非水溶性超分散納米催化劑在多孔介質中的運移機理研究

盧寧，趙法軍

（東北石油大學 提高油氣采收率教育部重點實驗室，黑龍江 大慶 163318）

非水溶性超分散納米催化劑在多孔介質中的運移機理研究

盧寧，趙法軍

（東北石油大學 提高油氣采收率教育部重點實驗室，黑龍江 大慶 163318）

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

稠油；超分散催化劑；納米粒子；運移；多孔介質

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，除非勘探開發新的大油田或現有強化采油技術獲得突破性進展，世界原油可采儲量將不可避免地減少。在經過上個世紀的大規模開發后，常規原油可采儲量事實上已增長乏力[1]；與此同時，非常規原油以其豐富的儲量逐步吸引了國內外石油工業的注意，發展非常規原油的開采技術已成為保證能源安全的重要保障[2]。

據1982年UNITAR第二屆國際重質油和瀝青砂學術會議[3]對非常規油的定義，非常規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，非常規原油，特別是瀝青、稠油和超稠油，相比常規原油，具有粘度高、密度大、流動性差等特點。因此，此類油藏不能使用傳統砂巖油藏的開發方式。稠油開發的核心問題是如何有效地降低原油的粘度，改善其在地層內的流動能力。

目前，世界范圍內開發稠油的主要工藝為熱法采油，即蒸汽吞吐（CSS），蒸汽驅（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，而且為達到集輸要求，部分產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成本。此外，隨著國內環保政策的不斷收緊，此類工藝較高的排放和碳足跡也成為限制其應用的瓶頸。因此，尋找一種更加經濟、高效的開采稠油工藝顯得尤為必要。

所謂原位改質技術，是指將地表的“精煉廠”概念引入地下，將熱處理、化學處理、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合化學處理過程[5]：通過注入井向地層注入促改質熱流體，使注入液在地層內與稠油發生物理、化學反應，將稠油中的重質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特性。由于改質過程主要發生在地下，反應產物中除有用產物外，無用產物及雜質基本滯留于地層中，碳足跡和排放較低，節能環保，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活化能，使用催化劑可以通過影響反應過程中節點的反應機制而控制反應速度。隨著納米技術的不斷發展，在油田生產實踐中，人們將超分散納米催化劑應用于原位改質過程，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。在儲層內，粒子可以順利運移，在儲層內分散度好，通過儲層喉道時不堵塞毛孔?？梢灶A期，在原位改質工藝中應用超分散粒子可改善原油流動性，使之變得較易流動，從而獲得較高的采收率。

2 水溶性超分散納米粒子運移的機理

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

因此，假定多孔介質（地層孔道）由單一球形顆粒組成。假設它不受相鄰顆粒的影響，并且在懸浮液中保持相對穩定，且流體的流動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）以衡量各因素對運移的影響效果。

2.1 慣性引起顆粒運移

懸浮的納米粒子在沿流線流動過程中可能會與聚集器壁接觸。當主流線接近器壁時，將發生彎曲而繞過阻礙。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，結果導致粒子發生沉積。

Ives[7]和 Bémera等[8]報道稱，慣性效應可由無量綱Stokes數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

實際上，Stokes數是流體中顆粒運動方程表征慣性力這一項的系數[9]。Tien指出，Stokes數存在一個臨界值，當低于此值時，慣性作用引起的顆粒沉積的效果可以忽略。此外，Ives發現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算慣性作用聚集效率的經驗表達式：

其中：β = 0.245 3（Nst-1.213 0）0.955

2.2 捕獲引起顆粒運移

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粒子半徑時，粒子將與表面接觸。這一粒子運移機理在微粒粒度較大時，影響較大。

單球體模型可以用來計算捕獲作用的聚集效率。

Rajagopalan等[11]利用Happel模型[12]，根據軌跡分析學描述微粒介質，得到以下公式：

其中：As為無量綱參數，表示流動模型特征。

2.3 沉降引起顆粒運移

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∞為聚集器遠端微粒濃度。

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

2.4 布朗運動引起微粒運移

布朗擴散運動是介質（無靜電力時）懸浮粒子發生沉積的主要因素。

沒有表面相互作用力時，微粒在顆粒介質中的沉積可以認為是純粹的質量轉移過程。當用I表示流體中某一顆粒的質量沉積速度時，則 Sherwood數Nsh表達式為：

其中：dg為球型聚集器的直徑；

對單球體模型，由于布朗運動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。

由于布朗微粒運移為傳質過程，I=Ip，D=DBM。

并定義

比較（6）（7），則聚集效率：

Ives[7]發現布朗運動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，因此這種機理總體作用較弱。

2.5 水動力作用與變形作用引起微粒運移

流體在多孔介質孔隙中流動為層流流動。清潔流體流經多孔介質形成的著名Kozeny-Carman模型[15]也是根據這種相似點建立的。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。

速度梯度會在孔隙中形成一剪切力場。在均勻剪切場中，球形顆粒會發生旋轉，在水動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，微粒在進入剪切場后，會受到類似效應發生偏轉，受制于剪切場的非均質性，但其運移方式則不可預測。此外，如果微粒為非球形，或者微粒的形狀隨濃度的改變發生變形，它將會受到不平衡力的作用而斜穿流線，使得其運移機理難以預測。

總之，由于孔隙空間的復雜性，如擴徑、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，微粒會呈現出明顯地隨機、振蕩運動穿過流線，導致它們與聚集器表面碰撞。

較大懸浮粒子流向多孔介質會導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，還可形成較厚的餅狀沉積。此時，大量微?？赏瑫r到達孔隙開口處，并依靠橋拱作用形成砂堵[16]。

3 結 論

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

（2）計算聚集效率η，可以定量分析各因素對粒子運移的影響。

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

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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課題“稠油火驅提高采收率技術”(2016ZX05055-006);

十三五國家重大專項課題“稠油多介質蒸汽驅技術研究與應用”( 2016ZX05012-001);

黑龍江省自然科學基金“火燒油層供氫催化裂解改質稠油內在反應機理研究”(E2015036)。

2017-07-13

盧寧（1996-），男，東北石油大學石油工程學院。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。