微波采油技術的應用

微波采油技術的應用

一、 微波采油機理加熱作用

在微波場中所產生的熱量大小與物質的種類及其電特性有關。微波對物質的介電熱效應是通過離子遷移和極性分子的旋轉使分子運動來實現的，即極性分子接受能量后，被作用的分子從相對靜態瞬間轉變為動態，通過分子偶極以數十億次的高速旋轉產生熱效應。在波場變化時，偶極子不能完全恢復到它們的初始位置，表征為本身介電常數的減少和損耗因子的增大，這時能量將以熱的形式耗散在材料中。由于瞬間變態是在被作用物質內部進行，故稱為內加熱（通過熱傳導和熱對流過程加熱稱為外加熱）。微波作為一種特殊形式的能量，在油氣開發中的應用性研究已引起人們的重視。微波加熱效率一般在微波段100MHz～10GHz 之間為最大。其強度取決于被作用物質的中子、原子、偶極子轉向、界面極化等損耗因子值的總和的大小。

非電磁加熱過程一般是從表面開始，通過傳導、對流和輻射方式，把熱從外部逐漸傳至內部，這是一個相對漫長的過程。材料吸收微波能是內、外部與表面同時進行的，可以稱此為體加熱。因此，加熱速度快，向外輻射和傳導損失的熱量也小。

微波加熱與蒸汽加熱相比還有一個很大的優點，即它可以使地層內的流體達到很高的溫度，這為地下石油的干餾汽化開采提供了關鍵性條件。

造縫作用——微波采油技術是利用大功率微波源對地層輻射。石油儲層是由不同的化學物質組成的，非均質性特點明顯，化學成分復雜（由硅酸鹽、一氧化硅、鋁氧化物、長石、泥質等礦物質組成），儲層中含有許多孔隙空間，其中包含有地層流體，主要為地層水和石油，而不同的化學成分對微波的吸收能力相差甚遠，如水對微波的吸收能力為石英砂的數十倍。因此，在微波作用下各不同物質組分溫度升高亦相差甚遠，導致熱膨脹系數大小相差很大，造成熱膨脹、冷收縮不均勻，產生很大的熱應力，致使巖石產生很多微裂縫。低滲油田中次生微裂縫的產生促使地層的滲透率提高，從而實現低滲油田的高滲開發。

西安石油學院金友煌等人和中科院電子所胡立銘等人將兩塊建立了束縛水的飽和原油的巖心加工成許多切片，做了兩種對比試驗。一是用2450MHz微波輻射，使其溫度達到140℃后，對其表面進行電鏡掃描拍片，并與微波輻射前的該表面電鏡掃描拍片進行對比。二是用電阻絲恒溫箱將巖心切片加熱到約140℃后，對其表面進行電鏡掃描，并與加熱前的該表面的電鏡掃描進行對比。拍出四組微波加熱前后對比的照片。觀察結果表明，在加熱前切片中可觀察到只有數條較為明顯的晶間縫，用微波加熱后明顯的裂縫有數十條，一方面使原有裂縫變寬，同時又產生了新的裂縫，而在用恒溫烘箱加熱前后的切片對比觀察中發現裂縫沒有變化。

實驗分析表明：地層巖心用微波處理能促使裂縫發育，提高地層的滲透率。微波采油技術應用于低滲油田開發可大幅度提高產量和采收率。

非熱效應——微波加熱地層后，由于溫度升高，原油粘度顯著下降，滲透阻力減小。同時，由于所使用的微波頻率接近地層流體中極性分子的固有頻率，極易引起強烈的共振，油品中的長鏈分子化合物、支鏈分子化合物、雜環化合物，以及一些膠質體和松散結構的結合斷裂、裂解，使高粘重質油部分成為低粘輕質油，滲透率大為提高，改進指進現象，進一步提高了采收率和油井產量。同時，降低了凝固點，便于石油的開采和輸送。研究結果表明：在原油中含有少量的膠質化合物將極大地影響其潤濕性。微波的以上這些作用，可以將稠油變稀，少量膠質化合物的分裂將大大改進潤濕性，提高流度，改進指進現象，從而提高采收率。

非熱效應也可以從金友煌等人的試驗中得到驗證：

一、實驗巖心物性參數：孔隙度Φ＝19．4％；飽和度Sw＝73.26％，So＝26.74％；
由實驗結果可以看出，微波處理后滲透率顯著提高，說明微波處理效果明顯。

二、微波采油技術

微波采油用的微波系統可以分為兩類：一類為器件與被加熱物質分離，即器件置于地面，通過傳輸線把微波功率傳人地下，再由輻射器（加熱天線） 對油層進行加熱。另一類是把微波管和輻射器置于井下儲層部位，直接對儲層作用。其最大優點是可以最大限度地利用熱效率，因為這時所有的能量不論是器件本身的熱損耗，還是微波的熱輻射，不論是相干的輻射還是不相干的輻射，不論什么頻率的輻射最終都變成含油巖層的熱。

微波加熱開采技術目前設計有三種方法。

1．作為地面井口鍋爐——微波對由地面注入地層的水或水蒸氣加熱。此方法的優點是不用改變現有井筒。如果有小型的適合井下工作的大功率微波管，則一切設備和工藝都不變，只要增加大功率供電電纜即可。若把大功率微波管放在地面，把中間的油管用做微波傳輸管道，油就可從環空中抽出，所以要研制一種新型的環空泵。

2．作為井下鍋爐——用微波對地下儲層直接加熱，使地層溫度升高，其結構如圖1 所示。根據美國的一項專利，在井周圍的溫度升高到425℃以上，即遠遠高出稠油的拐點溫度時，用100kW功率，頻率在0．01～2．00GHz甚至到30GHz變化，有效作用半徑可達到12m。若井周圍的溫度只要求達到拐點溫度時，則有效作用半徑可遠遠大于12m。

3．多底井地層微波加熱——微波能由豎井段向下傳到多連通器中的功分器，并與開窗側鉆的水平井內的天線相連通。微波能由水平天線向地層輻射。在這種結構中，水平段有多遠，水平天線就可伸到多遠，有效采油半徑就可達到多遠。水平段實際是不水平的，而是在向外延伸時向上撓，以便在遠處的原油受微波加熱后滲入到“水平” 段，在重力作用下流入垂直段，再由裝在垂直段內的環空泵將油舉升到地面。這種結構的有效作用半徑決定于開窗側鉆的水平井的個數和沿水平方向延伸的距離。

由以上所述可以看出，油層微波加熱開采技術在開采工藝上存在著重重困難，有待于今后解決。

目前，國外在物理模擬和現場實驗方面取得了較大的進展。但是對于地層高頻電磁波加熱采油一補充能量系統的數字模擬研究，基本上還處于剛剛起步階段。為此，應把變頻電磁場、溫度場、流場、應力場及其破裂準則結合起來，解決微波加熱開采技術中的各種難題，為稠油的微波開采最大限度地提高最終有效熱利用率提供理論依據。

三、微波采油完井方法完井方法稠油產層一般膠結松散，在地層流體的沖刷下出砂嚴重。完井方法上必須考慮防砂的同時滿足微波采油的特殊技術要求，主要考慮以下兩種完井方法。

1．陶瓷材管完井方法——該方法采用特殊陶瓷村管，利用產層砂的自然成拱作用防砂，適用于不會嚴重出砂的稠油產層。

完井管柱結構為：懸掛封隔器＋伸縮接頭＋盲管＋陶瓷村管＋陶瓷墻頭。

這種方法的特點是結構簡單，施工方便，防砂能力較差。

2．陶瓷篩管筒化礫石充填完井法——礫石充填完井能有效保護產層和防砂，防砂期一般可長達10～15年，是目前最為有效的防砂工藝。使用陶瓷篩管礫石充填完井時，工藝上適宜采用簡化礫石充填完井法。

完井管柱結構為：懸掛封隔器＋伸縮接頭＋盲管＋陶瓷篩管＋陶瓷墻頭。

這種方法的特點是管柱結構簡單，施工方便，能有效防砂。

稠油微波開采時，從工藝上不會對地層出砂產生激勵作用，特別是微波中溫或高溫開采時在近井地帶還將伴隨有一定程度的焦化作用，預期地層出砂不會很嚴重。

當然，該方法有待實踐檢驗，尚需進一步進行實驗模擬研究和相應現場驗證。微波采油井套管柱設計和固井設計。微波采油是在井下直接加熱產層，中溫和高溫開采時還考慮使用隔熱套管短節和少量具備伸縮性的套管柱，所以上部套管柱受到溫度的影響很小。設計中主要考慮溫度對產層附近套管柱的影響。為保證高溫下套管一井眼環空的有效密封性，同時需要進行特殊的固井設計。

1．微波低溫開采　　低溫開采時對于套管柱設計和固井的技術要求與常規蒸汽熱采相同。下部套管柱要盡可能采用高強套管。固井水泥中需添加耐熱穩定劑、絕熱添加劑、粘結添加劑。

2．微波中溫、高溫開采　　在微波中溫、高溫開采時，地層加熱溫度在400℃以上。為防止熱應力損壞套管，破壞套管柱與地層的密封，必須采取特殊措施。

（1）用特種耐高溫水泥固井。

（2）完井管柱中盲管、懸掛封隔器、伸縮接頭采用特種耐高溫金屬材料。

（3） 套管下部采用具有隔熱作用的陶瓷套管短節，以防止套管柱產生高溫熱應力損壞；隔熱陶瓷套管短節上加接具有良好伸縮性的玻璃纖維套管1—2根，進一步防止可能產生的套管變形。

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