納米顆粒在儲層微流道中的減阻機理實驗研究

顧春元,狄勤豐,施利毅,王新亮,張任良

(1.上海大學,上海市應用數學和力學研究所,上海 200072;2.上海市力學在能源工程中的應用重點實驗室,上海 200072;3.上海大學納米科學與技術研究中心,上海 200072)

0 引 言

高壓欠注問題是低滲透油田注水開發過程中普遍存在的一個難題,納米減阻技術是針對這個難題開發的一項多學科交叉新技術。2000年,中國從俄羅斯引進該技術進行現場試驗取得成功[1],隨后多家單位開展了相關研究工作,主要包括增注納米材料的制備與表征、水基分散液的研制、室內減阻效果測試、數值模擬研究和減阻機理研究[2-6]。但對于納米減阻機理的研究較少,且存在不同的觀點[7-9]。由于注入納米液后,納米顆粒吸附層一方面使孔道表面由親水變為疏水,另一方面又使物理孔徑縮小,而最終要達到減阻的目的,必然存在特殊作用使流速大幅提高。2002年,Derek C等認識到表面具有微納米結構和疏水性的綜合作用更容易引起水流速度滑移,且比光滑疏水表面產生的滑移長度更大[10-12],國內學者也相繼開展了親、疏水表面微管道的微流動實驗,研究了表面的疏水性和粗糙度對于水流減阻效果和速度滑移效應的影響[13-15]。狄勤豐研究組基于微納米結構表面的水流滑移這一觀點,提出了納米邊界層的水流滑移減阻機理[9,16]。研究組已經從競爭吸附機制、吸附層的檢測、超疏水特性實驗研究等方面給出了結果[17-18]。這一機理合理地闡釋了納米材料的特殊作用、物理邊界減少而減阻效果顯著的根源,得到多數專家的認同。根據這個減阻機理,減阻效果的關鍵是形成納米吸附層和表面具有強疏水特性。這意味著,滿足與孔壁的吸附和具有強疏水性的納米材料都可能具有減阻效果,即有效地增注納米材料不具有唯一性,但是改變納米顆粒粒徑、表面疏水修飾劑等影響吸附和疏水性的因素又必然會使效果產生差異。筆者用不同材料配制的多種增注液開展了減阻效果實驗,并根據實驗結果來說明納米材料非唯一性的觀點,進而闡釋對水流滑移減阻機理。

1 實驗方案

1.1 目的與內容

(1)不同修飾劑改性的納米材料的減阻效果

根據機理,滿足可與孔壁產生強吸附、具有強疏水性的納米材料都具有明顯的減阻效果。因此,該實驗采用2種表面修飾劑改性 SiO2得到納米粉體SNP1-1和SNP2-2,將其配制成2種油基納米液,并測試納米液的分散性能和減阻效果。

(2)不同粒徑對減阻效果的影響

不同粒徑的納米顆粒通過巖心微孔道的能力不同,與孔壁吸附的能力也不同,因此,減阻效果會有明顯差異。采用修飾劑B改性的2種不同粒徑的納米SiO2,得到疏水納米材料SNP2-2和SNP2-4,分別用柴油配制成2種油基納米液,測試減阻效果。

(3)不同水基分散劑配制的納米水液的減阻效果

根據機理,不改變納米材料的特性、能很好地分散并攜帶其到達地層孔道中的分散劑均可以作為水基載體。實驗配制了2種水基分散液ND3和ND4,分別與SNP2-2配制成2種水基納米液,測試這2種水基納米液的減阻效果。

(4)納米吸附層耐沖刷能力測試

納米顆粒必須與巖心孔壁產生牢固吸附才能形成超強疏水的納米吸附層。該實驗通過向納米液處理后的巖心不間斷注水,測試水流量-壓力關系,判斷納米顆粒的有效吸附能力。

1.2 實驗裝置及原理

主要實驗儀器有隔熱式高溫高壓巖心流動實驗儀、變頻高速攪拌機等配套設備若干。巖心流動實驗儀包括高精度ISCO驅替泵、3～4個中間容器、巖心夾持器、電子天平、環壓泵、恒溫加熱箱、隔熱箱、4級壓力傳感器、高壓氮氣瓶、數據采集與分析軟件,以及配套連接線路和管路,見圖 1。其中驅替泵為ISCO100DX,流 量 精 度 為 0.01μ L/min,天 平 為OHAUS-EXPLORER,精度 0.001g。

工作原理是：通過環壓泵加壓將圓柱狀巖心四周包裹,開啟驅替泵將中間容器中的液體(水、柴油、納米液等)分別驅替進入巖心夾持器內的巖心,由多級壓力傳感器來記錄巖心進口段的壓力,液體從巖心出口端流出后,進入天平進行稱量,并由數據采集與分析軟件采集,同時可繪制壓力、流量隨時間的變化曲線。

實驗所用材料見表1。

表1 納米減阻流動實驗材料Table 1 Materials of drag-reduction experiments of NFs

圖1 隔熱式高溫高壓巖心流動實驗儀Fig.1 Thermal insulation HTHP core testing apparatus

1.3 實驗方法

采用石油行業評價驅替劑效果的主要模擬手段——巖心流動實驗法,結合納米減阻的實際過程,增加了納米增注液驅替和靜置吸附兩個步驟,模擬了納米降壓增注現場試驗全過程。

巖心中的流動屬于微尺度流動,采用高精度微流量泵和天平配合測試流量,通過測量納米液驅替前后水流量與驅替壓力,計算水相滲透率,以水相滲透率的變化來表征減阻效果。主要步驟如下：

(1)將洗過油的巖心用地層水飽和,裝入巖心流動實驗儀,調整圍壓和溫度,開泵將水驅入巖心,測試水流量和壓力,計算巖心初始單相水的滲透率;

(2)調節流程,用柴油驅替巖心,形成束縛水;再用水驅油,建立殘余油;

(3)繼續用水驅替,測試一組水流量和壓力,計算納米處理前的水相滲透率;

(4)在低流量下注入預定濃度和體積(1.5～5PV)的納米液,然后關井,恒溫靜置24～48h;

(5)開啟流程,用水低速驅替,直至驅出流體中無納米液后,再繼續水驅,并測試一組水流量和壓力,計算納米處理后的水相滲透率。

1.4 數據處理方法

由于單點測試穩定時間較長,但不能反應不同壓力下的物性變化趨勢。該測試均采用多點法測試流量-壓力,用回歸分析法找出流量與對應壓力之間的關系。該方法不僅可以得到巖心滲透率,對于低滲透巖心,還能得到啟動壓力,理論上基于擴展的達西定律：

式中,▽p0為啟動壓力梯度(Pa/m);Δp0為啟動壓力(Pa);Ark為巖心橫截面積(m2);lrk為巖心長度(m)。

對于存在啟動壓力的低滲透巖心,選擇不同的測試流量,會得到不同的滲透率,采用回歸分析法可以克服這一缺點。

將實測壓力轉化成壓力梯度,繪制出Q與-▽p的關系,通過數據回歸,得到公式：

式中,bk為斜率(Pa?s/m4);bc為縱坐標軸上的截距(Pa/m)。

根據公式(1)和(2),可得

由水流量-壓力的直線關系,求得bk和bc,進而求得滲透率k和-▽p0。

2 納米液減阻實驗結果

2.1 納米油基分散液的減阻性能

將SNP1-1、SNP2-2和SNP2-4三種納米粉體分別分散在柴油中,用高速攪拌機分散10～15min,配制成1.5g/L的納米液。

將3種納米液在常溫下放置,觀察發現,SNP1-1液在15min左右開始出現沉降物,30min杯底有少許沉淀;而SNP2-2和SNP2-4懸浮液比較穩定,30min未見沉降物。說明修飾劑B改性的納米樣品在柴油中的穩定性較好。

通過巖心流動實驗測試了以上3種油基納米液的減阻效果,實驗結果見表2。

表2 三種納米材料油基納米液的減阻實驗結果Table 2 The results of drag reduction experiment of three oil-based NFs

由表2的數據結果可知：

(1)納米SNP1-1、SNP2-2和 SNP2-4配制的油基納米液處理后的巖樣,滲透率平均增幅為42%、59%和24%,這說明三種納米材料均具有明顯的減阻效果;

(2)修飾劑A改性的SNP1-1和修飾劑B改性的SNP2-2相比,減阻效果相差17%,且SNP2-2的穩定性更好;

(3)大粒徑的SNP2-4和SNP2-2相比,平均減阻效果相差35%,且小粒徑SNP2-2處理的3塊巖心,減阻效果均比較好;

(4)圖2是5號樣的流量-壓力梯度關系趨勢線。流量與壓力梯度呈直線關系,滿足達西滲流規律。納米液驅替后,流量-壓力梯度關系趨勢線明顯偏離壓力梯度軸,說明流量越大,驅動壓力梯度降幅越大。根據回歸曲線和公式(2)～(4),納米液處理前水相滲透率為7.64×10-3μ m2,啟動壓力梯度為0.21MPa/m,納米液處理后的水相滲透率為12.48×10-3μ m2,啟動壓力梯度為0.54MPa/m,這表明納米液驅替后的5號巖心啟動壓力梯度有所降低。由于納米顆粒吸附層取代水化層,成為強疏水的邊界層,大幅降低了孔道的水流阻力,也使得水流的啟動壓力有所降低。

圖2 5號樣流量與壓力梯度的關系曲線Fig.2 Relationship between pressure gradient and flux of sample 5

2.2 納米SNP2-2水基納米液的減阻實驗結果

研究并復配了兩種水基分散劑 ND3和ND4。這兩種分散劑的乳化水液和納米分散液色澤均一,分散性都較好,常溫下穩定時間大于24h。采用SNP2-2分別與這兩種水基分散劑配制成濃度為1.5g/L的水基納米液,驅替用液為清水或3%NH4Cl水溶液。實驗方法同上,結果見表3。

(1)10～14號用ND3為分散劑,水相滲透率提高幅度平均為67.4%;其中3%NH4Cl水溶液測試的巖心水相滲透率提高幅度平均為100.7%,而清水測試的水相滲透率提高幅度平均為17.5%。這說明巖心水敏性較強,納米處理后,仍存在水敏,也說明納米顆粒在孔壁的吸附是非均勻全覆蓋。

(2)15～17號用ND4為分散劑,清水測試水相滲透率提高幅度為23%～127%,平均為75%。

(3)排除驅替液和巖心物性的影響,在清水驅替和巖心水相滲透率相近的條件下,ND3分散的納米水液(13～14號)僅使水相滲透率提高 17.5%,而ND4使巖樣的水相滲透率提高了75%,說明ND4具有一定的抗水敏作用。

以上分析說明,ND3和ND4作為分散劑配制的納米液都具有較好的減阻效果;但是,ND4效果更好,尤其更適用于注清水的注水井。

表3 兩種納米水液減阻實驗結果Table 3 The results of drag-reduction experiment of two water-based NFs

3 納米吸附耐沖刷能力評價實驗

納米顆粒與孔壁的結合強度關系到減阻時性。當納米顆粒被注入水從孔壁剝離時,減阻效果會不斷下降。實驗采用不間斷注水的方法來評價納米顆粒吸附層的耐沖刷能力。用SNP2-2分散液處理巖心,實驗方法同上文,但是步驟(5)要求保持流量不變,且連續注水,直到水相滲透率下降到納米液處理前的值,或者注水量達到200PV以上(相當于單井1年的注水量)。圖3和4是Zhu4-2和An9-4-10 2塊巖心耐沖刷實驗結果。

圖3 納米顆粒在巖樣Zhu4-2孔道中的耐沖刷性能Fig.3 Wash-resistant ability of nanomaterial in core Zhu4-2 microchannel

圖4 納米顆粒在巖樣An9-4-10孔道中的耐沖刷性能Fig.4 Wash-resistant ability of nanomaterial in core An9-4-10 microchannel

圖3顯示,隨水驅體積的增加,水相滲透率緩慢下降,累計注入180PV時,滲透率下降到納米液處理前的值;圖4顯示,隨水驅體積的增加,水相滲透率起初還略有上升,累計注入260PV,水相滲透率也幾乎未變。測試結果說明在巖心微孔道孔壁吸附的納米層耐沖刷能力較強。

現場根據相關試驗工藝優選參數,采用納米材料SNP2-2和水基分散劑ND4配制了納米增注液,在天83-9和沙26-9井進行了納米減阻試驗,注水壓力P注最大降幅達12.5MPa,減阻有效期在7個月以上。

4 結論與討論

(1)經實驗配制的3種油基納米液和2種水基納米液處理后,巖心水相滲透率均明顯上升,均具有較好的減阻效果。說明納米增注液不具有唯一性,能與巖心發生牢固吸附并改變其潤濕性的疏水納米材料均有作為納米增注劑的可能;

(2)2種修飾劑改性的納米材料相比,2種粒徑的納米材料相比,水基分散劑ND3和ND4相比,產生的減阻效果均有一定的差異,這說明修飾劑、顆粒粒徑和分散液對減阻效果有明顯影響,原因是這些因素會影響納米材料與巖心的吸附以及吸附層的疏水性。因此,要達到最佳的減阻效果,需要優選參數,使納米液與巖心物性相匹配;

(3)納米液處理過的巖心經足夠量的水驅替洗刷后,仍具有減阻效果,表明納米吸附層具有較強的耐沖刷性能,納米顆粒與孔壁吸附比較牢固;

(4)礦場試驗結果表明,納米增注液可使注水壓力最大下降12.5MPa。

綜合分析,通過注入具有強吸附和強疏水性的納米材料,雖然使地層物理孔徑縮小,但也使孔道表面具有超強疏水性,從而使水流產生較大的速度滑移,最終達到了減阻的目的。

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