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应用饱和纳米粒子注入气体提高稠油采收率
Shah, Rusheet D 阿拉斯加费尔班克斯大学
本文为2009年SPE年度技术会议准备的，并为在美国路易斯安那州新奥尔良市，2009年10月4-7日举行的SPE国际学生论文竞赛展览演示，。
本文被SPE程序委员会选定为准备的学生论文竞赛方案国际学生论文大赛前文件的内容没有由石油工程师学会的审查，并须经由作者（S）校正。材料不一定反映石油工程师学会的任何姿态，其管理人员或成员电子复制，分发或储存本文的任何部分没有石油工程师学会的书面同意是被禁止的。
摘要：
稠油是一个巨大的尚未开发的石油资源，是因为其高度的粘滞性使得它难以生产。目前，利用热采技术，聚合物驱，化学驱和气体混相驱使稠油油藏生产的挑战机遇。在这项工作中，三个不同的过程，即注气热，化学和互溶的优势已合并在一起产生一个新的粘度，稠油的过程。相比传统的SC-CO2或VRI金属纳米粒子用于导热增强超临界二氧化碳（SC-CO2）或“减少粘度注入剂（VRI）”时稠油的粘度迅速减少，。溶于表面活性剂的SC-CO2也被添加到混合物中，以进一步加强粘度降低。因此金属纳米粒子的热性能，表面活性剂的化学性质和互溶SC-CO2和VRI的性能完全降低稠油的粘度。
简介:
如果它的API比重低于20度，原油被认为是“稠”。 稠油是非沥青质的，稠密的，以其沥青质的含量稠油化学特征，尽管在一个巨大的资源基地，稠油和天然沥青在2000年生产原油25亿桶（USGS事实表70-03，2003年8月），只有占约3亿万桶。
目前，开发商针对稠油藏在化学和密度方面有更好的油品质量。每年生产的重油约66％API比重超过15°，但估计大约50％的技术可采稠油是稠密的（小于15°API比重，见图1）。

图1：稠油API重力的作用下的年产量累计百分比（蓝色）和技术上可采资源量的累计百分比（棕色）（提供：USGS事实表70-03，2003年8月）
在传统的生产，来自原油气体和水的相关储层的压力一般是足以造成轻质油
流向生产井。然而，以维持开采价值的井的生产效率，稠油和超稠油生产几乎总是要求采取措施，以减少油的粘度，向储层引入能源。当过储层注入热蒸汽，原油粘度降低和通过驱替和部分蒸馏油油层压力增加。可能被不断注入蒸汽形成蒸汽驱，或者它可能被周期注射以用于交替注入和生产井。
使用气体混相驱提高采收率是一种广泛使用的技术，并能增加石油产量超出使用传统的恢复方法。一般无论是在混相或非混相条件下注入气被注入油藏。混相注气，在一定油藏温度下气体和储层流体混溶，其中包括在我们今天最广泛使用的EOR过程后的热采过程，它占着石油提高采收率生产的重大比重。 （u.s.g.s事实表70-03，2003年8月）。
目的：
当前可满足稠油采收率的新型和创新的技术使重油生产面临的机遇挑战。这个项目是一种新的和创新的方法，对阿拉斯加北坡（ANS）稠油使用金属纳米粒子使粘度降低。属性，如二氧化碳的密度和粘度，降黏注入剂（VRI），ANS稠油（不可流动和可流动油），饱和的纳米粒子二氧化碳（CO2纳米流体），纳米VRI（VRI纳米流体），在1200 psia到2500 psia压力变化范围和温度是恒定的（122华氏度）下，可测定注入饱和的纳米粒子CO2的ANS原油和注射饱和纳米VRI的ANS油。
研究的目的如下：
1．通过使用纳米粒子的饱和二氧化碳和VRI减少原油的粘度
2. 使用纳米粒子的热性能强化稠油传热
3. 利用表面活性剂（PDMS）和金属纳米粒子的密度和粘度的增强效应减少流度和粘性指进效果
4. ANS重油饱和的贝雷砂岩岩心的提高采收率研究，与使用饱和纳米流体CO2和CO2气体的气驱岩心试验研究
5. 在模拟器中比较使用二氧化碳和二氧化碳的纳米流体ANS的重油的采收率
金属纳米粒子的背景：
纳米粒子是伟大的科学兴趣，因为它们是散装材料和原子或分子结构之间有效的的桥梁。散装材料应具有恒定的物理性质，化学性质，不论其大小，但在纳米尺度，这是往往并非如此。 “当它们的大小接近纳米级，并且当在材料表面的原子的百分比变得显著，材料性质改变，。纳米粒子表现出相对于散装材料的特殊属性。例如，散装的弯曲铜（丝，织带，等）发生在约50纳米尺度铜原子/团簇运动。铜纳米粒子小于被认为是50纳米超硬材料，表现出不相同的可塑性和延展性，大量铜纳米粒子有非常高的表面积体积比。这提供了一个巨大的动力，特别是在高温下扩散。在较低温度下可以采取烧结的地方，比较大的颗粒过短的时间尺度。这在理论上不影响最终产品的密度，虽然流动困难和纳米粒子的凝聚倾向，往往创造一些问题。但超声可以在一定程度上解决这个问题。图2显示扫描，电子显微镜（SEM）从“纳米技术”上的纳米氧化铜的形象。

纳米氧化铜粒子的扫描电镜图像 （单位： 纳米)
经添加纳米粒子的基液（常规液体）的性能，如密度，粘度，热电导率和热增加（张等，2005年11月）。这些基液的性能的增加在高温的传递是期望的。
表面活性剂的背景：
表面活性剂降低在液 - 气界面吸附液体的表面张力。聚二甲基硅氧烷（PDMS）是最广泛使用的硅为基础的有机聚合物，特别是其不寻常的流变（或流量）的性能。图3显示了PDMS分子聚合物的交联。交联聚合物提供了不同寻常的流变性能，像高粘度100,000 CP（阿法埃莎材料安全数据表）。 PDMS也是大多数化学品的化学惰性。它在SC-CO2可溶，也有增加SC-CO2的粘度的能力。 PDMS具有0.98的密度，139000的分子量和100000 CP的粘度。

图3：聚二甲基硅氧烷（单位：德buyl，2001年）
实验工作：
EXP-1：饱和纳米流体性质的测定：
二氧化碳，表面活性剂的性质：聚二甲基硅氧烷（PDMS）和计算ANS（不可流动的和可流动油）稠油。各个实验在随后的章节中详述的进行，以确定所需的属性如1所示
表1：测试材料所需的属性

密度，粘度
二氧化碳

降粘剂

聚二甲基硅氧烷

ANS 原油

EXP-2：降粘实验：
一旦进行上述所有实验，就要知道所有所需的属性。CO2纳米流体和VRI纳米流体按下面的表2所述的组成计算准备。一旦制定了模型，使用准备的co2/vri纳米流体进行降粘实验使ANS重油的粘度减少。
纳米流体的组成：
纳米流体的不同组分由的金属纳米粒子的数量决定。重量成分密度的基础上一部分作为试验材料也进行了EXP-1计算。最终组分如下：
表2：纳米流体的组成
组分描述

Wt%
纳米氧化铜
纯度97％金属纳米粒子
0.5-3
聚二甲基硅氧烷驱替剂
5

基液
CO2 / VRI
94.5-92

密度计和粘度计：
剑桥粘度计（图4）用于测试粘度测量，安东帕密度计（图5）流体的用于密度测量。

图4：剑桥SPL 440粘度计（附件：SPL 440粘度计说明书）

图5:安东帕512p显像密度计(附件：dma512p说明书)
粘度测量：
剑桥SPL 440粘度计用于测试液体的粘度测量。这个粘度的设计能够承受高达10,000 psia高压力和高温度高达300华氏度。两个移动电磁线圈（图6）的活塞并提出在一个恒定的速度。活塞的双向行车时间是用来测量周围液体的绝对粘度。 “内置的温度检测器（RTD）的感官测量采样室的实际温度。流体流经¼u8221x外径，（0.086“ID）到测量室的油管。低流量或静态条件下测量流体粘度。系统测量粘度，温度和温度补偿粘度。

图6：viscolab PVT剑桥SPL 440粘度计的横断面（来源：spl440粘度计使用说明书）。
用阿拉斯加北坡（ANS）稠油做的降粘实验。实验装置（图7）在粘度计压力和温度控制阈内，在压力规定值1 0,000 psia粘度降下2个。

图7：粘度测量设置示意图
阿拉斯加北坡（ANS）不可流动的/可流动的油样的粘度测量：
用阿拉斯加北坡（ANS）不可流动/可流动的稠油做降粘实验。实验装置（图7）在粘度计压力和温度控制阈内，在压力规定值10,000 psia粘度由降下2个。
降低粘度的测定过程：
1．其中已经有表面活性剂（PDMS）和纳米氧化铜权衡根据组成的储能器1（图7）中注入CO2。
2. 在与表面活性剂混合之前纳米氧化铜受到30分钟的超声波，是因为超声波可以实现原始大小的氧化铜纳米粒子即纳米粒子团聚的23-40纳米在尺寸较大时不受干扰。
3.一旦使用二氧化碳注射泵注射二氧化碳后，储能器1的压力增加到表面活性剂的混合压力的以上。含有CO2的混合表面活性剂压力为2500 psia。
4.温度升高到140华氏度来提高材料的混合。进一步加强混合，储能器1振动16小时。
5. 然后将CuO + PDMS + CO2混合气体注入已知的死的/可流动的ANS石油数量的储能器2中。
6. 然后储能器2在的100华氏度晃动32小时，这个温度是ANS井底温度。使二氧化碳完全溶解在石油晃动是必要的。晃动32小时后，它被连接到保持在恒温温度控制阈为100华氏度的在线粘度计。
7. 在温度在100华氏度下，不同压力下测量重油粘度。
8. 用相同的步骤其他井VRI纳米流体测量。唯一不同的是VRI二氧化碳的地方使用的。
EXP-3：使用岩心气驱来提高采收率实验
传统岩心驱替实验仪器（图8）被用来研究使用CO2和CO2纳米流体（不可流动）ANS重油的提高采收率。以确保CO2保持在高于其临界条件的压力和温度，处于超临界相。贝雷砂岩岩心长1.5英寸，直径6英寸。

图8：岩心驱替的实验装置
油水饱和的Berea砂岩岩心：
用22000 ppm的总溶解固体（TDS）的盐水，以达到束缚水饱和度的Berea砂岩岩心饱和。选择22000 ppm的盐度卤水作为备用。其次为水饱和度以下的程序和重质油饱和度的岩心：
1. 在真空条件下，岩心连续3天用盐水饱和（22,000 ppm的TDS）。
2.然后将岩心放在岩心夹持器中，并用上述盐水驱替，直到岩心的进口和出口压差稳定。
3被ANS重油驱替的岩心，预先加热ANS重油，以确保其在金属管材中流动畅通，还可以通过岩心。
4. 当岩心被ANS重油驱替，在岩心中的盐水被驱替到外面。当油取代流出水时束缚水达到饱和。
岩心二氧化碳驱：
使用岩心CO2驱替来提高ANS重油采收率遵循以下步骤：
1. 按照前面提到的步骤用水和ANS稠油饱和岩心。
2. 将二氧化碳罐连接到金属储能器。
3. 增加储能器的压力，使其压力大于使用ISCO泵的二氧化碳的临界压力（PC）。
4.连接CO2储能器到岩心夹持器。确保通过岩心夹持器出口的一个阀门是关闭的。
5.用超临界CO2膨胀ANS稠油达48小时。
6. 48小时后，打开后连接到一个可变孔插入式背压调节器（BPR），保持出口的出口压力稳定。
7. BPR的出口连接到两相分离器。
8. 在分离器的压力降低到大气和显著的体积限度时收集油，水和气体。
岩心二氧化碳纳米流体驱：
使用岩心纳米流体CO2驱替来提高ANS重油采收率遵循以下步骤：
1. 按照前面提到的步骤用水和ANS重油饱和岩心。
2. 测量计算的纳米CuO和PDMS数量并且将它们添加到一个储能器中。
3. 二氧化碳罐连接到上述储能器。
4. 增加储能器的压力，使其压力大于使用ISCO泵的二氧化碳的临界压力（PC）。
5.此蓄能器连接到岩心夹持器。确保岩心夹持器的出路出口的一个阀门是关闭的。
6. 用允许超临界二氧化碳纳米流体膨胀ANS重油达48小时。
7. 48小时后，打开后连接到一个可变孔插入式背压调节器（BPR），保持出口的出口压力稳定。
8. BPR的出口连接到两相分离器中。
9. 在分离器的压力降低到大气和显著的体积限度时收集油，水，气（CO2）和纳米粒子。
结果与讨论:
结果:
EXP-1：确定的纳米粒子饱和的流体性质
二氧化碳的性质：
密度：
表3显示了在77 华氏度时的不同的压力下，用安东帕密度计测量二氧化碳的密度。在的实际室温为77华氏度下将二氧化碳罐连接到密度计。密度是用储能器中存在的气体量来计算，而分散剂和氧化铜纳米粒子的数量也可以用来计算。
表3：二氧化碳的密度
压力(psia)
在77华氏度的密度 (g/cc)
1617.00
0.83
1764.00
0.84
1911.00
0.85
2058.00
0.86
2205.00
0.87
2352.00
0.88
粘度：
表 4 显示在 2500 psia和 122华氏度的压力和温度下，用剑桥粘度计测量的CO2 和二氧化碳的纳米流体的粘度。
表4：在2500 psia的二氧化碳的粘度
压力(psia)
粘度(cP)
500
33.55
1000
33.63
1500
33.31
2000
34.49
2500
35.70
表面活性剂的性质：

表5显示了温度为77华氏度时，在不同的压力下，用剑桥粘度计测量的表面活性剂的粘度。

表5：PDMS的粘度
温度为122华氏度的粘度
二氧化碳，表面活性剂
1%的氧化铜
0.016 Cp
2.28 Cp
VRI的性质：
通过注入VRI形成到气注到密度计，在120 psi（压力罐）和77 华氏度的压力和温度下进行密度测量
表6: 温度为77华氏度的VRI的密度
120psi压力下的密度
0.408 g/cc
EXP-2:降粘实验
用不同浓度的纳米粒子进行降粘实验，确定含有CuO浓聚物重油的粘度降低范围。两个基液：CO2;VRI及其用于实验目的含不同CuO纳米粒子的变异体
(见表7 &表9)。
表7: CO2的试验研究表
样品序号
描述
SC1
@室温81华氏度的重油
SC2
@温度122华氏度的重油和CO2
SC3
@温度122华氏度的稠油、CO2、 PDMS 、0.5%(wt)和CuO
SC4
@温度122华氏度的稠油、CO2、 PDMS 、0.5%(wt)和CuO
SC5
@温度122华氏度的稠油、CO2、 PDMS 、1%(wt)和CuO
SC6
@温度122华氏度的稠油、CO2、 PDMS 、3%(wt)和CuO

下表显示了温度为恒温 122 华氏度时，使用二氧化碳纳米流体所取得的粘度读数。
表 8：使用二氧化碳纳米流体粘度随压力的变化
粘度 (cP)分别 (SC1) 在81华氏度 (SC3) 140华氏度 和122华氏度
压力
SC1
SC2
SC3
SC4
SC5
SC6
1264.7
283.9
50.82
16.22
24.45
22.70
25.82
1586.7
274.7
69.46
16.41
24.53
23.55
26.67
1709.7
281.9
71.00
16.38
25.15
23.74
26.98
1886.7
286.3
72.70
16.58
25.36
24.26
27.54
2050.7
291.6
75.00
16.83
25.70
24.60
27.84
2189.7
297.4
76.54
16.87
26.02
24.83
27.26
2303.7
304.9
78.38
16.97
26.25
25.08
27.48
2396.7
314.2
79.00
17.07
26.59
25.38
27.75
2510.7
322.3
80.23
17.20
26.75
25.70
27.81
进行VRI的实验列表
VR1
@122华氏度的30 mole % VRI的重油
VR2
@温度122华氏度的重油，VRI、CO2、 PDMS 、0.5%(wt)和CuO
VR3
@温度122华氏度的重油，VRI、CO2、 PDMS 、1%(wt)和CuO
VR4
@温度122华氏度的重油，VRI、CO2、 PDMS 、3%(wt)和CuO

下表显示了温度为恒温 122 华氏度时，用VRI纳米流体所取得的粘度读数
表10：使用VRI纳米流体的粘度随压力的变化
温度122华氏度的粘度（cp）
压力
VR1
VR2
VR3
VR4
1264.7
176
88.55
58.96
87.66
1586.7
182.1
91.37
61.52
89.65
1709.7
189.9
93.30
63.83
92.97
1886.7
202.9
96.10
64.17
96.05
2050.7
213.7
98.56
64.85
98.5
2396.7
224.1
99.13
65.38
100.3
2510.7
231.8
101.1
66.79
101.5

下表显示了温度为恒温 122 华氏度时，用 ANS "可流动油"和二氧化碳纳米流体所取得的粘度读数
表11：ANS可流动油的实验列表
样品号
描述
SC1
@室温81华氏度的稠油
LO1
@温度122华氏度的可流动稠油
LO2
@温度122华氏度的含CO2、 PDMS 、1%(wt)和CuO的可流动稠油，

表12：使用ANS活重油和二氧化碳纳米流体时粘度随压力的变化
在温度81 华氏度(SC1) and 122 华氏度的粘度（cp）
SC1压力

LO1
LO2
1264.7
283.9
111
17

EXP-3: 岩心CO2气驱三次采油试验
岩心CO2气驱三次采油试验
下表显示岩心CO2气驱实验时，观察到的Berea砂岩岩心的干重和被水饱和后和被ANS稠油饱和的重量
岩心饱和二氧化碳气驱油实验。
表13：提高采收率研究中观察到的重量
Berea砂岩岩心的干重
42.7 g
被水饱和后的岩心的重量
370.3 g
孔隙度 15.86%

稠油饱和后的岩心的重量
368.0 g
被ANS稠油驱替的水
18 g
束缚水饱和度(%Swi)
34.78%
岩心的原始油
15.7 g
CO2气驱的采油量
9.1 g
%采收率
58 %

用CO2纳米流体驱三次采油实验：
下表显示CO2纳米流体驱实验时，观察到的Berea砂岩岩心的干重和被水饱和后和被ANS稠油饱和的重量
表14：提高采收率研究中观察到的重量
Berea砂岩岩心的干重
349.2 g
被水饱和后的岩心的重量
367.8 g
孔隙度10.68 %

稠油饱和后的岩心的重量
367.1 g
被ANS稠油驱替的水
12.2 g
束缚水饱和度(%Swi)
34.4 %
岩心的原始油
11.5 g
CO2气驱的采油
8.2 g
%采收率
71.30 %

讨论：
EXP-1：
通过加入纳米CuO来增加二氧化碳的密度和粘度
EXP-2
1.CO2纳米流体：
CO2膨胀ANS稠油, 降低其粘度，PDMS和不同浓度的CuO有助于减少各种稠油样品黏度。温度越高，降粘效果越好。
2.VRI纳米流体：
VRI可以降低ANS重稠油的粘度，但是其范围不依赖二氧化碳。添加纳米CuO和PDMS到VRI可以进一步降低ANS重油的粘度
3.ANS可流动油和二氧化碳纳米流体：
添加甲烷到ANS稠（不可流动）油也就是ANS可流动油来减少ANS稠（不可流动）油的粘度。添加CuO纳米粒子和PDMS可以进一步降低ANS可流动油的粘度
EXP-3
1. 用岩心二氧化碳气体三次采油实验
CO2膨胀ANS稠油，驱替其通过Berea砂岩岩心，在地层原油采收率约58％
2. 用CO2纳米流体驱三次采油实验
CO2膨胀ANS，来驱替一些原油到出口。 PDMS和CuO纳米粒子驱替更多的油到出口，是因为纳米流体的高粘度和的密度产生了71％的采收率。
结论：
进行稠油提高采收率的工作，可以得出以下结论。
EXP-1：
a.二氧化碳的密度和粘度随着添加的PDMS和CuO纳米粒子而增加
EXP-2：
1、CO2纳米流体：
a. 只用1％（wt）的CO2纳米流体可使ANS重油粘度的减少三倍。
b. SC3样品被加热到144 华氏度显示最低黏度
c. SC2样品，其中有30％摩尔的二氧化碳也可以减少ANS重稠油（不可流动）粘度：
d. SC4样本，其中有30％摩尔的二氧化碳，PDMS和0.5％（wt）的纳米CuO能降低ANS稠油的粘度比其中只有30％摩尔CO2的样品SC2更低
e. SC5样品，30％摩尔二氧化碳，PDMS和1％（wt）的纳米CuO在122华氏度可降低粘度到最低值
f. SC6样品，30％摩尔的二氧化碳，PDMS和3％（wt）
g. 与样品SC5相比，纳米CuO不能降低粘度
2 - VRI纳米流体：
a. VRI可以在一定程度上减少的ANS重油的粘度，但还不如二氧化碳多。
b. VRI可以实现双重ANS稠油粘度降低
c. VR2样本，其中有30％摩尔VRI也可以减少ANS稠油的粘度
d. VR3样品，其中有30％摩尔的二氧化碳，PDMS和1％（wt）的纳米CuO能降低ANS重油的粘度比其中只有30％摩尔VRI的VR2样品更低
e. VR4样本，有30％摩尔VRI，PDMS和3％（wt）的纳米CuO与样品VR3相比，不能降低粘度
3 ANS可流动油和CO2纳米流体
a. 添加甲烷气道样品SC1的（即样本LO1）可降低SC1样品的的粘度
b. 样本LO2，其中有二氧化碳，PDMS和1％（wt）的纳米CuO，与样品 LO1相比能降低ANS可流动油的粘度
添加PDMS和纳米CuO可以通过增加其流动能力，有效地减少ANS重油粘度（可流动的和死不可流动）。
与较低温度相比，较高的工作温度可以进一步降低ANS稠油的粘度。
EXP-3：
1. 用岩心二氧化碳气体三次采油实验
a. CO2驱可以使ANS稠油的采收率达到约58％，当CO2膨胀稠油使其流动。
2. 用CO2纳米流体驱三次采油实验
a. CO2膨胀ANS稠油使其通过Berea砂岩岩心
b. 纳米CuO协助减少ANS稠油的粘度来增加石油采收率
c.与传统的二氧化碳（表4）相比，CO2纳米流体的粘度是更大的140倍，正如预计的当二氧化碳的流度减少时，从而更好地实现采油。
d. CuO纳米粒子由于其体积小，可以驱替束缚ANS稠油到出口，由于施加的压力差，产生更高的石油采收率。
e. 膨胀和驱替含有氧化铜纳米粒子构成的ANS稠油，以达到71％的稠油采收率
今后的工作
1 - 研究的不同纳米粒子的效果，如CDS或SiO2，可以明白降粘和
提高ANS重油的采收率的效果
2 - 碳纳米管是潜在的材料，具有优异的性能，使用它可以有效地减少ANS稠油的粘度
3 - 使用的测试材料的数据领域大规模仿真（CMG建设者）与传统注入剂气体相比，如二氧化碳和VRI，可以进行更好地了解制备的纳米流体在提高ANS稠油的采收率的影响。
引用
1.阿法埃莎材料PDMS安全数据表
2.安东帕 512 密度计在高压和高温下密度测量的说明书。
3.剑桥 SPL 440PVT粘度计的说明书。
4.德buyl。 F，国际附着力和adesives学报
<http://www.vtt.fi/inf/julkaisut/publications/2005/summary/p565/figure4.jpg >
5.迈耶理查德·F和“稠油和天然沥青，石油战略资源”attanasi埃米尔U.S.G.S
事实表70-03，2003年8月
6. X.张，H.区，米。藤井，“实验研究的纳米流体的有效导热系数和热扩散”2005年11月