微波采油技术的应用

微波采油技术的应用

一、 微波采油机理加热作用

在微波场中所产生的热量大小与物质的种类及其电特性有关。微波对物质的介电热效应是通过离子迁移和极性分子的旋转使分子运动来实现的，即极性分子接受能量后，被作用的分子从相对静态瞬间转变为动态，通过分子偶极以数十亿次的高速旋转产生热效应。在波场变化时，偶极子不能完全恢复到它们的初始位置，表征为本身介电常数的减少和损耗因子的增大，这时能量将以热的形式耗散在材料中。由于瞬间变态是在被作用物质内部进行，故称为内加热（通过热传导和热对流过程加热称为外加热）。微波作为一种特殊形式的能量，在油气开发中的应用性研究已引起人们的重视。微波加热效率一般在微波段100MHz～10GHz 之间为最大。其强度取决于被作用物质的中子、原子、偶极子转向、界面极化等损耗因子值的总和的大小。

非电磁加热过程一般是从表面开始，通过传导、对流和辐射方式，把热从外部逐渐传至内部，这是一个相对漫长的过程。材料吸收微波能是内、外部与表面同时进行的，可以称此为体加热。因此，加热速度快，向外辐射和传导损失的热量也小。

微波加热与蒸汽加热相比还有一个很大的优点，即它可以使地层内的流体达到很高的温度，这为地下石油的干馏汽化开采提供了关键性条件。

造缝作用——微波采油技术是利用大功率微波源对地层辐射。石油储层是由不同的化学物质组成的，非均质性特点明显，化学成分复杂（由硅酸盐、一氧化硅、铝氧化物、长石、泥质等矿物质组成），储层中含有许多孔隙空间，其中包含有地层流体，主要为地层水和石油，而不同的化学成分对微波的吸收能力相差甚远，如水对微波的吸收能力为石英砂的数十倍。因此，在微波作用下各不同物质组分温度升高亦相差甚远，导致热膨胀系数大小相差很大，造成热膨胀、冷收缩不均匀，产生很大的热应力，致使岩石产生很多微裂缝。低渗油田中次生微裂缝的产生促使地层的渗透率提高，从而实现低渗油田的高渗开发。

西安石油学院金友煌等人和中科院电子所胡立铭等人将两块建立了束缚水的饱和原油的岩心加工成许多切片，做了两种对比试验。一是用2450MHz微波辐射，使其温度达到140℃后，对其表面进行电镜扫描拍片，并与微波辐射前的该表面电镜扫描拍片进行对比。二是用电阻丝恒温箱将岩心切片加热到约140℃后，对其表面进行电镜扫描，并与加热前的该表面的电镜扫描进行对比。拍出四组微波加热前后对比的照片。观察结果表明，在加热前切片中可观察到只有数条较为明显的晶间缝，用微波加热后明显的裂缝有数十条，一方面使原有裂缝变宽，同时又产生了新的裂缝，而在用恒温烘箱加热前后的切片对比观察中发现裂缝没有变化。

实验分析表明：地层岩心用微波处理能促使裂缝发育，提高地层的渗透率。微波采油技术应用于低渗油田开发可大幅度提高产量和采收率。

非热效应——微波加热地层后，由于温度升高，原油粘度显著下降，渗透阻力减小。同时，由于所使用的微波频率接近地层流体中极性分子的固有频率，极易引起强烈的共振，油品中的长链分子化合物、支链分子化合物、杂环化合物，以及一些胶质体和松散结构的结合断裂、裂解，使高粘重质油部分成为低粘轻质油，渗透率大为提高，改进指进现象，进一步提高了采收率和油井产量。同时，降低了凝固点，便于石油的开采和输送。研究结果表明：在原油中含有少量的胶质化合物将极大地影响其润湿性。微波的以上这些作用，可以将稠油变稀，少量胶质化合物的分裂将大大改进润湿性，提高流度，改进指进现象，从而提高采收率。

非热效应也可以从金友煌等人的试验中得到验证：

一、实验岩心物性参数：孔隙度Φ＝19．4％；饱和度Sw＝73.26％，So＝26.74％；
由实验结果可以看出，微波处理后渗透率显著提高，说明微波处理效果明显。

二、微波采油技术

微波采油用的微波系统可以分为两类：一类为器件与被加热物质分离，即器件置于地面，通过传输线把微波功率传人地下，再由辐射器（加热天线） 对油层进行加热。另一类是把微波管和辐射器置于井下储层部位，直接对储层作用。其最大优点是可以最大限度地利用热效率，因为这时所有的能量不论是器件本身的热损耗，还是微波的热辐射，不论是相干的辐射还是不相干的辐射，不论什么频率的辐射最终都变成含油岩层的热。

微波加热开采技术目前设计有三种方法。

1．作为地面井口锅炉——微波对由地面注入地层的水或水蒸气加热。此方法的优点是不用改变现有井筒。如果有小型的适合井下工作的大功率微波管，则一切设备和工艺都不变，只要增加大功率供电电缆即可。若把大功率微波管放在地面，把中间的油管用做微波传输管道，油就可从环空中抽出，所以要研制一种新型的环空泵。

2．作为井下锅炉——用微波对地下储层直接加热，使地层温度升高，其结构如图1 所示。根据美国的一项专利，在井周围的温度升高到425℃以上，即远远高出稠油的拐点温度时，用100kW功率，频率在0．01～2．00GHz甚至到30GHz变化，有效作用半径可达到12m。若井周围的温度只要求达到拐点温度时，则有效作用半径可远远大于12m。

3．多底井地层微波加热——微波能由竖井段向下传到多连通器中的功分器，并与开窗侧钻的水平井内的天线相连通。微波能由水平天线向地层辐射。在这种结构中，水平段有多远，水平天线就可伸到多远，有效采油半径就可达到多远。水平段实际是不水平的，而是在向外延伸时向上挠，以便在远处的原油受微波加热后渗入到“水平” 段，在重力作用下流入垂直段，再由装在垂直段内的环空泵将油举升到地面。这种结构的有效作用半径决定于开窗侧钻的水平井的个数和沿水平方向延伸的距离。

由以上所述可以看出，油层微波加热开采技术在开采工艺上存在着重重困难，有待于今后解决。

目前，国外在物理模拟和现场实验方面取得了较大的进展。但是对于地层高频电磁波加热采油一补充能量系统的数字模拟研究，基本上还处于刚刚起步阶段。为此，应把变频电磁场、温度场、流场、应力场及其破裂准则结合起来，解决微波加热开采技术中的各种难题，为稠油的微波开采最大限度地提高最终有效热利用率提供理论依据。

三、微波采油完井方法完井方法稠油产层一般胶结松散，在地层流体的冲刷下出砂严重。完井方法上必须考虑防砂的同时满足微波采油的特殊技术要求，主要考虑以下两种完井方法。

1．陶瓷材管完井方法——该方法采用特殊陶瓷村管，利用产层砂的自然成拱作用防砂，适用于不会严重出砂的稠油产层。

完井管柱结构为：悬挂封隔器＋伸缩接头＋盲管＋陶瓷村管＋陶瓷墙头。

这种方法的特点是结构简单，施工方便，防砂能力较差。

2．陶瓷筛管筒化砾石充填完井法——砾石充填完井能有效保护产层和防砂，防砂期一般可长达10～15年，是目前最为有效的防砂工艺。使用陶瓷筛管砾石充填完井时，工艺上适宜采用简化砾石充填完井法。

完井管柱结构为：悬挂封隔器＋伸缩接头＋盲管＋陶瓷筛管＋陶瓷墙头。

这种方法的特点是管柱结构简单，施工方便，能有效防砂。

稠油微波开采时，从工艺上不会对地层出砂产生激励作用，特别是微波中温或高温开采时在近井地带还将伴随有一定程度的焦化作用，预期地层出砂不会很严重。

当然，该方法有待实践检验，尚需进一步进行实验模拟研究和相应现场验证。微波采油井套管柱设计和固井设计。微波采油是在井下直接加热产层，中温和高温开采时还考虑使用隔热套管短节和少量具备伸缩性的套管柱，所以上部套管柱受到温度的影响很小。设计中主要考虑温度对产层附近套管柱的影响。为保证高温下套管一井眼环空的有效密封性，同时需要进行特殊的固井设计。

1．微波低温开采　　低温开采时对于套管柱设计和固井的技术要求与常规蒸汽热采相同。下部套管柱要尽可能采用高强套管。固井水泥中需添加耐热稳定剂、绝热添加剂、粘结添加剂。

2．微波中温、高温开采　　在微波中温、高温开采时，地层加热温度在400℃以上。为防止热应力损坏套管，破坏套管柱与地层的密封，必须采取特殊措施。

（1）用特种耐高温水泥固井。

（2）完井管柱中盲管、悬挂封隔器、伸缩接头采用特种耐高温金属材料。

（3） 套管下部采用具有隔热作用的陶瓷套管短节，以防止套管柱产生高温热应力损坏；隔热陶瓷套管短节上加接具有良好伸缩性的玻璃纤维套管1—2根，进一步防止可能产生的套管变形。

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