非水溶性超分散納米催化劑在多孔介質(zhì)中的運(yùn)移機(jī)理研究

盧寧，趙法軍

（東北石油大學(xué) 提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318）

非水溶性超分散納米催化劑在多孔介質(zhì)中的運(yùn)移機(jī)理研究

盧寧，趙法軍

（東北石油大學(xué) 提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318）

隨著原位改質(zhì)熱采稠油工藝的不斷發(fā)展，水溶性超分散納米催化劑作為丸粒狀催化劑的替代者，具有良好的應(yīng)用前景。為評價(jià)注入的納米催化劑在地層中的效用，需要研究其在地層內(nèi)的運(yùn)移機(jī)理。以單球型聚集器作為地層（即多孔介質(zhì)）的假想模型，定義并計(jì)算聚集效率η以定量分析各因素對粒子運(yùn)移的影響，從五個(gè)方面對影響納米粒子在聚集器內(nèi)的因素進(jìn)行了綜述分析。研究發(fā)現(xiàn)，捕獲作用、水動(dòng)力作用對粒子運(yùn)移的影響較大。此外，注入納米粒子濃度較高時(shí)，變形作用的影響也應(yīng)予以關(guān)注。

稠油；超分散催化劑；納米粒子；運(yùn)移；多孔介質(zhì)

Abstract:With the continuous development of in situ upgrade heavy oil thermal recovery process, non-aqueous nano-dispersed catalyst, as an alternative to pellet catalyst, shows good prospects for application. In order to evaluate the effectiveness of the injected nano-catalyst in formation, it is necessary to investigate its migration mechanism in the formation. In this paper, taking a single spherical collector as formation model, collection efficiency (η) was defined and calculated to show the effect of each transport mechanism on particle migration process. By calculating the aggregation efficiency, influence factors were quantitatively analyzed from five aspects. The result shows that interception effect and hydrodynamic action have great influence on particle migration. In addition, the effect of straining should be paid attention to when the concentration of injected nanoparticles is higher.

Key words:Heavy oil; Nano-dispersed catalyst; Nanoparticle; Transport; Porous media

1 引 言

石油是世界上重要的不可再生能源之一。隨著世界能源需求的快速增長，除非勘探開發(fā)新的大油田或現(xiàn)有強(qiáng)化采油技術(shù)獲得突破性進(jìn)展，世界原油可采儲(chǔ)量將不可避免地減少。在經(jīng)過上個(gè)世紀(jì)的大規(guī)模開發(fā)后，常規(guī)原油可采儲(chǔ)量事實(shí)上已增長乏力[1]；與此同時(shí)，非常規(guī)原油以其豐富的儲(chǔ)量逐步吸引了國內(nèi)外石油工業(yè)的注意，發(fā)展非常規(guī)原油的開采技術(shù)已成為保證能源安全的重要保障[2]。

據(jù)1982年UNITAR第二屆國際重質(zhì)油和瀝青砂學(xué)術(shù)會(huì)議[3]對非常規(guī)油的定義，非常規(guī)原油是指地層溫度下脫氣原油粘度大于 100 mPa·s，API°≤20的原油。一般來說，非常規(guī)原油，特別是瀝青、稠油和超稠油，相比常規(guī)原油，具有粘度高、密度大、流動(dòng)性差等特點(diǎn)。因此，此類油藏不能使用傳統(tǒng)砂巖油藏的開發(fā)方式。稠油開發(fā)的核心問題是如何有效地降低原油的粘度，改善其在地層內(nèi)的流動(dòng)能力。

目前，世界范圍內(nèi)開發(fā)稠油的主要工藝為熱法采油，即蒸汽吞吐（CSS），蒸汽驅(qū)（SF），蒸汽輔助重力泄油（SAGD），火燒油層（ISC）等。SAGD法的采收率一般為 50%，而 CSS法的采收率在10%～40%[4]。然而，此類工藝面臨的最大問題是需要消耗額外的能源以開采稠油，而且為達(dá)到集輸要求，部分產(chǎn)物可能還需添加柴油等稀釋劑，從而不可避免地增加了原油的生產(chǎn)成本。此外，隨著國內(nèi)環(huán)保政策的不斷收緊，此類工藝較高的排放和碳足跡也成為限制其應(yīng)用的瓶頸。因此，尋找一種更加經(jīng)濟(jì)、高效的開采稠油工藝顯得尤為必要。

所謂原位改質(zhì)技術(shù)，是指將地表的“精煉廠”概念引入地下，將熱處理、化學(xué)處理、地表煉制處理集合為一體的，基于加熱的非地表催化處理的復(fù)合化學(xué)處理過程[5]：通過注入井向地層注入促改質(zhì)熱流體，使注入液在地層內(nèi)與稠油發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)，將稠油中的重質(zhì)組分裂解成較輕的組分，并使輕組分氣化，從而改善稠油的流動(dòng)特性。由于改質(zhì)過程主要發(fā)生在地下，反應(yīng)產(chǎn)物中除有用產(chǎn)物外，無用產(chǎn)物及雜質(zhì)基本滯留于地層中，碳足跡和排放較低，節(jié)能環(huán)保，因而成為近年來稠油熱采工藝的研究熱門。

眾所周知，催化劑可大幅度地降低反應(yīng)活化能，使用催化劑可以通過影響反應(yīng)過程中節(jié)點(diǎn)的反應(yīng)機(jī)制而控制反應(yīng)速度。隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展，在油田生產(chǎn)實(shí)踐中，人們將超分散納米催化劑應(yīng)用于原位改質(zhì)過程，以改善丸粒狀催化劑的不足[6]。

水溶性超分散納米粒子催化劑相比丸粒狀催化劑，具有比表面積大，活性高，可溶于注入流體而深入油層深部等特點(diǎn)。在儲(chǔ)層內(nèi)，粒子可以順利運(yùn)移，在儲(chǔ)層內(nèi)分散度好，通過儲(chǔ)層喉道時(shí)不堵塞毛孔?？梢灶A(yù)期，在原位改質(zhì)工藝中應(yīng)用超分散粒子可改善原油流動(dòng)性，使之變得較易流動(dòng)，從而獲得較高的采收率。

2 水溶性超分散納米粒子運(yùn)移的機(jī)理

納米粒子在地層中，運(yùn)移受巖石物性、流體特性、流體濃度等多種因素影響。為便于研究，我們將各因素獨(dú)立出來進(jìn)行分析，從而較好地理解其中的運(yùn)移機(jī)理。

因此，假定多孔介質(zhì)（地層孔道）由單一球形顆粒組成。假設(shè)它不受相鄰顆粒的影響，并且在懸浮液中保持相對穩(wěn)定，且流體的流動(dòng)方向沿主軸流線方向。將這樣的模型稱為單球型聚集器（圖1）。

并定義聚集效率（η）以衡量各因素對運(yùn)移的影響效果。

2.1 慣性引起顆粒運(yùn)移

懸浮的納米粒子在沿流線流動(dòng)過程中可能會(huì)與聚集器壁接觸。當(dāng)主流線接近器壁時(shí)，將發(fā)生彎曲而繞過阻礙。然而，若顆粒有足夠慣性，它們將偏離流線軌跡而“沖向”器壁表面，結(jié)果導(dǎo)致粒子發(fā)生沉積。

Ives[7]和 Bémera等[8]報(bào)道稱，慣性效應(yīng)可由無量綱Stokes數(shù)Nst描述：

其中：ap為顆粒半徑；

ρp與μ是粒子的密度和流體粘度；

ac為聚集器半徑。

圖1 單球型聚集器、慣性碰撞和捕獲作用示意圖Fig.1 The diagram of single spherical collector, inertia impaction and interception effect

實(shí)際上，Stokes數(shù)是流體中顆粒運(yùn)動(dòng)方程表征慣性力這一項(xiàng)的系數(shù)[9]。Tien指出，Stokes數(shù)存在一個(gè)臨界值，當(dāng)?shù)陀诖酥禃r(shí)，慣性作用引起的顆粒沉積的效果可以忽略。此外，Ives發(fā)現(xiàn)慣性作用對水性懸浮液影響不大，而對氣體影響較大。Beizaie[10]給出了適用于單球體模型聚集器計(jì)算慣性作用聚集效率的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式：

其中：β = 0.245 3（Nst-1.213 0）0.955

2.2 捕獲引起顆粒運(yùn)移

如果納米粒子停留在器壁表面附近，且與表面相距不足一個(gè)粒子半徑時(shí)，粒子將與表面接觸。這一粒子運(yùn)移機(jī)理在微粒粒度較大時(shí)，影響較大。

單球體模型可以用來計(jì)算捕獲作用的聚集效率。

Rajagopalan等[11]利用Happel模型[12]，根據(jù)軌跡分析學(xué)描述微粒介質(zhì)，得到以下公式：

其中：As為無量綱參數(shù)，表示流動(dòng)模型特征。

2.3 沉降引起顆粒運(yùn)移

若粒子密度明顯大于流體密度，它們將在重力方向上相對于流體具有一定的速度，從而使粒子在垂向偏離流線，從而形成沉淀。

稀釋懸浮液中小顆粒沉降速度Vt可以近似用Stokes定律描述：

對單球體模型，由于沉降作用引起的聚集效率可由下式[13]給出：

其中：U∞為趨近聚集器的特征速度；

C∞為聚集器遠(yuǎn)端微粒濃度。

根據(jù)公式可知， (ηs)G可以由重力參數(shù)NG給出，有人[7,8,10,14]指出(ηs)G值在大多數(shù)條件下相對較小。

2.4 布朗運(yùn)動(dòng)引起微粒運(yùn)移

布朗擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是介質(zhì)（無靜電力時(shí)）懸浮粒子發(fā)生沉積的主要因素。

沒有表面相互作用力時(shí)，微粒在顆粒介質(zhì)中的沉積可以認(rèn)為是純粹的質(zhì)量轉(zhuǎn)移過程。當(dāng)用I表示流體中某一顆粒的質(zhì)量沉積速度時(shí)，則 Sherwood數(shù)Nsh表達(dá)式為：

其中：dg為球型聚集器的直徑；

對單球體模型，由于布朗運(yùn)動(dòng)作用引起的聚集效率可由下式給出：

對于球型聚集器，

其中：Ip為微粒在聚集器顆粒上的沉積速率。

由于布朗微粒運(yùn)移為傳質(zhì)過程，I=Ip，D=DBM。

并定義

比較（6）（7），則聚集效率：

Ives[7]發(fā)現(xiàn)布朗運(yùn)動(dòng)對亞微米級粒子在聚集器中的聚集過程影響較大，但對于直徑大于1μm的微粒，由于粘滯阻力的限制，粒子平均自由程至多是粒子直徑的1或2倍，因此這種機(jī)理總體作用較弱。

2.5 水動(dòng)力作用與變形作用引起微粒運(yùn)移

流體在多孔介質(zhì)孔隙中流動(dòng)為層流流動(dòng)。清潔流體流經(jīng)多孔介質(zhì)形成的著名Kozeny-Carman模型[15]也是根據(jù)這種相似點(diǎn)建立的。這說明每一孔隙均有其速度梯度，顆粒表面邊界處速度為 0，孔隙中心附近速度最大。

速度梯度會(huì)在孔隙中形成一剪切力場。在均勻剪切場中，球形顆粒會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，在水動(dòng)力的作用下橫穿出剪切場。然而，在聚集器孔隙中，這種剪切場是不均勻的。因此，微粒在進(jìn)入剪切場后，會(huì)受到類似效應(yīng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，受制于剪切場的非均質(zhì)性，但其運(yùn)移方式則不可預(yù)測。此外，如果微粒為非球形，或者微粒的形狀隨濃度的改變發(fā)生變形，它將會(huì)受到不平衡力的作用而斜穿流線，使得其運(yùn)移機(jī)理難以預(yù)測。

總之，由于孔隙空間的復(fù)雜性，如擴(kuò)徑、縮徑等的存在，以及粒子自身的變形等因素的影響，速度分布不可能具有泊肅葉流的幾何拋物面形。因此，微粒會(huì)呈現(xiàn)出明顯地隨機(jī)、振蕩運(yùn)動(dòng)穿過流線，導(dǎo)致它們與聚集器表面碰撞。

較大懸浮粒子流向多孔介質(zhì)會(huì)導(dǎo)致器壁表面流線變形。粒子將在表面附近形成一層薄膜，繼而迅速堵塞聚集器喉道。微粒濃度過高時(shí)，還可形成較厚的餅狀沉積。此時(shí)，大量微粒可同時(shí)到達(dá)孔隙開口處，并依靠橋拱作用形成砂堵[16]。

3 結(jié) 論

（1）采用單球型聚集器作為地層（即多孔介質(zhì)）的假想模型，可對納米粒子在多孔介質(zhì)中的運(yùn)移機(jī)理進(jìn)行分析。

（2）計(jì)算聚集效率η，可以定量分析各因素對粒子運(yùn)移的影響。

（3）捕獲作用、水動(dòng)力作用對納米粒子的運(yùn)移影響較大。當(dāng)注入粒子濃度較高時(shí)，變形作用可通過形成砂堵顯著影響粒子運(yùn)移。

［1］秦大海. 稠油開采工藝技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量, 2017, 37(6): 101-102.

［2］石巖松, 趙法軍. 應(yīng)用于稠油降粘改質(zhì)中的超分散納米催化劑的研究進(jìn)展與前景展望[J]. 當(dāng)代化工, 2015, 44(12): 2805-2806.

［3］王君, 范毅. 稠油油藏的開采技術(shù)和方法[J]. 西部探礦工程, 2006,18(7): 84.

［4］A Xu, L,Mu, Z Fan, X Wu, L Zhao. Mechanism of heavy oil recovery by cyclic superheated steam stimulation[J]. Journal of Petroleum Science & Engineering, 2013, 11(21): 197-207.

［5］In-Situ Heavy Oil Upgrading through Ultra-Dispersed Nano-Catalyst Injection in Naturally Fractured Reservoirs: Experimental Section[C]. SPE.EAGE: 2016(1-2).

［6］Abarasi Hart, Charlotte Lewis, Thomas White, Malcolm Greaves,Joseph Wood. Effect of cyclohexane as hydrogen-donor in ultradispersed catalytic upgrading of heavy oil [J]. Esevier, 2015(138): 724-729.

［7］Ives, K.J., Pre-Filtration of Very Highly Turbid Waters Using Pebble Matrix Filtration [J]. Water Res., 1970, 4(3): 201.

［8］D. Bémera, I.Subraa, Y. Morelea, A. Charvetb, D. Thomasb.Experimental study of granular bed filtration of ultrafine particles

［9］Davies, C.N. Definitive equations for the fluid resistance of spheres [J].Proceedings of the Physical Society: 2002, 57(4): 259.

［10］Beizaie, M. Deposition of Particles on a Single Collector[D].Syracuse University, Syracuse, NY, 1977: 55.

［11］Rajagopalan, R., Tien, C. Application of porous media models to the study of deep bed filtration [J]. Canadian Journal of Chemical Engineering, 2010, 52(6): 723-731.

［12］Happel, J. Slow viscous flow past a sphere in a cylindrical tube [J].Journal of Fluid Mechanics, 2006, 4(2): 195-213.

［13］son, C.R. , Ives, K.J. Removal Mechanisms in Deep Bed Filtration[J].Chem. Eng.Sci., 1969, 24: 717.

［14］Yao, K.M., Habibian, M.T., O’Melia, C.R. Water and Wastewater Filtration: Conceptsand Applications[J]. Environ. Sci. Technol.,1971, 5(11): 1105.

［15］Civan, F. Reservoir Formation Damage: Fundamentals, Modeling,Assessment, and Migration[J]. Gulf Publication Company, Houston,TX, 2000-12.

［16］McDowell-Boyer, L.M., Hunt, J.R., Sitar N. Particle Transport Through PorousMedia[J]. Water Resources Research, 1986, 22(13):1901-1921.

Research on Transport of Non-Aqueous Nano-Dispersed Catalyst Suspensions in Porous Media

LU Ning,ZHAO Fa-jun

（Key Laboratory of Enhanced Oil Recovery of Ministry of Education, Northeast Petroleum University，Heilongjiang Daqing 163318，China）

TE 624.9

A

1671-0460（2017）09-1741-04

十三五國家重大專項(xiàng)課題“稠油火驅(qū)提高采收率技術(shù)”(2016ZX05055-006);

十三五國家重大專項(xiàng)課題“稠油多介質(zhì)蒸汽驅(qū)技術(shù)研究與應(yīng)用”( 2016ZX05012-001);

黑龍江省自然科學(xué)基金“火燒油層供氫催化裂解改質(zhì)稠油內(nèi)在反應(yīng)機(jī)理研究”(E2015036)。

2017-07-13

盧寧（1996-），男，東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院。E-mail：luning96@foxmail.com。

趙法軍（1974-），男，副教授，博士后，研究方向：稠油熱采。E-mail：fajzhao@126.com。