非水溶性超分散纳米催化剂在多孔介质中的运移机理研究

卢宁，赵法军

（东北石油大学 提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江 大庆 163318）

非水溶性超分散纳米催化剂在多孔介质中的运移机理研究

卢宁，赵法军

（东北石油大学 提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江 大庆 163318）

随着原位改质热采稠油工艺的不断发展，水溶性超分散纳米催化剂作为丸粒状催化剂的替代者，具有良好的应用前景。为评价注入的纳米催化剂在地层中的效用，需要研究其在地层内的运移机理。以单球型聚集器作为地层（即多孔介质）的假想模型，定义并计算聚集效率η以定量分析各因素对粒子运移的影响，从五个方面对影响纳米粒子在聚集器内的因素进行了综述分析。研究发现，捕获作用、水动力作用对粒子运移的影响较大。此外，注入纳米粒子浓度较高时，变形作用的影响也应予以关注。

稠油；超分散催化剂；纳米粒子；运移；多孔介质

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。随着世界能源需求的快速增长，除非勘探开发新的大油田或现有强化采油技术获得突破性进展，世界原油可采储量将不可避免地减少。在经过上个世纪的大规模开发后，常规原油可采储量事实上已增长乏力[1]；与此同时，非常规原油以其丰富的储量逐步吸引了国内外石油工业的注意，发展非常规原油的开采技术已成为保证能源安全的重要保障[2]。

据1982年UNITAR第二届国际重质油和沥青砂学术会议[3]对非常规油的定义，非常规原油是指地层温度下脱气原油粘度大于 100 mPa·s，API°≤20的原油。一般来说，非常规原油，特别是沥青、稠油和超稠油，相比常规原油，具有粘度高、密度大、流动性差等特点。因此，此类油藏不能使用传统砂岩油藏的开发方式。稠油开发的核心问题是如何有效地降低原油的粘度，改善其在地层内的流动能力。

目前，世界范围内开发稠油的主要工艺为热法采油，即蒸汽吞吐（CSS），蒸汽驱（SF），蒸汽辅助重力泄油（SAGD），火烧油层（ISC）等。SAGD法的采收率一般为 50%，而 CSS法的采收率在10%～40%[4]。然而，此类工艺面临的最大问题是需要消耗额外的能源以开采稠油，而且为达到集输要求，部分产物可能还需添加柴油等稀释剂，从而不可避免地增加了原油的生产成本。此外，随着国内环保政策的不断收紧，此类工艺较高的排放和碳足迹也成为限制其应用的瓶颈。因此，寻找一种更加经济、高效的开采稠油工艺显得尤为必要。

所谓原位改质技术，是指将地表的“精炼厂”概念引入地下，将热处理、化学处理、地表炼制处理集合为一体的，基于加热的非地表催化处理的复合化学处理过程[5]：通过注入井向地层注入促改质热流体，使注入液在地层内与稠油发生物理、化学反应，将稠油中的重质组分裂解成较轻的组分，并使轻组分气化，从而改善稠油的流动特性。由于改质过程主要发生在地下，反应产物中除有用产物外，无用产物及杂质基本滞留于地层中，碳足迹和排放较低，节能环保，因而成为近年来稠油热采工艺的研究热门。

众所周知，催化剂可大幅度地降低反应活化能，使用催化剂可以通过影响反应过程中节点的反应机制而控制反应速度。随着纳米技术的不断发展，在油田生产实践中，人们将超分散纳米催化剂应用于原位改质过程，以改善丸粒状催化剂的不足[6]。

水溶性超分散纳米粒子催化剂相比丸粒状催化剂，具有比表面积大，活性高，可溶于注入流体而深入油层深部等特点。在储层内，粒子可以顺利运移，在储层内分散度好，通过储层喉道时不堵塞毛孔。可以预期，在原位改质工艺中应用超分散粒子可改善原油流动性，使之变得较易流动，从而获得较高的采收率。

2 水溶性超分散纳米粒子运移的机理

纳米粒子在地层中，运移受岩石物性、流体特性、流体浓度等多种因素影响。为便于研究，我们将各因素独立出来进行分析，从而较好地理解其中的运移机理。

因此，假定多孔介质（地层孔道）由单一球形颗粒组成。假设它不受相邻颗粒的影响，并且在悬浮液中保持相对稳定，且流体的流动方向沿主轴流线方向。将这样的模型称为单球型聚集器（图1）。

并定义聚集效率（η）以衡量各因素对运移的影响效果。

2.1 惯性引起颗粒运移

悬浮的纳米粒子在沿流线流动过程中可能会与聚集器壁接触。当主流线接近器壁时，将发生弯曲而绕过阻碍。然而，若颗粒有足够惯性，它们将偏离流线轨迹而“冲向”器壁表面，结果导致粒子发生沉积。

Ives[7]和 Bémera等[8]报道称，惯性效应可由无量纲Stokes数Nst描述：

其中：ap为颗粒半径；

ρp与μ是粒子的密度和流体粘度；

ac为聚集器半径。

图1 单球型聚集器、惯性碰撞和捕获作用示意图Fig.1 The diagram of single spherical collector, inertia impaction and interception effect

实际上，Stokes数是流体中颗粒运动方程表征惯性力这一项的系数[9]。Tien指出，Stokes数存在一个临界值，当低于此值时，惯性作用引起的颗粒沉积的效果可以忽略。此外，Ives发现惯性作用对水性悬浮液影响不大，而对气体影响较大。Beizaie[10]给出了适用于单球体模型聚集器计算惯性作用聚集效率的经验表达式：

其中：β = 0.245 3（Nst-1.213 0）0.955

2.2 捕获引起颗粒运移

如果纳米粒子停留在器壁表面附近，且与表面相距不足一个粒子半径时，粒子将与表面接触。这一粒子运移机理在微粒粒度较大时，影响较大。

单球体模型可以用来计算捕获作用的聚集效率。

Rajagopalan等[11]利用Happel模型[12]，根据轨迹分析学描述微粒介质，得到以下公式：

其中：As为无量纲参数，表示流动模型特征。

2.3 沉降引起颗粒运移

若粒子密度明显大于流体密度，它们将在重力方向上相对于流体具有一定的速度，从而使粒子在垂向偏离流线，从而形成沉淀。

稀释悬浮液中小颗粒沉降速度Vt可以近似用Stokes定律描述：

对单球体模型，由于沉降作用引起的聚集效率可由下式[13]给出：

其中：U∞为趋近聚集器的特征速度；

C∞为聚集器远端微粒浓度。

根据公式可知， (ηs)G可以由重力参数NG给出，有人[7,8,10,14]指出(ηs)G值在大多数条件下相对较小。

2.4 布朗运动引起微粒运移

布朗扩散运动是介质（无静电力时）悬浮粒子发生沉积的主要因素。

没有表面相互作用力时，微粒在颗粒介质中的沉积可以认为是纯粹的质量转移过程。当用I表示流体中某一颗粒的质量沉积速度时，则 Sherwood数Nsh表达式为：

其中：dg为球型聚集器的直径；

对单球体模型，由于布朗运动作用引起的聚集效率可由下式给出：

对于球型聚集器，

其中：Ip为微粒在聚集器颗粒上的沉积速率。

由于布朗微粒运移为传质过程，I=Ip，D=DBM。

并定义

比较（6）（7），则聚集效率：

Ives[7]发现布朗运动对亚微米级粒子在聚集器中的聚集过程影响较大，但对于直径大于1μm的微粒，由于粘滞阻力的限制，粒子平均自由程至多是粒子直径的1或2倍，因此这种机理总体作用较弱。

2.5 水动力作用与变形作用引起微粒运移

流体在多孔介质孔隙中流动为层流流动。清洁流体流经多孔介质形成的著名Kozeny-Carman模型[15]也是根据这种相似点建立的。这说明每一孔隙均有其速度梯度，颗粒表面边界处速度为 0，孔隙中心附近速度最大。

速度梯度会在孔隙中形成一剪切力场。在均匀剪切场中，球形颗粒会发生旋转，在水动力的作用下横穿出剪切场。然而，在聚集器孔隙中，这种剪切场是不均匀的。因此，微粒在进入剪切场后，会受到类似效应发生偏转，受制于剪切场的非均质性，但其运移方式则不可预测。此外，如果微粒为非球形，或者微粒的形状随浓度的改变发生变形，它将会受到不平衡力的作用而斜穿流线，使得其运移机理难以预测。

总之，由于孔隙空间的复杂性，如扩径、缩径等的存在，以及粒子自身的变形等因素的影响，速度分布不可能具有泊肃叶流的几何抛物面形。因此，微粒会呈现出明显地随机、振荡运动穿过流线，导致它们与聚集器表面碰撞。

较大悬浮粒子流向多孔介质会导致器壁表面流线变形。粒子将在表面附近形成一层薄膜，继而迅速堵塞聚集器喉道。微粒浓度过高时，还可形成较厚的饼状沉积。此时，大量微粒可同时到达孔隙开口处，并依靠桥拱作用形成砂堵[16]。

3 结 论

（1）采用单球型聚集器作为地层（即多孔介质）的假想模型，可对纳米粒子在多孔介质中的运移机理进行分析。

（2）计算聚集效率η，可以定量分析各因素对粒子运移的影响。

（3）捕获作用、水动力作用对纳米粒子的运移影响较大。当注入粒子浓度较高时，变形作用可通过形成砂堵显著影响粒子运移。

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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

十三五国家重大专项课题“稠油火驱提高采收率技术”(2016ZX05055-006);

十三五国家重大专项课题“稠油多介质蒸汽驱技术研究与应用”( 2016ZX05012-001);

黑龙江省自然科学基金“火烧油层供氢催化裂解改质稠油内在反应机理研究”(E2015036)。

2017-07-13

卢宁（1996-），男，东北石油大学石油工程学院。E-mail：luning96@foxmail.com。

赵法军（1974-），男，副教授，博士后，研究方向：稠油热采。E-mail：fajzhao@126.com。