微波采油技術(shù)的應用

微波采油技術(shù)的應用

一、 微波采油機理加熱作用

在微波場(chǎng)中所產(chǎn)生的熱量大小與物質(zhì)的種類(lèi)及其電特性有關(guān)。微波對物質(zhì)的介電熱效應是通過(guò)離子遷移和極性分子的旋轉使分子運動(dòng)來(lái)實(shí)現的，即極性分子接受能量后，被作用的分子從相對靜態(tài)瞬間轉變?yōu)閯?dòng)態(tài)，通過(guò)分子偶極以數十億次的高速旋轉產(chǎn)生熱效應。在波場(chǎng)變化時(shí)，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(shí)能量將以熱的形式耗散在材料中。由于瞬間變態(tài)是在被作用物質(zhì)內部進(jìn)行，故稱(chēng)為內加熱（通過(guò)熱傳導和熱對流過(guò)程加熱稱(chēng)為外加熱）。微波作為一種特殊形式的能量，在油氣開(kāi)發(fā)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(zhì)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(guò)程一般是從表面開(kāi)始，通過(guò)傳導、對流和輻射方式，把熱從外部逐漸傳至內部，這是一個(gè)相對漫長(cháng)的過(guò)程。材料吸收微波能是內、外部與表面同時(shí)進(jìn)行的，可以稱(chēng)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(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)，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(kāi)采提供了關(guān)鍵性條件。

造縫作用——微波采油技術(shù)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(xué)物質(zhì)組成的，非均質(zhì)性特點(diǎn)明顯，化學(xué)成分復雜（由硅酸鹽、一氧化硅、鋁氧化物、長(cháng)石、泥質(zhì)等礦物質(zhì)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(xué)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(zhì)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(chǎn)生很大的熱應力，致使巖石產(chǎn)生很多微裂縫。低滲油田中次生微裂縫的產(chǎn)生促使地層的滲透率提高，從而實(shí)現低滲油田的高滲開(kāi)發(fā)。

西安石油學(xué)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行電鏡掃描，并與加熱前的該表面的電鏡掃描進(jìn)行對比。拍出四組微波加熱前后對比的照片。觀(guān)察結果表明，在加熱前切片中可觀(guān)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(shí)又產(chǎn)生了新的裂縫，而在用恒溫烘箱加熱前后的切片對比觀(guān)察中發(fā)現裂縫沒(méi)有變化。

實(shí)驗分析表明：地層巖心用微波處理能促使裂縫發(fā)育，提高地層的滲透率。微波采油技術(shù)應用于低滲油田開(kāi)發(fā)可大幅度提高產(chǎn)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(zhù)下降，滲透阻力減小。同時(shí)，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(cháng)鏈分子化合物、支鏈分子化合物、雜環(huán)化合物，以及一些膠質(zhì)體和松散結構的結合斷裂、裂解，使高粘重質(zhì)油部分成為低粘輕質(zhì)油，滲透率大為提高，改進(jìn)指進(jìn)現象，進(jìn)一步提高了采收率和油井產(chǎn)量。同時(shí)，降低了凝固點(diǎn)，便于石油的開(kāi)采和輸送。研究結果表明：在原油中含有少量的膠質(zhì)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(zhì)化合物的分裂將大大改進(jìn)潤濕性，提高流度，改進(jìn)指進(jìn)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(shí)驗巖心物性參數：孔隙度Φ＝19．4％；飽和度Sw＝73.26％，So＝26.74％；
由實(shí)驗結果可以看出，微波處理后滲透率顯著(zhù)提高，說(shuō)明微波處理效果明顯。

二、微波采油技術(shù)

微波采油用的微波系統可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)為器件與被加熱物質(zhì)分離，即器件置于地面，通過(guò)傳輸線(xiàn)把微波功率傳人地下，再由輻射器（加熱天線(xiàn)） 對油層進(jìn)行加熱。另一類(lèi)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(yōu)點(diǎn)是可以最大限度地利用熱效率，因為這時(shí)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(kāi)采技術(shù)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(yōu)點(diǎn)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(huán)空中抽出，所以要研制一種新型的環(huán)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(zhuān)利，在井周?chē)臏囟壬叩?25℃以上，即遠遠高出稠油的拐點(diǎn)溫度時(shí)，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?chē)臏囟戎灰筮_到拐點(diǎn)溫度時(shí)，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(kāi)窗側鉆的水平井內的天線(xiàn)相連通。微波能由水平天線(xiàn)向地層輻射。在這種結構中，水平段有多遠，水平天線(xiàn)就可伸到多遠，有效采油半徑就可達到多遠。水平段實(shí)際是不水平的，而是在向外延伸時(shí)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(huán)空泵將油舉升到地面。這種結構的有效作用半徑?jīng)Q定于開(kāi)窗側鉆的水平井的個(gè)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(kāi)采技術(shù)在開(kāi)采工藝上存在著(zhù)重重困難，有待于今后解決。

目前，國外在物理模擬和現場(chǎng)實(shí)驗方面取得了較大的進(jìn)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(chǎng)、溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、應力場(chǎng)及其破裂準則結合起來(lái)，解決微波加熱開(kāi)采技術(shù)中的各種難題，為稠油的微波開(kāi)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(chǎn)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(shí)滿(mǎn)足微波采油的特殊技術(shù)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(chǎn)層砂的自然成拱作用防砂，適用于不會(huì )嚴重出砂的稠油產(chǎn)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(diǎn)是結構簡(jiǎn)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(chǎn)層和防砂，防砂期一般可長(cháng)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(shí)，工藝上適宜采用簡(jiǎn)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(diǎn)是管柱結構簡(jiǎn)單，施工方便，能有效防砂。

稠油微波開(kāi)采時(shí)，從工藝上不會(huì )對地層出砂產(chǎn)生激勵作用，特別是微波中溫或高溫開(kāi)采時(shí)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(huì )很?chē)乐亍?/p>

當然，該方法有待實(shí)踐檢驗，尚需進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗模擬研究和相應現場(chǎng)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(chǎn)層，中溫和高溫開(kāi)采時(shí)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(chǎn)層附近套管柱的影響。為保證高溫下套管一井眼環(huán)空的有效密封性，同時(shí)需要進(jìn)行特殊的固井設計。

1．微波低溫開(kāi)采　　低溫開(kāi)采時(shí)對于套管柱設計和固井的技術(shù)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(kāi)采　　在微波中溫、高溫開(kāi)采時(shí)，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(chǎn)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(jìn)一步防止可能產(chǎn)生的套管變形。

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