一种利用纳米流体改善油砂储层传热能力的方法与流程

1.本发明属于非常规油气储层改造及油气开发技术领域，具体涉及一种利用纳米流体改善油砂储层传热能力的方法，适用于各种热力采油技术。


背景技术：

2.油砂是一类含有极高黏度碳氢化合物的岩石，这些极高黏度的碳氢化合物在原始储层条件下是不能通过传统油井生产方法进行开采的。油砂中的碳氢化合物一般为沥青，它是一类各种各样的红棕色至黑色半固体、黏性至脆性的材料。沥青通常充填在砂岩、灰岩和泥岩沉积物的孔隙和裂隙中，所以沥青也被称为岩沥青。天然沥青储层一般渗透率低，原始储层温度下是完全不能自由流动的，因此常常需要通过极端的方法开采沥青，如蒸汽吞吐、蒸汽驱、蒸汽辅助重力泄油等。
3.目前，世界上大多数的油砂资源需要通过蒸汽辅助重力泄油(sagd)技术开采。sagd施工过程中，需要在油砂储层中钻两口相互平行的水平井，注气井位于生产井正上方。通过注气井注入高温蒸汽加热沥青，使沥青在重力的作用下流向生产井。sagd技术具有很高的原油采收率，目前在国内外广泛使用。sagd过程中储层传热包括热传导和热对流两种方式，储层的传热能力是热传导和热对流两种作用的综合结果。sagd技术包括预热和生产两个阶段：在预热阶段，一般是通过两口水平井同时注入蒸汽或者使用电加热技术等，使井间储层产生均匀的热力连通；在生产阶段，采油井停止注气，注气井持续注气，沿井筒方向上产生均匀的蒸汽腔，被加热的原油和冷凝的水沿着蒸汽腔的边界流入生产井而被采出。
4.在sagd预热阶段，储层传热速度决定了预热时间；在生产阶段，储层传热速度决定了蒸汽腔的发育速度，最终影响原油产量。若储层传热能力不足，则会导致预热产出液处理压力大，预热时间长，见产缓慢，油气比低，产量低。为了缩短sagd预热时间、提高产量，目前现场采用双水平井循环注水的方式，向地层中挤液，以期在近井地带诱导产生大量微裂缝，增加渗透率、孔隙度和含水饱和度，增加储层的对流传热能力，缩短了预热时间。
5.但是挤液过程中储层吸水量小，孔隙流体流速缓慢，大部分储层、尤其是远离井筒的储层含水饱和度变化很小，流体压力梯度很低，对流传热能力增加幅度不大。另外，陆相油砂岩石扩容潜力低，地应力条件差，扩容效果不佳，热对流能力增加幅度更小。因此，针对挤液过程中热对流效果不佳的问题，急需开发一种改善油砂储层热传导能力的方法，提高油砂储层的综合传热能力。
6.除sagd技术外，在蒸汽吞吐、蒸汽驱等工艺中，储层传热能力的好坏也直接影响到温度场及黏度场的分布，进而影响原油产量。因此，有必要利用纳米流体的强化传热机制，提高油砂储层的热传导能力和流体
‑
颗粒之间的固液界面换热系数。


技术实现要素：

7.为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种利用纳米流体改善油砂储层传热能力的方法，解决现有油砂挤液技术中储层热对流作用不佳的问题，实现在不影
响挤液扩容效果的前提下，通过纳米流体的超高导热能力及纳米流体的强化传热机制，提高油砂储层的热传导能力和固液界面换热系数，提高油砂储层的综合传热能力，缩短sagd预热周期，增加原油产量。
8.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
9.一种利用纳米流体改善油砂储层传热能力的方法，其特征在于，包括以下步骤：
10.步骤一、配置由m种纳米颗粒种类和n种纳米颗粒浓度任意组合的m
×
n种纳米流体各500ml，分别编号为n1、n2…
n
m
×
n
，n种纳米颗粒浓度按照等梯度规则设置，即每相邻两种浓度之间的差值为c
max
/(n
‑
1)，纳米颗粒浓度是指纳米颗粒的质量百分比，具体是指纳米颗粒的质量与纳米流体总质量之比，纳米颗粒浓度的上临界值设置为c
max
，下临界值设置为0；
11.步骤二、油田现场钻取储层段井下岩芯，室内获得标准岩芯柱m
×
n根，测试标准岩芯的热传导系数，分别记为α1、α2…
α
m
×
n
；
12.步骤三、将m
×
n根标准岩芯柱分别在m
×
n种纳米流体中浸泡2.5天，通过增压器设置流体压力为p
max井底
，p
max井底
为挤液施工的最大井底压力，取值为一个比地层破裂压力小0.5mpa的值，测试浸泡后岩芯柱的热传导系数，分别记为α'1、α'2…
α'
m
×
n
；
13.步骤四、计算各岩芯柱采用纳米流体浸泡后的热传导强化系数，热传导强化系数为岩芯浸泡后与初始热传导系数之比，计算公式为：i＝α'/α，其中α'和α分别为岩芯浸泡后的热传导系数和初始热传导系数，即岩芯浸泡后与初始热传导系数之比，分别记为i1、i2…
i
m
×
n
，以纳米颗粒种类为不同的图例，以纳米流体浓度为横坐标，以热传导强化系数为纵坐标，绘制散点图，横、纵坐标轴都是常规线性坐标轴；
14.步骤五、在综合考虑热传导强化效果和经济性的前提下，筛选、确定与施工地层相适应的最优的纳米颗粒种类和浓度，并根据现场需求配置大量该类纳米流体；
15.热传导强化效果：
16.热传导强化效果的定量评价方法为，热传导强化系数小于5％时，热传导强化效果差；热传导强化系数大于5％且小于25％时，热传导强化效果好；热传导强化系数大于25％时，热传导强化效果非常好；
17.经济性评价标准为：
18.(1)纳米颗粒种类的经济性的评价标准为，相同浓度下，在热传导强化系数小于5％时，优先选择价格低的纳米颗粒种类；否则，选择热传导强化效果好或者非常好的纳米颗粒种类；
19.(2)纳米颗粒浓度的经济性的评价标准为，相同纳米颗粒种类下，热传导强化系数小于5％时，优先选择低浓度纳米流体浓度；否则，选择热传导强化效果好或者非常好的纳米流体浓度；
20.步骤六：需要计算p井垂深处的地层破裂压力为p
b
、p井垂深处的静液柱压力为p
w
；计算挤液施工的最大井底压力比地层破裂压力小0.5mpa，即p
max井底
＝p
b
‑
0.5；计算挤液施工的最大井口压力为最大井底压力与静液柱压力之差，即p
max井口
＝p
max井底
‑
p
w
，合理控制i井和p井井口压力将步骤五选定的纳米流体逐步、缓慢挤入油砂储层，实现利用纳米流体改善油砂储层传热能力，i井和p井分别指蒸汽辅助重力泄油sagd双水平井中的注汽井和生产井。
21.所述步骤一中，纳米颗粒种类是指硫化钼、二氧化硅、氧化铝、氧化铜、碳单质等金属或非金属纳米粉体，纳米颗粒是指至少在一个维度上小于100纳米的颗粒。
22.所述步骤一中，纳米颗粒是指球形、椭圆形、圆柱形等相对规则形状的颗粒，以便于工业化批量生产。
23.所述步骤一中，纳米流体的基液采用与地层产出液相匹配的盐水溶液。
24.所述步骤一中，纳米流体的配置方法采用两步法，将制备好的纳米颗粒通过某种手段分散到基液中，制备和分散过程分两步进行；具体是指将纳米粉体和基液按照既定比例组合后，经磁力搅拌器混合15min，再用超声分散15分钟，最后用磁力搅拌15min，使悬浮液形成均匀且分散性好的纳米流体。
25.所述盐水溶液中的溶质主要包括na

、k

、ca

、mg

等阳离子和cl
‑
、so
42
‑
、hco3‑
、co
32
‑
等阴离子。
26.所述盐水溶液可以直接使用原油处理后的地层水，也可以使用室内实验配置的盐水。
27.所述步骤二中，钻取储层段的井下岩芯是指取芯钻头取上来的岩芯。
28.所述步骤二中，室内取芯成标准岩芯是指，采用人工或机械方法将取芯钻头取上来的岩芯加工为直径为25mm、长度为50mm的标准圆柱体。
29.所述标准岩芯需要用密封袋密封，并放置在
‑
20℃的冰箱中保存。
30.所述步骤二中，热传导系数的测试方法包括稳态法和非稳态法两种。
31.所述步骤三中，在p
max井底
压力下浸泡的目的是，模拟井下储层的实际孔隙压力，使纳米流体充分饱和岩芯。
32.所述步骤六中，在计算完关键参数之后，清洗sagd井，然后同时控制p井、i井的井口压力，并保持两口井的井口压力一致；分四个阶段逐级提压直至达到最大井口压力，每级的提压幅度为δp＝p
max井口
/4，每级提压的完成时间是30
‑
60min；前三个阶段提压后维持恒定压力12h，第四个阶段提压后维持恒定压力24h，即改造结束。
33.本发明的有益效果是：
34.本发明从提高油砂储层的热传导系数和热对流系数入手，提高储层的综合传热能力。其中，提高储层热传导能力的途径为，在保证经济性的前提下，有效增加孔隙流体的热传导系数；提高储层热对流能力的途径为，通过向地层挤入纳米流体的方式，如图3所示，在一定的地应力下，储层产生剪切微裂缝和张性微裂缝，有效提高储层的孔隙度、渗透率和含水饱和度，从而提高对流传热能力。另外，纳米流体能够增加液体的密度、体积模量，降低液体的压缩系数，增加挤液能力；纳米流体可以增加流体和固体颗粒之间的对流换热系数，从而实现孔隙流体快速加热岩石基质，增加储层的整体传热速度；纳米流体可以减弱和降低岩石的润湿性，由亲油变为亲水，从而提高原油采收率；残留在地层中的纳米流体，还可以增加蒸汽腔外储层的热传导和热对流能力，增加原油产量。
35.本发明涉及的施工顺序位于各种热力采油方法之前，只需要利用现有井型、地面及井下管柱即可顺利完成。该方法可以显著提高油砂储层的热传导能力和热对流能力，成本低，见效快，适用于各种热力采油技术。
附图说明
36.图1利用纳米流体改善油砂储层传热能力的方法的主要步骤
37.图2m种纳米颗粒和n种纳米颗粒浓度任意组合的m
×
n种纳米流体的配置思路
38.图3油田现场钻取储层段井下岩芯及室内获得标准岩芯柱的取芯位置
39.图4室内获得标准岩芯柱的尺寸
40.图5含四种纳米颗粒类型的纳米流体浓度(x轴)
‑
热传导强化系数(y轴)坐标系
41.图6利用增压器和纳米流体充分饱和标准岩芯的装置
42.图7利用纳米流体改善油砂储层热传导强化效果的评价步骤
43.图8利用纳米流体改善油砂储层传热能力的纳米颗粒种类的经济性评价步骤
44.图9利用纳米流体改善油砂储层传热能力的纳米颗粒浓度的经济性评价步骤
45.图10纳米流体挤液施工过程中i井和p井井口压力随时间的变化关系曲线
具体实施方式
46.以下结合实施例及附图对本发明进一步叙述。
47.实施例一：
48.如图1所示，一种利用纳米流体改善油砂储层传热能力的方法，其特征在于，包括以下步骤：
49.步骤一、如图2所示，配置由m种纳米颗粒种类和n种纳米颗粒浓度任意组合的m
×
n种纳米流体各500ml，分别编号为n1、n2…
n
m
×
n
，n种纳米颗粒浓度按照等梯度规则设置，即每相邻两种浓度之间的差值为c
max
/(n
‑
1)，纳米颗粒浓度是指纳米颗粒的质量百分比，具体是指纳米颗粒的质量与纳米流体总质量之比，纳米颗粒浓度的上临界值设置为c
max
，下临界值设置为0；
50.步骤二、如图3所示，油田现场钻取储层段井下岩芯，室内获得标准岩芯柱m
×
n根，测试标准岩芯的热传导系数，分别记为α1、α2…
α
m
×
n
；
51.步骤三、将m
×
n根标准岩芯柱分别在m
×
n种纳米流体中浸泡2.5天，如图6所示，通过增压器设置流体压力为p
max井底
，模拟井下储层的实际孔隙压力，使纳米流体充分饱和岩芯，p
max井底
为挤液施工的最大井底压力，取值为一个比地层破裂压力小0.5mpa的值，测试浸泡后岩芯柱的热传导系数，分别记为α'1、α'2…
α'
m
×
n
；
52.步骤四、计算各岩芯柱采用纳米流体浸泡后的热传导强化系数，热传导强化系数为岩芯浸泡后与初始热传导系数之比，计算公式为：i＝α'/α，其中α'和α分别为岩芯浸泡后的热传导系数和初始热传导系数，即岩芯浸泡后与初始热传导系数之比，分别记为i1、i2…
i
m
×
n
，以纳米颗粒种类为不同的图例，以纳米流体浓度为横坐标，以热传导强化系数为纵坐标，绘制散点图，横、纵坐标轴都是常规线性坐标轴；
53.步骤五、在综合考虑热传导强化效果和经济性的前提下，筛选、确定与施工地层相适应的最优的纳米颗粒种类和浓度，并根据现场需求配置大量该类纳米流体；
54.热传导强化效果：
55.热传导强化效果的定量评价方法为，热传导强化系数小于5％时，热传导强化效果差；热传导强化系数大于5％且小于25％时，热传导强化效果好；热传导强化系数大于25％时，热传导强化效果非常好；
56.经济性评价标准为：
57.(1)纳米颗粒种类的经济性的评价标准为，相同浓度下，在热传导强化系数小于5％时，优先选择价格低的纳米颗粒种类；否则，选择热传导强化效果好或者非常好的纳米
颗粒种类；
58.(2)纳米颗粒浓度的经济性的评价标准为，相同纳米颗粒种类下，热传导强化系数小于5％时，优先选择低浓度纳米流体浓度；否则，选择热传导强化效果好或者非常好的纳米流体浓度；
59.步骤六：需要计算p井垂深处的地层破裂压力为p
b
、p井垂深处的静液柱压力为p
w
；计算挤液施工的最大井底压力比地层破裂压力小0.5mpa，即p
max井底
＝p
b
‑
0.5；计算挤液施工的最大井口压力为最大井底压力与静液柱压力之差，即p
max井口
＝p
max井底
‑
p
w
，合理控制i井和p井井口压力将步骤五选定的纳米流体逐步、缓慢挤入油砂储层，实现利用纳米流体改善油砂储层传热能力，i井和p井分别指蒸汽辅助重力泄油sagd双水平井中的注汽井和生产井。
60.所述步骤一中，纳米颗粒种类是指硫化钼、二氧化硅、氧化铝、氧化铜、碳单质等金属或非金属纳米粉体，纳米颗粒是指至少在一个维度上小于100纳米的颗粒。
61.所述步骤一中，纳米颗粒是指球形、椭圆形、圆柱形等相对规则形状的颗粒。
62.所述步骤一中，纳米流体的基液采用与地层产出液相匹配的盐水溶液。
63.所述盐水溶液可以直接使用原油处理后的地层水，也可以使用室内实验配置的盐水。
64.所述盐水溶液中的溶质主要包括na

、k

、ca

、mg

阳离子和cl
‑
、so
42
‑
、hco3‑
、co
32
‑
阴离子。
65.所述步骤一中，纳米流体的配置方法采用两步法，将制备好的纳米颗粒通过某种手段分散到基液中，制备和分散过程分两步进行；具体是指将纳米粉体和基液按照既定比例组合后，经磁力搅拌器混合15min，再用超声分散15分钟，最后用磁力搅拌15min，使悬浮液形成均匀且分散性好的纳米流体。
66.所述步骤二中，室内取芯成标准岩芯是指，采用人工或机械方法将取芯钻头取上来的岩芯加工为直径为25mm、长度为50mm的标准圆柱体。
67.所述标准岩芯需要用密封袋密封，并放置在
‑
20℃的冰箱中保存。
68.所述步骤二中，热传导系数的测试方法包括稳态法和非稳态法两种。
69.所述步骤六中，在计算完关键参数之后，清洗sagd井，然后同时控制p井、i井的井口压力，并保持两口井的井口压力一致；分四个阶段逐级提压直至达到最大井口压力，每级的提压幅度为δp＝p
max井口
/4，每级提压的完成时间是30
‑
60min；前三个阶段提压后维持恒定压力12h，第四个阶段提压后维持恒定压力24h，即改造结束。
70.本实施例为新疆风城油田某sagd井，i井垂深372m，p井垂深377m，储层地层破裂压力梯度为0.016mpa/m；选取m＝5且n＝4，即配置由5种纳米颗粒种类和4种纳米颗粒浓度任意组合的20种纳米流体各500ml，分别编号为n1、n2…
n
20
；油田现场钻取储层段井下岩芯，室内获得标准岩芯柱20根，测试标准岩芯的热传导系数，分别记为α1、α2…
α
20
；将20根标准岩芯柱分别在20种纳米流体中浸泡2.5天；通过增压器设置流体压力为p
max井底
＝5.5mpa，测试浸泡后岩芯柱的热传导系数，分别记为α'1、α'2…
α'
20
；计算各岩芯柱采用纳米流体浸泡后的热传导强化系数，即岩芯浸泡后与初始热传导系数之比，分别记为i1、i2…
i
20
。
71.本实施例中，5种纳米颗粒种类为硫化钼、二氧化硅、氧化铝、氧化铜、碳单质，纳米颗粒的粒度为20
‑
30nm之间，纳米颗粒为球形颗粒，以便于工业化批量生产。纳米流体的基液采用与地层产出液相匹配的盐水溶液，其中溶质组成为：hco3‑
浓度为1496.15mg/l，cl
‑
浓
度为1950.53mg/l，ca

浓度为7.33mg/l，na

和k

浓度为2003.16mg/l，总矿化度为4970.24mg/l。
72.本实施例中，纳米颗粒浓度是指纳米颗粒的质量与纳米流体总质量之比，纳米颗粒浓度的上临界值设置为9％，下临界值设置为0；4种纳米颗粒浓度按照等梯度规则设置，即每相邻两种浓度之间的差值为9％/(4
‑
1)＝3％；纳米流体的配置方法采用两步法，将纳米粉体和液体按照既定比例组合后，经磁力搅拌器混合15min，再用超声分散15分钟，最后用磁力搅拌15min，使悬浮液形成均匀且分散性好的纳米流体。
73.如图4所示，本实施例中，按照图3，取4块垂向岩芯。采用人工或机械方法将取芯钻头取上来的岩芯加工为直径为25mm、长度为50mm的标准圆柱体，标准岩芯需要用密封袋密封，并放置在
‑
20℃的冰箱中保存。
74.本实施例中，热传导系数的测试方法采用稳态法。
75.本实施例中，按照图7所示的流程，热传导强化效果的定量评价方法为，热传导强化系数小于5％时，热传导强化效果差；热传导强化系数大于5％且小于25％时，热传导强化效果好；热传导强化系数大于25％时，热传导强化效果非常好。以硫化钼纳米流体为例，将4块垂向岩芯分别置于浓度为0、3％、6％和9％的硫化钼纳米流体中饱和，假设其热传导强化系数分别为0、10％、26％、30％，则四种不同浓度的硫化钼纳米流体的热传导强化效果依次为差、好、非常好、非常好。
76.本实施例中，按照图8所示的流程，纳米颗粒种类的经济性的评价标准为，相同浓度下，热传导强化系数之差小于5％时，优先选择价格低的纳米颗粒种类；否则，选择热传导强化效果好或者非常好的纳米颗粒种类。以浓度3％为例，将4块垂向岩芯分别置于浓度3％的硫化钼、二氧化硅、氧化铝、氧化铜、碳单质纳米流体中饱和，假设其热传导强化系数分别为0、10％、26％、30％。由于碳单质纳米流体和氧化铜纳米流体的热传导强化系数之差小于5％，且碳单质纳米颗粒的价格贵于氧化铜纳米颗粒，因此，在浓度为3％的前提下，优先选择氧化铜纳米流体。
77.本实施例中，按照图9所示的流程，纳米颗粒浓度的经济性的评价标准为，相同纳米颗粒种类下，热传导强化系数之差小于5％时，优先选择低浓度纳米流体浓度；否则，选择热传导强化效果好或者非常好的纳米流体浓度。以硫化钼纳米流体为例，将4块垂向岩芯分别置于浓度为0、3％、6％和9％的硫化钼纳米流体中饱和，假设其热传导强化系数分别为0、10％、26％、30％。由于浓度为9％的硫化钼纳米流体和浓度为6％的硫化钼纳米流体的热传导强化系数之差小于5％，因此，对于硫化钼纳米颗粒，优先选择浓度为6％的纳米流体。
78.本实例中，计算得到挤液施工的最大井口压力p
max出口
＝1.8mpa。i井、p井分四个阶段挤液：第一阶段三个井的井口压力均在60min内从0加载至0.45mpa，维持0.45mpa的压力12小时；第二阶段三个井的井口压力从0.45mpa加载至0.9mpa，并维持0.9mpa的压力12小时；第三阶段三个井的井口压力从0.9mpa加载至1.35mpa，并维持1.35mpa的压力12小时；第四阶段三个井的井口压力从1.35mpa加载至1.8mpa，并维持1.8mpa的压力24小时，即改造结束。
79.实施例二：
80.按照本发明的利用纳米流体改善油砂储层传热能力的方法的另一实施例，其改造步骤、工作原理、有益效果等均与实施例一相同，不同的是标准岩芯柱的取芯方向：本实施
例中，按照图3取4块纵向岩芯。该实施例可以反映纳米流体饱和前、后油砂储层在水平方向上的传热能力。
81.实施例三：
82.按照本发明的利用纳米流体改善油砂储层传热能力的方法的另一实施例，其改造步骤、工作原理、有益效果等均与实施例一相同，不同的是标准岩芯柱的取芯方向：本实施例中，按照图3取2块纵向岩芯和2块横向岩芯。该实施例可以反映纳米流体饱和前、后油砂储层在垂向和水平方向上的传热能力。
83.实施例四：
84.按照本发明的利用纳米流体改善油砂储层传热能力的方法的另一实施例，其改造步骤、工作原理、有益效果等均与实施例一相同，不同的是改造步骤中各个参数的匹配关系：
85.本实施例为新疆风城油田某sagd井，i井垂深372m，p井垂深377m，储层地层破裂压力梯度为0.017mpa/m。计算得到挤液施工的最大井口压力p
max出口
＝2.2mpa。i井、p井分四个阶段挤液：第一阶段三个井的井口压力均在50min内从0加载至0.55mpa，维持0.55mpa的压力12小时；第二阶段三个井的井口压力从0.55mpa加载至1.1mpa，并维持1.1mpa的压力12小时；第三阶段三个井的井口压力从1.1mpa加载至1.65mpa，并维持1.65mpa的压力12小时；第四阶段三个井的井口压力从1.65mpa加载至2.2mpa，并维持2.2mpa的压力24小时，即改造结束。