油层加电.docx
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油层加电
摘要
利用外加电场，调整和控制油层的电驱动、电渗透、电化学和电加热效应，改善油层多孔介质的渗流特性，以及流体在储层中的流动规律和分布状态，可以提高原油采收率，降低油井含水率。
设计整流电路，利用Matlab软件进行仿真，将得到的直流电应用电感电容进行滤波，再加以过流、过压、短路等保护措施，得到的仿真波形平稳，达到驱油所加直流电要求。
进行数据调制，应用在采油当中，以达到提高采收率的目的。
关键词：
直流电场；油层加电；采收率；电渗；电泳；电动力学
Abstract
Usingofexternalelectricfield,adjustmentandcontrolingofelectricdrivereservoir,electro-osmosis,electrochemicalandelectricalheatingeffect,toimprovereservoirflowpropertiesofporousmedia,aswellasthefluidinthereservoiroftheflowpatternanddistributionofstate,canenhanceoilrecovery,oilwellstoreducethemoisturecontent.Todesignofrectifiercircuit,simulationusingMatlabsoftware,applicationwillbetheDCcapacitorfilterinductor,inadditiontoover-current,over-voltage,shortcircuitprotectionmeasures,simulationhasbeenasmoothwaveform,floodingaddedtomeettherequirementsofDC.Fordatamodulation,usedinproductionaretoachievethepurposeofenhancedoilrecovery.
Keywords:
directelectricfield;oilpower;recoveryfactor;electroosmose;
cataphoresis;electrodynamics
目录
第1章概述1
1.1油层加电的必要性1
1.2提高石油可采储量的途径1
1.3提高石油采收率的基本概念2
1.4提高石油采收率的技术分类5
1.5我国油田开发状况6
1.6提高石油采收率的潜力7
1.7我国提高采收率技术发展状况7
第2章油层的性质9
2.1油层的孔隙结构9
2.2孔隙度11
2.3渗透率与孔隙大小的关系13
2.4剩余油及其分布特征15
第3章电场对油层的影响20
3.1电化学采油的原理20
3.2电化学采油的作用机理21
第4章油层加电的室内试验方法24
4.1直流电场对油水流动规律的影响24
4.2电场对矿物结构影响24
4.3电场对储层岩石润湿性的影响25
4.4电场对残余油影响25
第5章油层加电仿真试验27
5.1电场一般作用方式27
5.2试验井直流电场的建立28
5.3电路的设计28
5.4电路的Matlab仿真模型29
5.5仿真图形30
5.6井下传输系统33
5.7试验效果评价34
5.8结果分析35
结论36
参考文献37
致谢38
第1章概述
1.1油层加电的必要性
近年来，随着中、高渗油藏相继进入高含水期，裂缝型低渗油藏的开采越来越到重视。
然而，由于裂缝型低渗油层的微细组分（细砂粒、粘土颗粒等）含量高、孔隙度小、流体与泥质砂岩之间表面力的作用显著等特点，导致流体在裂缝型低渗油层中的渗流规律特殊，即油流阻力大，驱动力高，开采难。
使用常规的人工注水方法来处理裂缝型低渗油层，原油采收率低，近50～70%的原油得不到开采。
同时，泥浆、滤液、石蜡、焦油和沥青及其它化合物的沉积堵塞了储油层近井地带孔隙，也造成采油量的下降。
在油田开采过程中，电场的存在是必然的，这是因为：
不仅岩层本身存在自然电场，而且在液体与岩层孔隙的接触面上，以及油、气、水在孔隙流体中的渗流过程中，都会产生较强的电场。
因此，地层流体的渗流和被驱替过程都是在电场中进行的。
利用电场对油层的电驱动、电化学、电渗透和电加热效应，改善油层的渗流特性和流体的流动特性，以提高原油的采收率，在采油领域是一项新技术。
电场作用下裂缝介质中渗流机理的研究可以为采用电场方法提高裂缝型油藏的采收率提供一定的理论基础，对于在裂缝型油藏中应用电场方法提高采收率具有重要的指导意义。
1.2提高石油可采储量的途径
石油是一类埋藏于地层深部的流体矿藏，具有独特的开采方式。
与其他矿物资源相比，石油的采收率较低。
例如在非均质油藏中，注水开发的采收率通常只有20%—40%。
也就是说，水驱开采达到经济极限后，仍有一半以上的石油留在油层中。
如何利用先进技术将这些剩余油尽可能多地、经济高效的开采出来，既提高石油采收率，是所有油田开发必然面临，并具有极大吸引力的问题。
在特定技术和经济条件下，剩余的石油可采储量（
）与已探明的原始石油地质储量（
）、采出油量（
）以及应用该技术可达到的石油采收率（
）有如下关系：
（1-1）
由上式可见，增加石油可采储量的途径有两个：
一是补充原始石油地质储量（
），二是提高石油采收率（
）。
通过勘探发现新的油田、新的油藏以及通过油藏的扩边来补充石油地质储量是石油增产和稳产最直接、最有效的途径。
但是，由于石油是一种不可再生资源，其总地质储量是一定的，随着勘探程度的提高，新增地质储量的难度将越来越大，潜力越来越小。
近年来，我国几个大油田新增地质储量多数都是丰度很低、油层物性很差、开采难度很大的油藏。
因此，石油可采储量的补充，将越来越多地依赖于已探明地质储量中采收率的提高。
对于一般油藏，尤其是非均质油藏，依靠注水开采方法只能采出石油地质储量中的一小部分，而且这部分石油的开采速度一般很高。
因此，从油田开发的自然规律来看，传统的注水开采只是整个油田开发全过程的一个阶段，而提高石油采收率则是油田开发永恒的主题。
同时，依靠先进技术最大限度的提高石油采收率，也是对这类不可再生资源进行有效保护、合理利用，实现社会可持续发展的需要。
1.3提高石油采收率的基本概念
1.3.1提高石油采收率的定义
近年来，“提高石油采收率”作为一个术语，在概念上已经逐渐趋于完善和统一，并被普遍使用。
早期，人们习惯于按照油田开发的不同阶段将石油开采技术分为“一次采油”、“二次采油”和“三次采油”。
所谓“一次采油”，就是油田的第一个开采阶段，实质上是利用油层所具有的天然能量，如溶解气、气顶等，将原有采至地面的开采方法。
在天然能量枯竭之后，采用人工补充油藏能量的开采方法被称为“二次采油”，一般是指以保持地层压力为主要目的的注水（或注气）采油技术。
所谓“三次采油”，即油田的第三个采油阶段，是指注水开发之后的开采阶段，如化学驱、混相驱和热采等。
石油开采技术可以分为如下三类：
（1）利用天然能量采油技术——利用油藏中的天然能量作为驱油动力的一类原油开采方法。
用于石油开采的天然能量包括溶解气、气顶、边水、和底水、原油和岩石的弹性能、重力等。
（2）补充能量采油技术——通过注水（或注气）向油藏中补充能量的一类原油开采方法。
（3）提高石油采收率技术——向油藏中注入驱油剂或调剖剂，改善油藏及油藏流体的物理化学特性、提高宏观波及效率和微观驱油效率的采油方法统称为提高石油采收率技术。
在此定义下，提高石油采收率可囊括除了利用天然能量开采和以补充地层能量、保持地层压力为目的注水（或注气）开采之外的所有开采方法。
对于一个特定的油藏，其石油采收率的定义为原油采出量与油藏中原始地质储量之比，即：
（1-2）
式中：
—原油采收率，%；
—采出原油量的地面体积，
；
—原油原始地质储量的地面体积，
；
—油层声誉油量的地面体积，
。
式（1-2）中的原油原始地质储量和原油产出量的地面体积可分别由下式计算：
（1-3）
式中：
—地层原油的体积系数，
/
；
—油层孔隙度；
、
—分别为油藏面积和驱油剂波及面积，
；
、
—分别为油藏平均厚度和驱油剂波及厚度，
；
、
—分别为原始含有饱和度和残余油饱和度。
将式（1-3）代入式（1-2），可得采收率的计算公式：
（1-4）
（1-5）
（1-6）
式中：
—平面波及系数，
；
—垂向波及系数，
；
—波及效率；
—驱油效率。
式（1-4）为所有驱替开采方式下，计算采收率的公式。
显然，采收率的大小取决于波及效率与驱油效率。
在实施某种采油技术之后，油藏中原油可以分为两部分：
一部分是驱油剂未波及的区域内所剩下的原油，即所谓剩余油；另一部分是驱油剂波及的区域中未被驱出的原油，通常称为残余油。
波及效率和驱油效率就是分别针对这两部分原油而定义的。
1.3.2驱油效率
驱油效率（
）又称微观驱替效率，其定义为：
在驱油剂波及的区域内采出油量与波及区域内原油储量之比，即：
（1-7）
式中：
—驱油剂波及区域内的原油地质储量，
；
—驱油剂波及区域内被驱出的油量，
；
—驱油剂波及区域内未被驱出的油量，即残余油量，
。
将储量和残余量与含有饱和度之间的关系式打入式（1-7），即可得到式（1-6）
所示的驱油效率计算式。
由式（1-6）可见，提高驱油效率等价于降低残余油饱和度，而影响残余油饱和度的主要因素有驱替动力学条件、空隙结构及润湿性等。
以不同形式残留在油藏孔隙中的原油（油滴、油膜等）能否被驱替，主要取决于作用在残余油上驱动力和阻力的大小。
不论是水驱、气驱、还是化学驱，只有当驱动力足够大，孔隙中的残余油才能被驱动。
在油藏孔隙中，驱替残余油的阻力主要是油——水界面形成的毛管阻力。
降低毛管阻力，即降低驱油剂和原油的界面张力，是提高微观驱油效率的重要技术思路之一。
所有的驱油过程实际上都是发生在油藏孔隙中。
如果以孔隙为基本单元进行研究，可以获得许多反映驱油物理化学本质的信息。
但是，实际油藏的孔隙结构十分复杂，在目前的研究水平下还很难对其做精确的描述。
因此，通常只能采用一个宏观统计平均参数——渗透率（K），作为流体在孔隙介质中宏观渗流能力的度量，而有关孔隙结构对驱油效率的影响还仅限于定性描述。
在微观上，油藏中岩石颗粒的大小、形状是不均匀的，由此造成其孔隙结构（如孔隙大小、孔喉比等）的微观非均质性。
这种微观非均质性对于驱油效率影响很大。
定性而言，岩石颗粒越均匀，油藏的微观孔隙结构就越均匀，孔隙的大小趋于一致，孔喉比小、渗透率较高，相应的驱油效率也较高。
反之亦然。
根据润湿性，岩石可分为水湿、油湿和中性润湿等三类。
水湿岩石中的水驱效率要比油湿岩石高。
在亲水的演示孔隙中，孔隙壁面和岩石颗粒表面可以被水润湿水以水膜的形式存在于岩石孔隙表面，而残余油则主要以油滴的形式存在于大孔隙的中心部位。
对于亲油岩石，其亲油性越强，附着于孔隙表面的油膜越难以被驱替；孔隙尺寸越小，其中的残余油滴越不易被驱出。
1.3.3波及效率
波及效率定义为驱油剂波及的油藏体积与油藏总体积之比。
这里的波及效率也常被称为宏观波及效率。
如式（1-5）所示，波及效率为平面波及系数与垂向波及系数之积。
在所有实际驱油过程中，有影响波及效率的主要因素有油藏的垂向和平面非均质性、原油与驱油剂的视粘度和相对渗透率、原油与驱油剂的重力差等等。
1.4提高石油采收率的技术分类
如前所述，提高石油采收率技术是一类通过改善油藏及油藏流体物理化学特性，提高宏观与微观驱油效率的采油方法的总称。
在此定义下，提高石油采收率技术可以囊括那些除了利用天然能量开采和以保持地层压力为目的的注水开采之外的各种采油方法。
石油采收率取决于驱油剂在油藏中的波及效率和驱油效率。
因此，所有的提高采收率技术都是以提高波及效率和提高驱油效率为目标。
但是，由于驱替方式和驱替介质不同，各种提高采收率的机理、适应性都有很大差别。
根据驱替介质和驱替方式，现有的提高采收率技术可分为化学驱、气驱、热力采油、微生物采油等。
1.4.1化学驱
凡是以特定的化学剂或其复合体系作为驱油剂，以改善流体的流动特性、改善驱油剂——原油——油藏孔隙之间的界面特性为基本原理的所有采油方法统称为化学驱。
常见的化学驱方法有聚合物驱、表面活性剂驱、碱水驱、化学复合驱等。
1.4.2气驱
凡是以气体作为主要驱油介质的采油方法统称为气驱[1]。
根据注入气体与地层原油的相态特性，气驱可分为气体混相驱与气体非混相驱两大类。
用作驱油剂的气体通常有CO2、N2、轻气、烟道气等。
1.4.3热力采油
向油藏内注入热流体或使油层中的原油就地燃烧，形成移动热流降低原油粘度，增加原油流动能力的采油方法称为热力采油。
这是一类稠油油藏提高采收率
最为有效的方法。
根据油藏中热量产生的方式，热力采油可以分为热流体法、化学热法和物理热法三大类。
热流体法是以在地面加热后的流体作为热载体注入油层；化学热法是通过在油层当中发生的化学反应产生热量，如火烧油层、液相氧化等；物理热法是利用电、电磁波等物理场加热油层原油的采油方法。
1.4.4微生物采油
微生物采油是利用微生物及其代谢产物作用于油藏既有藏中的原油、改善原油的流动特性和物理化学特性、提高驱油剂的波及体积和微观驱油效率的一类采油方法。
除了上述几类方法外，油层深部调剖和作用于油层深部的物理法（如声波、电场等）采油等也都属于提高采油率技术范畴。
1.5我国油田开发状况
1.5.1提高石油采收率的必要性
随着我国国民经济的稳定发展，对石油需求迅速增长。
自1993年我国成为成品油的净进口国开始，1996年我国又成为原油的净进口国，原油进口量急剧增加。
近几年来，我国石油供求矛盾将日益突出，石油进口量持续增高，这已成为制约我国经济可持续发展和国家能源安全的潜在威胁。
从我国石油资源特点及其开采形势来看，提高石油采收率是缓解我国石油供求矛盾的主要途径之一。
1.5.2我国石油资源特点及其开发状况
石油是埋藏于地下的一种以也太和气态为主的复杂烃类化合物，其组成主要是烷烃，也有苯环烃和环烷。
石油的组成随油层条件不同而异，一般含碳越84%，氢11%-14%，另外含少量氧、氮和硫等。
石油是由古地质年代有机物质（主要是单细胞植物，如蓝—绿海藻类，单细胞植物，如有孔虫类）沉积后，经过长期物理、化学变化而生成。
我国目前共发现油田576个，其中特大型和大型油田数量占总油田数量的的7.3%，但储量却占总储量的58%。
我国的石油资源大部分储存于陆相河流——三角洲沉积的砂岩油藏中，这类油藏地质条件和地面条件较复杂，储层以陆相白垩系、古近系和新近系为主（82.8%）；地层条件复杂的油藏占44%；低渗透、稠油资源占42.5%，常规油占57.50%；埋藏深度在2000——3500m之间的石油资源占23.6%。
陆上有35.8%的石油资源分布在高原、黄土塬、山地、沙漠、沼泽和滩海等恶劣的环境中。
从我国的油藏特点来看，陆相沉积的水体规模小、变化大，层间非均质相严重，同一油藏内的油层渗透率差异可达数十倍到上千倍。
油层天然能量低，边底水不活跃。
许多油田的地质结构复杂，断裂发育，断层纵横交错，储集层被切割成破碎的小断块，油水分布十分复杂。
从我国的原油特点来看，由于陆相生油母质中腐殖质较多，生成原油粘度较高。
我国油田地下原油粘度低于5mPaS的稀油只有34%，粘度在5——20mPaS的原油为44%，粘度在20——50mPaS的高粘度原油为8%，粘度为高于50mPaS的稠油为14%。
另外，陆相生油母质中含有较高的木质素和纤维素，使生成的原油含蜡量和凝固点较高。
我国原油含蜡量高于20%的约占总储量的70%。
综上所述，由于油藏地质条件复杂，原油物性差，我国石油资源的开采难度较大，水驱采收率较低。
1.6提高石油采收率的潜力
如前所述，我国油田大部分属于陆相沉积，与国外海相沉积相比，纵向上和平面上非均质性严重，油层悟性很差，原油悟性差（粘度高、含蜡高），水驱采收率偏低。
目前，全国已开发油田的平均采收率为32.2%，其中陆上东部油田的平均采收率较高，达到34.9%；而路上西部油田和近海油田的平均采收率只有24%左右，远低于国外海向沉积油田的水驱采收率。
如果不考虑大庆喇萨杏油田，东部其他已开发油田的平均采收率也只有27.6%。
这意味着水驱之后我国还有近百亿吨探明地质储量残留在地下，有待利用新的提高采收率技术进行开采。
这正是我国提高石油采收率的巨大资源潜力。
1.7我国提高采收率技术发展状况
国民经济高速发展对石油的迫切需求和油田提高采收率的巨大潜力，推动了我国提高石油采收率技术研究与应用的快速发展。
我国的提高采收率技术研究起始于20世纪60年代初，其发展高峰是80年代初。
1979年，石油工业部将提高采收率（三次采油）列为我国油田开发十大科学技术之一，并开始着手进行提高采收率技术调研，组织国际合作，引进先进技术，就此揭开我国提高采收率技术高速发展的序幕。
1982年，我国在对国外五个主要生产国十余种提高采收率技术总和分析的基础上，对23个主力油田进行了提高采收率技术筛选。
1984年我国开始与日、美、英、法等国在大庆、大港、玉门等油田进行聚合物驱和表面活性剂驱的技术合作。
由于我国油藏和原油的具体特点，油田混相压力较高，而且我国探明气源不足，不具备广泛实施混相驱的条件，所以选择化学驱作为我国提高采收率技术的主攻方向，并首先以聚合物驱作为重点。
在“八五”末期，我国就基本掌握了聚合物驱油技术。
“八五”末期，全国进行聚合物驱油矿场试验达到19个，并在6个大油区的25个油田开始推广应用，建成168
104t／a的原油生产能力。
“九五”开始，我国已将聚合物驱增产原油列入陆上原油生产计划，到“九五”末期，聚合物驱年增产原油700
104t／a。
目前，我国的聚合物驱规模超过1000
104t／a，成为世界上聚合物驱规模最大、增产效果最好的国家。
我国从“七五”开始进行表面活性剂驱油技术的研究。
在此基础上，于“八五”期间开展了复合驱油技术的研究。
由于复合驱油技术远比聚合物驱复杂得多，难度更大、风险更大，所以“八五”期间的研究侧重于应用基础，并开展了五个不同油区、不同类型复合驱油先导性矿场试验。
1993年，复合驱油技术在胜利油区孤东油田小井距试验区取得成功，在水驱采出程度已达到54%（属油田枯竭）的条件下，又提高采收率13.4%，使该试验区的原油总采收率达到67%。
我国以化学驱油技术为代表的提高采收率技术发展迅速，已成为我国陆上主力油田持续发展的重大战略接替技术。
目前，我国不论是在提高采收率技术的研究水平上，还是在提高采收率技术的应用规模、年增产原油量和技术的系统完善配套上，均属国际领先水平。
预计到2010年我国化学驱年总增油量将占全国陆上油田年产油量的15%左右，成为世界上提高采收率技术工业化程度最高的国家。
第2章油层的性质
提高石油采收率技术是一类在特定的油层物理和化学环境下，以油层中的剩余油和残余油为开采对象的强化采油技术。
因此，油层及其中流体（原油、水、气）的性质、原油在油层中的存在形式及其分布状态是提高采收率技术研究与应用的基础。
2.1油层的孔隙结构
2.1.1油层孔隙结构的基本特征
从研究流体在油层中运移规律的角度来看，孔隙结构主要是指油层基质（岩石）所具有的孔隙和喉道的几何形状、尺度、分布及其联通关系。
一般而言，油层的储集空间主要由孔隙决定，而喉道则是流体在油层中渗流能力的主控因素。
油层的孔隙和喉道是由矿物颗粒骨架构成。
由于成岩矿物颗粒的大小、形状和接触关系的复杂性，导致油层中孔隙和喉道的结构及其复杂。
另外，由于粘土矿物的存在，油层中的一些大孔隙被分割成小孔隙或微孔隙，有些孔隙还可能被粘土堵塞，致使油层中的孔隙结构更加复杂。
表征微观孔隙结构特征的参数有孔喉半径比、配位数、孔隙几何因子、微观均质系数、阈压、孔喉半径相对分选系数、喉道相对分选系数、面孔比、孔隙分布的分形维数等等。
下面介绍几种主要的孔隙结构特征及其表征方法。
（1）孔隙尺度及其分布
油层中孔隙大小具有随机分布特征，一般用孔隙半径中值（R50）来表征油层孔隙尺度的统计平均特性。
R50为毛管压力曲线（压汞曲线）上水银饱和度50%所对应的孔隙半径。
孔隙的分选性是指孔隙分布的均一程度，孔隙尺度越均匀，则其分选性越好。
表征孔隙分选性的参数为孔隙分选系数。
孔隙分布的歪度是表征孔隙尺度分布偏于粗孔隙还是偏于细孔隙。
偏于粗孔隙的称为粗歪度，偏于细孔隙的称为细歪度。
（2）孔喉比
孔喉比为孔喉与喉道的直径之比，可由岩样薄片统计求得。
（3）孔喉的连通性
孔隙间的连通性是孔喉结构的主要特征，以孔喉的配位数予以表征。
所谓配位数是指与特定的孔喉相连通的喉道数，可由铸模法对孔隙进行计算求得。
（4）孔隙通道的弯曲性
表征油层中孔隙通道的弯曲性的参数为迂曲度。
流体质点在油层孔隙中实际运移的距离l与其渗流的表观距离L之比称为迂曲度。
油层孔隙的迂曲度可用电阻率法直接测的。
（5）流体通道的非均匀性
在油层中，作为流体通道的孔隙和喉道网络，其尺度具有很强的非均质性。
并联流体通道之间尺度的差异称为孔隙并联非均质性；一条通道在流动方向上具有的尺度非均质性，如狭窄的喉道与孔隙交替排列，被称为孔隙串联非均质性。
孔隙的并联非均质性对无水采收率具有重要的影响；孔隙的联非均质性则是影响残余油饱和度的主要因素。
从微观上看，驱油剂在油层中的驱油过程实质上驱油剂与原油在孔隙中的物理化学作用过程。
孔隙结构不同，驱油剂和原油在其中所表现出的力学特性、运移特性以及可能存在的其他物理化学特性都不同。
因此，油层的孔隙结构是影响地层流体渗流特性和驱油效果的关键因素之一。
油层的孔隙结构不仅是油气层地质学的重要研究内容，而且是微观驱油机理研究的重要基础。
对于孔隙结构的认识深度，往往决定着对于驱油过程中物理和化学本质的认识深度。
2.1.2影响孔隙结构的主要因素
1）岩石颗粒尺度
假设油层由直径球形颗粒的立方堆积而成。
若球形颗粒的半径为r，其喉道半径R可以有下式计算：
（2-1）
由式（2-1）可以推断，构成油层的岩石颗粒尺度越大，其孔隙也越大。
油层中岩石颗粒尺度对孔隙数和孔隙表面积的影响非常大。
按球形颗粒菱面积的计算结果，直径小于2.5mm为颗粒直径对孔隙结构影响的敏感区。
大多数油层岩石颗粒的粒径都处于这一敏感区。
在此区域内，孔隙数和孔隙表面积随着颗粒直径的减小急剧增大。
在化学驱过程中，孔隙表面积增大，矿物颗粒对驱油剂中昂贵的化学组分（如聚合物、表面活性剂等）的吸附量急剧增大，这对于提高驱油效率是十分不利的。
2）颗粒的分选性
在相同颗粒中值条件下，颗粒尺度分选性越差（颗粒尺度非均匀性强），油层的孔隙越小。
这是由于分选差的碎屑岩中有很多细小的颗粒冲填在以大颗粒为骨架构成的孔隙中，使大孔隙变小，形状更加复杂，孔隙度降低，孔隙表面积增大。
3）粘土矿物
绝大部分砂岩孔隙中都存在粘土矿物。
根据粘土矿物的含量及其与颗粒、孔隙的关系，可将粘土在油层的状态分为分散装、膜状和桥塞状。
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