【導(dǎo)讀】利用外加電場，調(diào)整和控制油層的電驅(qū)動、電滲透、電化學(xué)和電加熱效應(yīng)，提高原油采收率，降低油井含水率。設(shè)計整流電路，利用Matlab軟件進行仿真，將得到的直流電應(yīng)用電感電容進行濾波，再加以過流、過壓、短路等保護措施，得到的仿真波形平穩(wěn)，達到驅(qū)油所加直流電要求。進行數(shù)據(jù)調(diào)制，應(yīng)用在采油當

　　

【正文】 的水動力滯留油滴； （ 4）由于油層的微觀非均質(zhì)性，在局部低滲部位形成的殘余油。 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 第 3 章 電場對油層的影響 電化學(xué)采油的原理 目前我國油田開發(fā)大部分已到了后期 ， 如何將有限石油開采出來 ， 普遍采用的是人工注水法 ， 但在油層內(nèi)存在許多沖洗能力差的含油段 ， 降低了采收率 ， 據(jù)統(tǒng)計在開發(fā)末期仍有近 50～ 70%的儲量仍未開采 。 此外 ， 由于泥漿、濾液、石蠟、瀝青和其它化合物的沉積 ， 堵塞了近井地帶的孔隙 ， 使采油量下降 。 為提高驅(qū)替效率 ， 用增加水的粘度和降低油的粘度提高流速比 ， 或用表面活性劑和堿來降低油水 電化學(xué) 導(dǎo)流驅(qū)油是針對低滲油藏敏感性礦物豐富、孔隙喉道小、微孔隙發(fā)育、比面大、流體與巖石界面作用力顯著等特點提出的 ， 旨在提高油井產(chǎn)量和采收率的一種新方法 。 電化學(xué)采油的基本原理是 依據(jù)在外加電場和電化學(xué)助劑的作用下 ， 利用在多孔介質(zhì)中產(chǎn)生的電滲、電泳等現(xiàn)象和電動力場、水動力場的雙重作用 ， 改變油水在儲層孔隙孔道中的分布狀態(tài)和流動規(guī)律 ， 迫使油相向生產(chǎn)井方向移動 ， 抑制水相向生產(chǎn)井方向運移 ， 促使水進入更小的孔隙孔道或低滲透層位 ， 驅(qū)趕其中的殘余油來提高水驅(qū)油效率和采收率 ， 降低油井含水率和產(chǎn)水量 。 在外加直流電場作用下 ， 地層微細組 分依靠電化學(xué)作用聚結(jié)變粗 ， 使流體有效流道增大 ， 阻力減小 ， 呈現(xiàn)滲透率提高帶 ； 同時 ， 油水的流動在電滲作用下受到影響 ， 改善了相對滲透率 ； 另外 ， 依靠電流及電解產(chǎn)物改善巖石潤濕性 。 研究表明 ， 這種方法可使產(chǎn)量提高 30%～ 50%， 采收率提高 20%。 電化學(xué)采油在工藝法上考慮了注水開采的需要 ， 常在 2 口或 2 口以上的注采井組中分別安裝不同極性的電極 。 電場的施加方式取決于不同的開采目的 。 施加正向電場 （ 即電場方向與電流方向一致 ）， 主要目的是強化采油 。 在電滲力及電極附近熱效應(yīng)作用下 ， 近井帶鉆井液 、 瀝青、石蠟物質(zhì)及其它沉積物質(zhì)被清除 ， 滲透率提高 ， 使原來被堵死的層段投產(chǎn) ， 增大了油井的產(chǎn)量 。 施加反向電場 （ 即電場方向與電流方向相反 ， 陰極置于注水井 ， 陽極置于生產(chǎn)井 ） 的主要目的是為了延滯出水 ， 降低含水率 ， 增產(chǎn)和提高采收率 。 地面直流電通過電纜或套管 、 油管而傳輸?shù)降叵履康膶?。 現(xiàn)場實踐中對井下導(dǎo)電線路要求嚴格 ， 要與油層上部地層絕緣 。 常用的方法是在未打開油層前固井 ， 并在蓋層與產(chǎn)層接觸段采用絕緣套管（ 如玻璃鋼 ）。 電極通常采用顆?；虬魻?， 將其壓入油層 ， 使其與油層充分接觸 ，電極通過電纜或油管下部與地面電源接通 。 由于反向電場較正向電場應(yīng)用廣泛 ，因此主要討論反向 電場作用下電化學(xué)采油方法的作用機理 。 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 電化學(xué)采油的作用機理 電場作用下礦物中的電動現(xiàn)象 大多數(shù)固體物質(zhì)與極性流體接觸后 ， 由于固體表面分子電離或者固體表面有選擇性地吸附溶液中的正離子或負離子 ， 結(jié)果導(dǎo)致液界面帶有一定電荷。這種帶電荷的界面必然影響附近離子的分布。與界面電荷號的離子 （ 同性離子 ） 受到排斥而遠離界面 ， 與界面電荷相反的離子 （ 反離子 ） 則受到界面電荷的吸引而靠近界面 ， 同時由于離子的無規(guī)則熱運動 ， 使反離子以擴散形式分布在帶電荷的界面附近 ， 最終導(dǎo)致界面附近形成一個反離子相對富集而同性離子相對 稀少的區(qū)域 ，即擴散雙電層 [4]。雙電層結(jié)構(gòu)及離子分布見圖 31。 這種雙電層分為緊密層和擴散層。油層 （ 多孔介質(zhì) ） 中的流體在運動過程中剪切擴散層或外 電場相互作用可產(chǎn)生電泳、電滲 、流動電勢、沉降電勢等各種電動現(xiàn)象。 圖 31 擴散雙電層結(jié)構(gòu)與電動電位 電滲效應(yīng) 電滲是電化學(xué)采油的最基本的機理。在外直流電場作用下 ， 流體通過多孔介質(zhì)向電場陰極定向流動 ， 即電滲 。 它是電場能向水動力能量轉(zhuǎn)化的反映。電滲在固體表面 緊密層 擴散層 電位 距離 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 污泥礦渣脫水、建筑施工中地基脫水等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。早在 60 年代 ， 人們就開始注意到電滲原理可用于石油開采 ， 開始了該領(lǐng)域的研究。至目前 ，已 就電滲對油、水單相流動、兩相流動的影響進行了實驗研究及理論分析。 向油層施加直流電場 ， 地層流體在電滲作用下向陰極或陽極流動 ， 該過程與巖石 —— 水、原油 —— 水界面雙電層有關(guān)系。 巖石顆粒與地層水接觸后 ， 界面處形成擴散雙電層。雙電層的可動層內(nèi)離子在外電場作用下攜帶水分子一起運動 ， 產(chǎn)生電滲。地層水的電滲不僅與外電場的方向和大小有關(guān) ， 而且與顆粒表面電荷分布、地層水離子濃度、種類、價數(shù)、介電常數(shù)等有關(guān)。電化學(xué)采油過程中 ， 在反向電場作用下 ， 電滲效應(yīng)主要通過阻滯水流、相應(yīng)增大油流而對油水兩相流動產(chǎn)生影響 ； 在正向電場作用 下 ， 主要通過附加電滲流量強化油流。 油水非混相時 ， 在巖石中分道流動。對水濕巖石 ， 水趨于占據(jù)較小的孔隙 ，油則主要在大通道中流動。巖石顆粒表面吸附有一層水膜 ， 水膜的存在對油流動的影響較大。在反向電場作用下 ， 擴散層陽離子向陰極遷移的數(shù)目大于陰離子遷移數(shù)目 ， 離子遷移同時攜帶水分子。這樣 ， 向陰極 （ 注水井 ） 有一附加電滲流量 ，對水流起阻滯作用。同時 ， 水膜的厚度及穩(wěn)定性受到影響 ， 水膜變薄 ， 為油流讓出了空間 ， 這是反向電場降低含水、增產(chǎn)的原因之一。在正向電場作用下 ， 地層水向生產(chǎn)井中有一電滲流量 ， 從而使產(chǎn)液量增大 ， 但這種方式可使 水提前突破 。 在一根毛細管中 ， 電滲流量與毛管半徑的平方 成正比 ， 而水動力流量與毛管半徑的四次方成正比 ， 隨著孔隙毛管半徑的減小 ， 電滲流量將越來越顯著 ， 它可啟動通常水動力不能啟動的流體。這也是電化學(xué)采油在低滲油田效果顯著的原因之一。 電滲效應(yīng)對油水的作用不僅發(fā)生在巖石 —— 地層水界面 ， 而且也會發(fā)生在原油 —— 水界面 。 這種效應(yīng)不僅與油的組成、電性、水的離子組成種類等等有關(guān) ，而且與油水在油層中的分布有關(guān)。在外電場不變的情況下 ， 電滲效應(yīng)隨開采過程的進行不斷變化 ， 在實際油層中極其復(fù)雜。巖石 —— 水界面電滲的研究比較廣泛 ，但油 — — 水界面往往被人們所忽略 。 電泳效應(yīng) 電泳是指在外電場作用下 ， 帶電物質(zhì)顆?；蛞旱蜗鄬τ陟o止液體向外加電場陰、陽兩極作定向移動的現(xiàn)象 。 在油水共存的多孔介質(zhì)中 ， 由于微細固體顆粒、油珠和水珠等固液和液液界面都帶有一定電荷 ， 這些帶電微粒、油珠、水珠會在外加電場作用下產(chǎn)生電泳現(xiàn)象 ， 迫使油相向生產(chǎn)井方向運移 。 同時電場力的極化作用使油珠間相互聚集、變形通過狹窄的孔隙、吼道 ， 驅(qū)趕出水動力場無法驅(qū)替的殘油 。 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 巖石細組分顆粒聚結(jié)變粗及粘土結(jié)構(gòu)的改變效應(yīng) 這是電化學(xué)采油的另一個重要機理。相界面上的分子具有 電性自由能 ， 礦物分子一方面可從溶液中吸收離子 （ 包括荷電顆粒 ） 另一方面離子也可進入溶液。施加外電場后 ， 固相放電顆?？芍苯优c礦物晶格表面相連接 ， 由于電滲、電泳 （ 荷電的細組分向電極定向移動 ） 的共同作用 ， 導(dǎo)致顆粒的聚結(jié)變粗。越細 （ 越分散 ）的組分越易參與質(zhì)量交換及聚結(jié) ， 而這些細組分往往是產(chǎn)生流動阻力的主要因素 ，滲透率隨細組分的變粗而提高 ， 從而有利于油的流動。在電場作用下 ， 粘土礦物結(jié)構(gòu)收縮 ， 膨脹性粘土成分改變 ， 含量減少?？缀硖帉α黧w起主要阻力作用的粘土礦物常被破壞而解卡 ， 使流體滲流阻力減小。我們對電作用前后的蒙脫石、伊利石、綠泥石、高嶺石、伊蒙混層及綠蒙混層的 X 衍射分析也得到了上述結(jié)論。粘土結(jié)構(gòu)的改變是直流電場對其表面雙電層電化學(xué)特性影響的結(jié)果。 電解及副產(chǎn)物的作用 電流在巖石中主要是通過水中的離子傳導(dǎo)的。離子或荷電顆粒在電場作用下向陰、陽極定向移動 ， 在電極處放電 ， 該過程即為電解。電解及產(chǎn)物對油水的影響不僅取決于水中的離子類型 ， 還取決于所使用的電極材料及電場作用方式。在反向電場和使用惰性電極的情況下 ， 陰極區(qū) （ 注水井 ） 電解生成 H2和 OH。 OH與原油中的有機酸作用形成可降低油水界面張力的表面活性劑 ， 減小了油流 阻力 ，提高了驅(qū)替效率和采收率 ； H2將對水流動產(chǎn)生阻滯作用。 巖石潤濕性變化效應(yīng) 潤濕性是影響油水流動及控制殘余油的重要因素 [5]。潤濕性的改變一方面與電解產(chǎn)物和原油形成的表面活性劑有關(guān) ， 另一方面 ， 電場作用后水膜的電性及穩(wěn)定性、厚度等也受到影響 ， 是影響潤濕性變化的因素。另外 ， 電場作用下孔喉處粘土的解脫及細組分聚結(jié)變粗 ， 使巖石毛管體系發(fā)生變化也是引起潤濕性改變的潛在原因。對儲集層巖石電場作用前后的潤濕性進行測定的結(jié)果表明 ， 電場作用后潤濕性有向親水、強親水轉(zhuǎn)化的趨勢。 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 第 4 章 油層加電的 室內(nèi) 試驗方法 直流電場對油水流動規(guī)律的影響 該試驗?zāi)M正常生產(chǎn)時油井及附近油層的實際狀態(tài) ， 即建立油井生產(chǎn)壓差 ，模擬泵抽油時的狀態(tài) ， 采用填砂模型、人造巖心、天然巖心 ， 用煤油和原油配制模擬油 （ 見圖 41） 。通過顯微鏡等儀器觀測在填砂模型 2端加電和不加電時的情況 ，以及加電過程中 ， 電壓、通電時間等參數(shù)對滲透率等的影響。 圖 41 模擬試驗裝置 通過大量試驗得出下面的結(jié)論 ： （ 1） 電場作用下 ， 原油采收率、油相相對滲透率隨電位梯度的增大而提高 。但提幅度逐漸下降。累積 產(chǎn)水率隨電位梯度增大而減小。 （ 2） 含水率較小時 ， 電場作用對采收率無明顯影響 ， 在水突破后 ， 采收率開始提高但提高幅度隨通電作用時期的推移有下降趨勢 ， 在殘余油時最小。 （ 3） 采收率、含水率、相對滲透率與驅(qū)替流體離子組成、礦化度有密切關(guān)系。二價沉淀離子增加會降低電作用效果 ， 對于同一類巖心存在一個礦化度區(qū)間 ， 該區(qū)間內(nèi)產(chǎn)水降低最多。 （ 4） 電場對殘余油影響比水驅(qū)場明顯。對高含水油田有效開采有重大意義。 電場對礦物結(jié)構(gòu)影響 大多數(shù)砂巖儲層中含有不同數(shù)量和種類的黏土礦物。這些黏土礦物主要充填于孔隙中或分布于顆料表 面。由于其顆粒小、比表面積大 ， 在注水開發(fā)過程中 ，首先與進入儲層中的流體接觸 ， 迅速發(fā)生各種物理化學(xué)變化 ， 引起多種儲層傷害。當在油層通入直流電時 ， 這些礦物的變化將直接影響溶流特性 ， 從而表現(xiàn)在產(chǎn)油量的變化上。為驗證影響情況 ， 通過 X衍射技術(shù)對比處理前后巖石礦物結(jié)構(gòu)性質(zhì)的注入液 巖心模型 直流電源 固定裝置 模擬泵 + 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 變化情況 ， 結(jié)果表明 ： （ 1） 電場作用對天然巖心中黏土礦物的結(jié)構(gòu)和組成有影響 ； （ 2） 電場作用可降低礦物對儲層的敏感性損害 ； （ 3） 電場作用可使膨脹黏土含量減少 ， 從而改善儲層敏感性及膨脹黏土對儲層的潛在損害 ， 對強化采油有重大意義。 電場對儲層巖 石潤濕性的影響 油藏潤濕性是影響油層油水分布狀態(tài)和運移規(guī)律的重要因素。它不僅影響油水在油藏中的初始分布 ， 也影響殘余油分布及數(shù)量 ， 并直接影響水驅(qū)油的過程及效果。 通過自吸法測定電場處理前后油藏巖石潤濕性變化。自吸法依據(jù)潤濕流體以毛管力為動力自發(fā)驅(qū)替非潤濕流體這一原理來測定巖石潤濕性。首先將飽和油的巖樣浸在水中 ， 測量水自發(fā)吸入巖心中驅(qū)油體積。然后將巖樣飽和水 ， 浸入油中 ，測量油自發(fā)吸入巖心后驅(qū)出水的體積 ， 將前后油、水量對比 ， 如前者大于后者 ，則表明巖樣親水 ， 反之親油 [6]。 通過試驗發(fā)現(xiàn) ： （ 1） 電場作用使巖心潤濕 性向親水方向轉(zhuǎn)化 ； （ 2） 隨電位梯度增加 ， 巖石孔隙結(jié)構(gòu)改變 ， 連通性增強 ； （ 3） 電位梯度低時 ， 對潤濕性影響不明顯。 電場對殘余油影響 該試驗是通過微觀仿真地層模型進行的。 試驗流程如圖 42所示 。 圖 42 微觀模擬試驗 將模型抽成真空飽和地層水 ， 用模擬原油驅(qū)替至束縛水狀態(tài) ， 建立地層束縛水 ， 用注入水進行驅(qū)油試驗 ， 直至模型出口端不再出油 ， 即驅(qū)至水驅(qū)殘余油狀態(tài) ，氣瓶 注射泵 壓力表 微觀模型 監(jiān)視系統(tǒng) 直流電源 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 并進行錄像。在同樣的驅(qū)替壓力和驅(qū)替速度下或在不加壓、不驅(qū)替條件下 ， 進行電場作用 ， 觀察 電場作用前后水驅(qū)殘余油分布狀態(tài)的變化情況 。 由試驗得出 ： （ 1） 在水驅(qū)條件下 ， 電