SiO2納米流體在低滲透油藏中的驅油性能和注入參數優(yōu)化*

尚丹森，侯吉瑞，程婷婷

（1.中國石油大學（北京）非常規(guī)油氣科學技術研究院，北京 102249；2.中國石油三次采油重點實驗室低滲透油田提高采收率應用基礎理論研究室，北京 102249）

目前，常規(guī)的中高滲透油田已進入開發(fā)末期，低滲油藏成為油田開發(fā)關注的重點［1—4］。我國低滲透油氣資源儲量豐富，但低滲透油藏孔隙喉道狹窄、滲流能力差［5—6］，在中高滲油藏驅油效果顯著的復合驅體系因難以注入地層而無法用于低滲透油藏。我國低滲透油藏以注水開發(fā)為主，存在注入壓力高、驅油效果差等問題［6—9］，因此需要探索低滲透油藏提高采收率的方法。隨著納米技術的出現，納米流體被應用于油田開發(fā)。實驗研究表明，納米顆粒可以降低油水界面張力、乳化原油、改善潤濕性、產生楔形滲透等作用，在低滲透油藏中使用納米流體可以提高采收率［10—18］。在眾多納米顆粒中，SiO2納米顆粒具有易于改性、方便獲取、純度較高、價格低廉的優(yōu)勢，具備大規(guī)模生產應用的潛力。

SiO2納米顆粒用于提高采收率的報道較多，SiO2納米流體被證實可以提高采收率［15—20］。盡管如此，在諸多報道中僅指出SiO2納米流體可以用于提高采收率，未見對SiO2納米流體注入參數的研究。而實際上SiO2納米流體的注入速率、注入量以及SiO2納米顆粒濃度等注入參數對提高采收率均有較大影響，有必要對注入參數進行研究?；诖?，本文采用實驗室自制的具有一定疏水性能的SiO2納米顆粒，評價了SiO2納米流體的穩(wěn)定性和改善界面張力的效果，從含水率變化、壓力變化、提高采收率三個方面對SiO2納米流體驅油效果進行了評價，研究了注入量、注入速率、納米顆粒濃度對提高采收率的影響，并優(yōu)化了注入參數。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

氨水、正硅酸乙酯、烷基酚聚氧乙烯醚，分析純，上海麥克林生化科技有限公司；模擬地層水，實驗室自制，礦化度6777.8 mg/L，主要離子組成（單位mg/L）為：Na+2183、K+10.5、Ca2+23.1、Mg2+66.2、Cl-2363.5、2054.4、77.1；無水乙醇，藥用級，上海麥克林生化科技有限公司；去離子水，上海麥克林生化科技有限公司；模擬油，實驗室自制，由某油田脫氣脫水原油與航空煤油配制而成，在50℃、轉速6 r/min 下的黏度為5.1 mPa·s。露頭巖心，長、寬、高分別為4.5、4.5、30 cm，氣測滲透率為20×10-3μm2。

KQ2200E超聲波清洗器，昆山超聲波儀器有限公司；Nano ZS3600 型激光納米粒度及Zeta 電位測定儀，英國馬爾文公司；Bruker-TensorⅡ型傅里葉變換紅外光譜儀，美國Bruker 公司；Texas-500 型旋滴界面張力儀，德國Dataphysics公司；DV-Ⅱ型布氏黏度計，美國Brookfield公司。

1.2 實驗方法

（1）改性SiO2納米流體的制備

在25℃下，將一定質量的氨水、去離子水和乙醇加入三口瓶中，待溶液均勻混合后再加入一定量的正硅酸乙酯和乙醇，并密封三口瓶；待反應完畢后，繼續(xù)加入一定質量的烷基酚聚氧乙烯醚，在50℃下超聲分散30 min后停止；將反應溶液洗滌過濾，轉移至去離子水中密封保存于室溫［21］。

使用去離子水稀釋納米SiO2母液（母液中納米SiO2的質量分數為1.0%），配制不同質量分數的SiO2納米流體。

（2）紅外光譜表征

取制備的納米SiO2顆粒用KBr 壓片，用傅里葉變換紅外光譜儀進行分析，分辨率0.01 cm-1，波數范圍4000～400 cm-1。

（3）納米SiO2粒度和Zeta電位分析

取30 mL 的SiO2納米流體于燒杯中，用超聲波清洗機對其進行超聲分散30 min。在50℃下，用激光納米粒度及Zeta 電位測定儀分別測定溶液中SiO2納米顆粒的粒徑和Zeta電位。

（4）界面張力測定

在50℃、5000 r/min 的條件下測定SiO2納米流體與模擬油間的平衡界面張力（穩(wěn)定值）。

（5）驅油實驗

驅油實驗具體步驟如下：①烘干露頭巖心，并氣測滲透率，挑選滲透率水平相當的巖心；②對露頭巖心抽真空，飽和模擬地層水；③飽和模擬油，老化72 h，計算初始含油飽和度；④水驅至出口含水98%以上，注入一定量的納米流體，并后續(xù)水驅至出口含水98%以上為止。以上過程均在50℃的恒溫箱中進行，飽和油速率為0.02 mL/min，自步驟④起全程記錄實驗壓力。納米流體的注入量分別為0.3、0.5、0.7 PV；注入速率分別為0.1、0.2、0.3 mL/min；納米流體中SiO2質量分數分別為0.05%、0.15%、0.25%。

2 結果與討論

2.1 SiO2納米顆粒的紅外光譜和粒度分析

改性前后納米二氧化硅顆粒的紅外光譜如圖1所示［21］。改性前的二氧化硅顆粒，在463.30 cm-1處為Si—O—Si 的彎曲振動峰，801.95 cm-1處為O—Si—O 的彎曲振動峰，952.84 cm-1處為Si—OH 的伸縮振動峰，1097.71 cm-1處為Si—O—Si 的伸縮振動峰，1637.24 cm-1為水的H—O—H 的彎曲振動峰，3434.31 cm-1處為結構水—OH 的反對稱伸縮振動峰。改性二氧化硅顆粒，在459.78 cm-1處為Si—O—Si 的彎曲振動峰，799.02 cm-1處為O—Si—O 的彎曲振動峰，955.97 cm-1處為Si—OH 的伸縮振動峰，1401.71 cm-1處為—CH2彎曲振動平面剪式振動吸收峰，2893.31 cm-1和2952.01 cm-1處為—CH2的伸縮振動吸收峰。納米二氧化硅改性后，納米二氧化硅表面的結合水—OH 的峰變弱，在1097.65 cm-1處Si—O—Si伸縮振動峰增強，且在1401.71 cm-1處出現了—CH2彎曲振動平面剪式振動吸收峰，這表明烷基酚聚氧乙烯醚成功鍵合到了二氧化硅顆粒表面，納米SiO2顆粒改性成功［21—22］。

圖1 改性前后SiO2納米顆粒的紅外光譜圖

質量分數0.05%的改性SiO2納米顆粒的粒徑分布如圖2 所示。由圖2 可知，改性SiO2納米顆粒的粒徑分布曲線呈“鐘形”，近似正態(tài)分布，曲線形態(tài)并不嚴格對稱，曲線的峰稍微偏向細粒度一側，峰對應的直徑為50.75 nm。

圖2 SiO2納米顆粒的粒徑分布

2.2 納米SiO2流體的穩(wěn)定性

體系的Zeta電位絕對值越大，體系的穩(wěn)定性越強，反之，體系的穩(wěn)定性越差。不同質量分數的改性納米SiO2顆粒的Zeta電位見圖3。由圖3可知，改性納米SiO2顆粒的表面帶負電荷，當改性納米SiO2顆粒的質量分數由0.03%增至0.25%時，Zeta 電位由-38.2 mV 升至-18.4 mV，Zeta 電位的絕對值變小，溶液穩(wěn)定性變差。這是因為體系中納米顆粒濃度過高時，顆粒與顆粒之間的間距縮小，碰撞和聚集的概率和頻率增加，彼此間相互作用增強，顆粒之間相互趨近發(fā)生聚集，導致體系的穩(wěn)定性變差。綜上，納米SiO2顆粒的濃度不宜過高，當質量分數低于0.15%時，體系具有較好的穩(wěn)定性。

圖3 不同加量納米SiO2體系的Zeta電位

2.3 油水界面張力

不同濃度的改性納米SiO2體系與原油間的界面張力見圖4。由圖4可知，改性納米SiO2顆粒質量分數為0.03%～0.15%時，界面張力隨納米顆粒質量分數的增大而顯著降低，界面張力降低1個數量級；在質量分數為0.15%～0.25%時，界面張力略有升高，但仍維持在10-1mN/m數量級；曲線最低點對應的界面張力值為0.55 mN/m。納米顆粒在油水界面上的吸附量越大，界面活性越高，故界面張力隨改性納米SiO2顆粒濃度的增大而降低；當改性納米SiO2顆粒在油水界面上達到飽和吸附，界面張力達到最低；納米SiO2顆粒濃度繼續(xù)升高時，改性納米SiO2顆粒在油水界面上的吸附與脫附的動態(tài)平衡被破壞，導致界面張力稍有增大。

圖4 不同加量納米SiO2顆粒體系與模擬油間的界面張力

2.4 注入參數優(yōu)化

質量分數為0.15%的改性納米SiO2顆粒體系的注入速率對提高采收率的影響如圖5 所示，注入量為0.5 PV。由圖5可知，注入速率越大，提高采收率效果越差。這是由于注入速率過快時，改性納米SiO2顆粒隨體相運移過快，顆粒與巖石壁面的接觸時間變短，不利于顆粒在巖石壁面上的吸附，導致提高采收率效果變差。結合提高采收率的效果，建議納米流體的注入速率為0.1 mL/min。

圖5 不同注入速率條件下的驅油效果

質量分數為0.15%的改性納米SiO2顆粒體系注入量對提高采收率的影響如圖6 所示，注入速率為0.1 mL/min。由圖6 可知，隨著注入量的增大，改性納米SiO2顆粒體系提高采收率效果逐漸變好。注入量由0.3 PV增至0.5 PV時，提高采收率的增加幅度為3.43%；注入量由0.5 PV增至0.7 PV時，提高采收率的增加幅度為1.18%；隨著注入量的增大，提高采收率的增加幅度逐漸變小。在工程實踐中，0.7 PV 的注入量不太現實，而且注入量由0.5 PV 增至0.7 PV 時，提高采收率的增加幅度僅為1.18%，結合提高采收率的效果，建議納米流體的注入量為0.5 PV。

圖6 不同注入量下的驅油效果

圖7 不同SiO2納米顆粒濃度下的驅油效果

注入速率為0.1 mL/min、注入量為0.5 PV時，改性納米SiO2顆粒體系濃度對提高采收率的影響如圖7 所示。由圖7 可知，隨著改性納米SiO2顆粒質量分數的增大，提高采收率效果先變好后變差。改性納米SiO2顆粒質量分數為0.15%時的提高采收率效果最好。這是因為改性納米SiO2顆粒濃度過高時，巖石壁面上吸附了過多的SiO2納米顆粒，滲流通道變小，因此提高采收率效果變差。結合提高采收率的效果，建議改性納米SiO2顆粒質量分數為0.15%。

2.5 驅油性能

根據2.4 節(jié)的參數優(yōu)化結果，在注入速率0.1 mL/min、注入量0.5 PV、納米SiO2顆粒質量分數0.15%的條件下，考察SiO2納米流體的驅油性能，結果如圖8 所示。從含水率和采收率曲線看，納米流體在注入0.3 PV后開始見效，在納米流體驅階段含水率持續(xù)降低，采收率逐漸提高。在后續(xù)水驅階段，含水率繼續(xù)降低，而后開始升高，含水率最低時為63%，采收率大幅度增加，水驅基礎上提高采收率25%以上。這說明SiO2納米流體可以有效啟動殘余油，降低含水率，提高采收率。從壓力曲線看，在納米流體驅階段，注入壓力明顯降低，后續(xù)水驅階段的平穩(wěn)壓力低于水驅結束時的壓力，這是因為SiO2納米流體不僅可以降低界面張力，而且還可以改善巖石壁面的潤濕性。以上結果說明SiO2納米流體可以有效降低注入壓力，起到降壓增注的作用，并能夠提高采收率20%以上。

圖8 SiO2納米流體的驅油動態(tài)

3 結論

改性納米SiO2顆粒的平均粒徑為50.75 nm，表面帶負電，溶液中SiO2納米顆粒的濃度越高，Zeta電位的絕對值越小，體系穩(wěn)定性越差，質量分數在0.15%以下時體系具有較好的穩(wěn)定性。

隨改性納米SiO2顆粒質量分數的增大，SiO2納米流體與模擬油間的界面張力先下降后上升，當質量分數為0.15%時，界面張力最低，為0.55 mN/m。

改性納米SiO2流體提高采收率效果隨納米流體注入量的增大而變好，隨注入速率的增大而變差，隨納米SiO2顆粒濃度的增大先變好后變差；結合工程實際和提高采收率效果，建議SiO2納米流體的注入參數為：注入速率0.1 mL/min、注入量0.5 PV、納米SiO2顆粒質量分數0.15%。在建議的注入參數下，SiO2納米流體不僅能夠大幅提高采收率25.41%，而且可以有效降低含水率，降低注入壓力，起到降壓增注的作用。