形成高频变化的电磁场,使极性分子高速旋转,破坏油包水界面的电位。当水(油)分子失去电位的支撑后,自由上下运动,碰撞聚结,使得油水分离。微波脱水速度快,效果好,将微波技术用于化学脱水时,可使脱水率提高16.7%~45.7%。
3.微波脱硫
天然气中含有的酸性气体H2S会引起输送管道和设备严重腐蚀。用微波方法分解天然气中的H2S可同时得到H2和S两种产物。微波技术在油田开发,尤其是稠油和高凝油油田开发的应用具有十分广阔的前景,目前正处在研究的初级阶段,由于微波技术具有速度快、时间短、效率高、大幅度提高采收率等特点,在现有研究工作的基础上,继续对微波采油机理及工艺技术开展研究,对我国乃至世界石油工业发展都具有现实意义。
参考文献
[1]马宝歧,倪炳华.微波在油气田开发中的应用[J].石油勘探与开发,1997,(3)
[2]于英太等.石油的找、采、用[M].北京:石油工业出版社,1994
[3]鲍家善等.微波原理[M].北京:石油工业出版社,1985
[4]李宗谦.微波技术[M].北京:石油工业出版社,1991

  
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