水氣交替注入過程納米顆粒對CO2運移特征的影響

章 星劉玉濤李 芳王厲強唐建云

（1.中國石油大學（北京）石油工程教育部重點實驗室，北京 102249；2.新疆油田公司，新疆克拉瑪依 834000；3. 新疆油田公司采油二廠地質所，新疆克拉瑪依 834000）

水氣交替注入過程納米顆粒對CO2運移特征的影響

章 星1劉玉濤2李 芳3王厲強1唐建云1

（1.中國石油大學（北京）石油工程教育部重點實驗室，北京 102249；2.新疆油田公司，新疆克拉瑪依 834000；3. 新疆油田公司采油二廠地質所，新疆克拉瑪依 834000）

引用格式：章星，劉玉濤，李芳，等. 水氣交替注入過程納米顆粒對CO2運移特征的影響［J］.石油鉆采工藝，2015，37（6）：70-73.

為了有效控制CO2提高采收率和CO2埋存過程中CO2流體的流動性，在儲層或砂巖含水層中注入納米顆粒。室內實驗采用CT掃描儀觀察和測量CO2驅替鹽水/納米顆粒溶液以及鹽水/納米顆粒溶液驅替CO2的流動形態和流體飽和度。研究結果表明，納米顆粒溶液實驗中CO2驅替前緣比較一致并且流體流動較慢，其初始CO2飽和度和剩余CO2飽和度要大于鹽水實驗中的初始CO2飽和度和剩余CO2飽和度。納米顆粒使得CO2與鹽水產生穩定的乳狀液，減小流體流動性，增加流體有效黏度。根據Land方程，鹽水實驗中C常量為2.45，納米顆粒實驗中C為2.25，因此CO2注入方案的制定應盡量選取小的C常量，以減緩氣水交替注入過程中CO2的黏性指進，將更多的CO2滯留或保存在地層中。

水氣交替；納米顆粒；CO2飽和度；運移特征；乳狀液

CO2提高采收率和CO2埋存過程中，CO2流體的流動性不穩定，而水氣交替注入（Water Alternating Gas，WAG）技術和納米技術可以對其進行改善［1-4］。CO2的黏度通常小于原油的黏度，CO2驅油過程中的流度比遠大于1，這個不利因素導致了CO2的黏性指進及相關問題［5-6］。流動性控制可以通過在地層中注入CO2和水來實現，通常運用交替注入的方式來提高近井地帶的注入能力和減少遠井地帶的流動性，通過改變相對滲透率和黏度值來減少或者抑制指進，使得流度比小于1［7-8］。水氣交替注入周期從幾個月到一年都有，其中水和CO2的體積比一般為1∶1到2∶1能夠達到最好的效果［9-10］。

納米顆粒可以很容易地分散在注入水中形成和CO2的交替注入。它們能夠被吸引到或者是包裹在烴類液滴表面，減小表面能［11-12］。當納米顆粒在油水界面的接觸角θ＜90°時，會形成水包油乳狀液；當θ＞90°時，則會形成油包水乳狀液［13-14］。在非常高的油藏溫度下，使用表面活性劑其性能會降低，而穩定的納米顆粒乳狀液不會受到影響［15-16］。納米顆粒懸浮液不會被卡在孔喉或者保留在多孔介質的表面，其在滲透性介質中呈現較大黏度可以使得突破延遲從而減小黏性指進［17-19］。筆者結合WAG技術和納米顆粒材料，通過室內實驗研究納米顆粒的存在對流體流動性的影響。

1　室內實驗

1.1設備與巖心

主體裝置是一臺經過改造的Universal Systems HD-350醫療CT，實驗中實際飽和度的測量是將巖心水平方向放置于CT掃描儀內進行掃描。所采用的巖心為圓柱形的Boise巖心，直徑為7 cm，長度為30 cm，孔隙度為27.5%，滲透率為1 μm2。Teledyne Isco泵提供13 MPa的圍壓，dual-Teledyne Isco泵用于不間斷地往巖心中注入CO2和鹽水等流體。實驗流程見圖1。

圖1　巖心驅替實驗流程

1.2流體參數

實驗中用的非濕相流體是液態的CO2（20 ℃、9.3 MPa），濕相流體是2%（質量分數，下同）的NaBr溶液（模擬鹽水）和含有5%納米顆粒的2% NaBr溶液。納米顆粒為粒徑5 nm的二氧化硅納米顆粒（3M），具有一層5 nm厚度的PEG外層（Polyethylene-glycol，聚乙二醇）。實驗流體參數見表1。

表1　實驗流體參數

1.3實驗方案

為了準確地獲得納米顆粒對驅替特征的影響效果，實驗全部采用同一塊巖心進行，用以對比不同流體的驅替效果。

（1）鹽水實驗：巖心飽和鹽水，然后進行CO2驅替（流量0.5 cm3/min，注入12 h），最后進行鹽水驅替（流量0.25 cm3/min，24 h）。

（2）納米顆粒溶液實驗：巖心飽和納米顆粒溶液，然后進行CO2驅替（流量0.5 cm3/min，12 h），最后進行納米顆粒溶液驅替（流量0.25 cm3/min，24 h）。

（3）其他實驗：參見表2，巖心首先飽和流體1，隨后采用流體2進行驅替，最后采用流體3進行驅替。實驗壓差通過連接在巖心進口端和出口端的Rosemount傳感器測量。在CO2驅替的早期階段，15 min掃描一次，在CO2突破后每1 h掃描一次。在鹽水或者納米顆粒溶液驅替階段，前120 min每30 min掃描一次，之后每2 h掃描一次。

表2　實驗順序與設計

2　結果與分析

2.1實驗結果

圖2（a）是巖心飽和鹽水后注入CO20.1、0.2和0.5 PV 時的巖心軸向側視圖。選取巖心CT掃描結果中間部分的飽和度數據，紅色表示完全飽和鹽水，藍色代表完全飽和CO2。可以看出，CO2驅替前緣不一致，有些CO2和鹽水高飽和度區域緊鄰。注入CO20.1 PV 時，CO2指進開始擴大范圍；注入CO20.2 PV時，在巖心的23 cm處出現CO2；注入CO20.5 PV時，在巖心16～23 cm范圍內，能觀測到大量的CO2。從側視圖整體來看，CO2在驅替過程中形成了一條優勢通道，產生指進。

圖2（b）是納米顆粒溶液實驗過程中，注入CO20.1、0.2和0.5 PV 時的巖心軸向側視圖。對比圖2（a），當注入CO20.1 PV 時，CO2的移動距離少于鹽水實驗中CO2的移動距離（50%）；注入CO20.2 PV 時，沒有明顯的指進現象；注入CO20.5 PV 時，在巖心16～23 cm范圍內可觀測到大量CO2，這是因為Bosie巖心在該范圍內有很高的孔隙度，非均質性強。

圖2　巖心中注入不同體積CO2時的飽和度分布

圖3為按照表2設計順序采用不同流體進行實驗時巖心中CO2飽和度變化曲線。實驗1和實驗2巖心飽和鹽水后，采用CO2驅替分別至1 PV和1.45 PV時，繼續采用鹽水驅替，可以看出，兩項實驗的初始CO2飽和度（37%和36.5%）和剩余CO2飽和度（19.5%和18.8%）比較接近，表明鹽水實驗的可重復性好。實驗3的剩余CO2飽和度比較小（15.9%），這可以歸結為較小的初始CO2飽和度和納米顆粒2個因素的影響。實驗4為納米顆粒溶液實驗，實驗5在CO2驅替后采用鹽水進行驅替。對比實驗1和實驗2，其初始CO2飽和度和剩余CO2飽和度都比較大。盡管實驗5最后采用鹽水進行驅替，但是其剩余CO2飽和度與納米顆粒溶液實驗相差不大（21.8%和22.2%）。實驗6和實驗7均為鹽水實驗，但是巖心中含有大量的納米顆粒并未被全部沖出，因此與實驗3具有相近的初始CO2飽和度（35.5%和34.9%）和剩余CO2飽和度（15.8%和15.9%）。

圖3　不同實驗條件下CO2飽和度與注入體積關系

2.2討論與分析

上述實驗結果表明，鹽水中存在納米顆粒時，CO2驅替前緣變得穩定或者是可以自動調節的。在鹽水實驗中CO2的黏度要小于鹽水的黏度，所以會出現黏性指進現象。由于侵入相的流動性要大于防御相的流動性，使得前緣黏性不穩定。也就是說，任何前緣的擾動將會隨著時間而增長，并且巖心局部滲透率的變化將會被放大。如果使得侵入相CO2的流動性小于鹽水的流動性，任何的擾動將會隨著時間而消失，滲透率變化的效果將會減小，CO2飽和度變化較為穩定。

所觀察到的納米顆粒溶液實驗的穩定性，是因為相對于鹽水實驗來說，注入的CO2流體可以在納米顆粒溶液驅替實驗中產生一個流動性較低的相。當對比鹽水實驗時，其與驅替前緣后方的高含水飽和度和高總壓力梯度是相關的。納米顆粒的主要效果就是在驅替前緣產生穩定的乳狀液，該乳狀液降低侵入相的流動性，抑制指進的形成并且穩定驅替前緣，增大CO2飽和度。實驗條件下的乳狀液可以減小流動性，一方面是因為增加了侵入相流體的有效黏度，另一方面是減小了其相對滲透率。

實驗中非潤濕相（CO2）的剩余飽和度取決于最大的非潤濕相（CO2）飽和度。初始-剩余飽和度曲線（Initial-Residual Curve，IR Curve）可以表示出這兩個量。通常，IR曲線表現出許多相同的滲透介質性質，如毛細管壓力曲線。最重要的是，毛管壓力曲線的縱坐標是連續非濕相（CO2）和濕相（鹽水/納米顆粒溶液）之間的壓力差。但在含有納米顆粒的情況下，非濕相是不連續的，因為CO2被納米顆粒所包裹從而不連續。當某一相為不連續形式存在時，局部毛細管壓力是存在的，但它不是唯一的由于液滴大小變化造成的。

Land模型認為，在多孔介質中流體初始飽和度和剩余飽和度的倒數差是一個常數，其方程為

式中，Snwi和Snwr分別是非濕相的初始飽和度和剩余飽和度。

當C為0時，Land曲線是一條斜率為1的直線。隨著C的增大，曲線將會呈下降趨勢。由實際的實驗數據可知，鹽水實驗（實驗1和實驗2）中，C為2.45；納米顆粒實驗（實驗4）中，C為2.25。在實驗3、6和7中，C為3.45。在油田工程中，CO2注入方案的制定應選取盡可能小的C常量，以減緩氣水交替注入過程中CO2的黏性指進，使得更多的CO2能夠滯留或保存在地層中。

圖4　剩余-初始CO2飽和度分布及其理想IR曲線

3　結論

鹽水中存在納米顆粒時，CO2橫向流動變化大，可以減緩甚至消除指進，在巖心中產生穩定的乳狀液。在剩余-初始CO2飽和度分布圖中，根據Land方程，鹽水實驗中C常量為2.45，納米顆粒實驗中C常量為2.25。結合WAG技術和納米顆粒材料的室內實驗表明，納米顆粒對流體流動性控制能夠起到了很好的效果，能夠有效抑制CO2在孔隙介質中的運移。

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（修改稿收到日期 2015-10-12）

〔編輯 朱 偉〕

Infuence of nanoparticles on CO2transport characteristics in water alternating gas injection process

ZHANG Xing1，LIU Yutao2，LI Fang3，WANG Liqiang1，TANG Jianyun1
（1. Key Laboratory of Education Ministry for Petroleum Engineering，China Uniνersity of Petroleum（Beijing），Beijing 102249，China；2. Xinjiang Oilfield Company，Karamay 834000，China；3. Geological Research Institute，No.2 Oil Production Plant of Xinjiang Oilfield Company，Karamay 834000，China）

In order to effectively control CO2EOR and the fluidity of CO2fluid in CO2storage process，the nanoparticles are injected into reservoir or sandstone aquifer. In the indoor test，a CT scanner is used to observe and measure the flow pattern and saturation of fluid in the displacement of brine/nanoparticle solution by CO2as well as in the displacement of CO2by brine/nanoparticle solution. The research indicates that，in the nanoparticle solution test，the CO2displacement fronts are relatively consistent，the flow velocity of fluid is relatively low，and the initial CO2saturation and residual CO2saturation are higher than those in brine test. The nanoparticles drive CO2and brine to form the stable emulsion，reduce the fluidity of fluid，and increase the effective viscosity of fluid. According to the Land Equation，the constant C is 2.45 in brine test and is 2.25 in nanoparticle test. Therefore the constant C should be as less as possible during the formulation of the plan of CO2injection，so as to slow down the viscosity fingering during the alternate injection of gas and water，and retain or store more CO2in stratum.

water alternating gas； nanoparticle； CO2 saturation； transport characteristics； emulsion

TE312

A

1000-7393（ 2015 ） 06-0070-04 doi:10.13639/j.odpt.2015.06.017

國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）“二氧化碳減排、儲存和資源化利用的基礎研究”（編號：2011CB707300）；克拉瑪依理工學院科研啟動基金資助課題。

章星，1984年生。2014年博士畢業于中國石油大學（北京）油氣田開發工程專業，主要從事油氣田開發研究工作，教師。E-mail：zhangxingchina@126.com。