納米驅(qū)油劑在增注驅(qū)油中的作用*

任曉娟，王 睿，潘謙宏，齊 銀，阿斯亞·巴克，羅向榮

（1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安 710065；2.西安長(zhǎng)慶化工集團(tuán)有限公司，陜西西安 710018；3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西西安 710018）

隨著常規(guī)油氣資源的減少和石油勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)的不斷進(jìn)步，低滲儲(chǔ)層油氣資源逐漸接替常規(guī)油氣，日益成為油氣開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)［1—2］。低滲儲(chǔ)層“三低兩高”的特征［3］，使這類儲(chǔ)層常規(guī)注水困難，高壓欠注嚴(yán)重，不能滿足配注需求。因此加強(qiáng)低滲儲(chǔ)層采油新技術(shù)的開(kāi)發(fā)，提高水驅(qū)波及體積和驅(qū)油效率，是未來(lái)進(jìn)一步大幅度提高原油采收率的潛力所在［4］。近幾年，有關(guān)納米化學(xué)驅(qū)油技術(shù)的研究已經(jīng)引起了極大的關(guān)注，并且在低滲儲(chǔ)層中已得到了良好的效果和認(rèn)可，逐漸成為提高原油采收率技術(shù)發(fā)展的新方向。羅志等［5—8］研究了不同硅烷偶聯(lián)劑對(duì)納米SiO2表面改性的影響，篩選出性能較好的改性納米SiO2產(chǎn)品；雷群等［9—19］對(duì)納米驅(qū)油劑的制備、性能及在低滲儲(chǔ)層中的應(yīng)用可行性進(jìn)行了研究，并利用核磁掃描的方法，揭示了納米驅(qū)油劑擴(kuò)大水驅(qū)波及體積的機(jī)理為納米粒子能使水更易進(jìn)入常規(guī)水驅(qū)不能波及的低滲區(qū)域，擴(kuò)大波及體積。目前，國(guó)內(nèi)外研究者主要專注于納米驅(qū)油劑的研制與性能評(píng)價(jià)，但有關(guān)納米驅(qū)油劑在增注驅(qū)油中發(fā)揮作用的研究較少。本文首先評(píng)價(jià)了納米驅(qū)油劑的基本性能，然后通過(guò)棗灣區(qū)塊長(zhǎng)6 儲(chǔ)層天然巖心和微觀模型驅(qū)替實(shí)驗(yàn)研究了該納米驅(qū)油劑的流動(dòng)特征和驅(qū)油特征，進(jìn)一步發(fā)掘納米技術(shù)與化學(xué)驅(qū)油的有機(jī)結(jié)合點(diǎn)，以達(dá)到大幅提高原油采收率的目的。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

納米驅(qū)油劑，主要成分為硅烷偶聯(lián)劑改性納米SiO2，固含量為15%～25%，溶劑為蒸餾水，西安長(zhǎng)慶化工集團(tuán)有限公司；甲基硅油，化學(xué)純，道康寧公司；煤油，25℃下的密度為0.783 g/cm3、黏度為1.318 mPa·s，西安石油大學(xué)石油工程實(shí)驗(yàn)室；棗灣區(qū)塊長(zhǎng)6儲(chǔ)層兩塊圓柱形天然巖心及兩塊由長(zhǎng)方形天然巖心制作的微觀模型（見(jiàn)圖1），物性參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 用天然巖心制作的微觀模型照片

表1 天然巖心和微觀模型物性參數(shù)

LS 13 320 XR 激光衍射粒度分析儀，美國(guó)貝克曼庫(kù)爾特有限公司；JJ2000B 旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀、JC2000C 接觸角測(cè)量?jī)x，上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司；UV-2600紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，日本島津儀器有限公司；SZX16 體式顯微鏡，奧林巴斯（中國(guó)）有限公司西安分公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 納米驅(qū)油劑基本性能的評(píng)價(jià)

（1）粒度分布。用激光衍射粒度分析儀測(cè)定0.1%納米驅(qū)油劑的粒度分布曲線。（2）界面張力。參照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T5370—1999《表面及界面張力測(cè)定方法》，使用旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀在30℃、6000 r/min 轉(zhuǎn)速下測(cè)定0.1%～0.5%納米驅(qū)油劑與煤油的穩(wěn)態(tài)界面張力以及0.1%納米驅(qū)油劑在30～70℃下與煤油的穩(wěn)態(tài)界面張力。（3）潤(rùn)濕性。載玻片原始潤(rùn)濕性為親水性，用甲基硅油涂抹浸泡載玻片，烘干后使載玻片表面形成油膜，改變潤(rùn)濕性至親油性。參照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5153—2007《油藏巖石潤(rùn)濕性測(cè)定方法》，在30℃下用接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)定0.1%納米驅(qū)油劑和蒸餾水分別在潤(rùn)濕性不同的載玻片表面的潤(rùn)濕接觸角。（4）靜態(tài)吸附能力。根據(jù)納米驅(qū)油劑的波長(zhǎng)曲線選定紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)波長(zhǎng)數(shù)值為220 nm；配制0.1%的納米驅(qū)油劑并用蒸餾水平均稀釋10 個(gè)質(zhì)量分?jǐn)?shù)點(diǎn)，測(cè)定納米驅(qū)油劑10個(gè)質(zhì)量分?jǐn)?shù)下以蒸餾水為空白對(duì)照組的吸光度，并擬合納米驅(qū)油劑吸光度-質(zhì)量分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)曲線；研磨1#天然巖心殘余廢料至粉狀（100 目，即0.147 mm），并分成3 組，每組10 g，將每組巖心粉分別浸泡于50 mL 0.1%納米驅(qū)油劑溶液中，靜置24 h；經(jīng)過(guò)濾及離心后，每組分別提取5 mL上清液，測(cè)定上清液以蒸餾水為空白對(duì)照組的吸光度；將該吸光度與吸光度-質(zhì)量分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行對(duì)照，標(biāo)定上清液中納米驅(qū)油劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并按式（1）計(jì)算3組納米驅(qū)油劑的靜態(tài)吸附量。

式中，γ—納米驅(qū)油劑靜態(tài)吸附量，mL/g；V—納米驅(qū)油劑體積，mL；c1—納米驅(qū)油劑初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；c2—巖心粉浸泡于納米驅(qū)油劑后，所提取的上清液中納米驅(qū)油劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；M—巖心粉的體積，mL。

1.2.2 納米驅(qū)油劑增注驅(qū)油效果評(píng)價(jià)

在30℃下，參照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T5336—2006《巖心分析方法》和SY/T5345—2007《巖石中兩相流體相對(duì)滲透率測(cè)定方法》進(jìn)行天然巖心或微觀模型驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，具體步驟如下。（1）將天然巖心或微觀模型飽和蒸餾水后進(jìn)行油驅(qū)水實(shí)驗(yàn)，驅(qū)替至束縛水狀態(tài)時(shí)記錄出水體積，即天然巖心或微觀模型初始含油體積；（2）以一定的驅(qū)替壓力一次水驅(qū)5 PV以上，直至天然巖心或微觀模型內(nèi)液體流動(dòng)穩(wěn)定且不再出油，記錄一次水驅(qū)出油體積，并測(cè)定一次水驅(qū)滲透率，作為空白對(duì)照組；（3）向天然巖心或微觀模型中注入1 PV 納米驅(qū)油劑，靜置24 h；（4）以相同的驅(qū)替壓力二次水驅(qū)5 PV 以上，直至天然巖心或微觀模型內(nèi)液體流動(dòng)穩(wěn)定且不再出油，記錄二次水驅(qū)出油體積，并測(cè)定二次水驅(qū)滲透率，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米驅(qū)油劑基本性能

2.1.1 粒度分布

納米驅(qū)油劑的粒度分布曲線見(jiàn)圖2。經(jīng)過(guò)硅烷偶聯(lián)劑改性的納米SiO2在驅(qū)油劑中的粒徑分布主要在7.0～130.0 nm，平均粒徑為11.5 nm，說(shuō)明納米驅(qū)油劑中的改性納米SiO2微粒粒徑較小，有利于波及到納米級(jí)孔隙。

圖2 改性納米SiO2在納米驅(qū)油劑中的粒度分布

2.1.2 界面張力

由圖3可見(jiàn)，溫度（30℃）恒定時(shí)，納米驅(qū)油劑在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)的油水界面張力最低（0.784 mN/m），之后界面張力隨納米驅(qū)油劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高而升高，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.2%后，納米驅(qū)油劑的界面張力在1.107 mN/m上下波動(dòng)。由圖4可見(jiàn)，納米驅(qū)油劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)固定（0.1%）時(shí)，30℃下的油水界面張力最低（0.799 mN/m），之后隨溫度的上升，油水界面張力逐漸升高，表明納米驅(qū)油劑降低油水界面張力的能力隨溫度升高而降低。當(dāng)納米驅(qū)油劑在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%、溫度為30℃時(shí)的油水界面張力最低，有利于剝離吸附在孔隙表面的原油，并能減小油滴通過(guò)小孔喉因變形所做的功，使原油更易從小孔喉中被驅(qū)替至大孔喉處，有利于提高原油采收率。

圖3 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)納米驅(qū)油劑油水界面張力的影響

圖4 溫度對(duì)納米驅(qū)油劑油水界面張力的影響

2.1.3 潤(rùn)濕性

在30℃下，0.1%納米驅(qū)油劑和蒸餾水在親水載玻片上的潤(rùn)濕接觸角分別為22.5°和41.7°，在親油載玻片上的潤(rùn)濕接觸角分別為16.2°和97.4°。納米驅(qū)油劑在不同潤(rùn)濕性表面的接觸角均較低，可見(jiàn)納米驅(qū)油劑能增強(qiáng)巖石表面親水性，有利于驅(qū)油。

2.1.4 靜態(tài)吸附能力

以蒸餾水為空白對(duì)照組，納米驅(qū)油劑吸光度-質(zhì)量分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)曲線見(jiàn)圖5。10 g巖心粉在50 mL 0.1%納米驅(qū)油劑溶液中浸泡24 h 后，3 組納米驅(qū)油劑在巖心粉表面的靜態(tài)吸附量見(jiàn)表2。由表可見(jiàn)，納米驅(qū)油劑在巖石表面有一定的吸附能力。

圖5 納米驅(qū)油劑吸光度-質(zhì)量分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)曲線

表2 納米驅(qū)油劑在巖心粉表面的靜態(tài)吸附結(jié)果

2.2 納米驅(qū)油劑增注驅(qū)油效果

2.2.1 微觀模型驅(qū)替效果

微觀模型驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。在注入1 PV納米驅(qū)油劑后，兩塊微觀模型的水驅(qū)滲透率和驅(qū)油效率均明顯增加。說(shuō)明納米驅(qū)油劑具有提高水驅(qū)滲透率和驅(qū)油效率的能力，增注驅(qū)油效果較好。

表3 微觀模型驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果

微觀模型在束縛水狀態(tài)下進(jìn)行了一次水驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，使微觀模型達(dá)到殘余油狀態(tài)，并用SZX16 體式顯微鏡（放大倍數(shù)為4.8）記錄一次水驅(qū)前后煤油的分布狀態(tài)（見(jiàn)圖6）。一次水驅(qū)油后，3#微觀模型中間部分A2 區(qū)的可動(dòng)油變化不大，而模型兩側(cè)A1和A2 區(qū)的可動(dòng)油明顯減少，殘余油呈片狀集中分布在模型中部A2區(qū)；4#微觀模型右下方B2區(qū)的可動(dòng)油變化不大，而左上方B1區(qū)中的可動(dòng)油明顯減少，殘余油呈網(wǎng)狀分散分布在模型整體。說(shuō)明常規(guī)水驅(qū)油效率較低，仍存在大量殘余油，驅(qū)替潛力較高。

圖6 微觀模型一次水驅(qū)前后煤油的分布狀態(tài)

微觀模型在殘余油狀態(tài)下注入1 PV 納米驅(qū)油劑并靜置24 h 后進(jìn)行了二次水驅(qū)。微觀模型二次水驅(qū)前后煤油的分布狀態(tài)見(jiàn)圖7。注入納米驅(qū)油劑再次水驅(qū)后，3#微觀模型中部A2 區(qū)呈片狀集中分布的殘余油逐漸被驅(qū)出，其余部分變化不大，二次水驅(qū)殘余油呈零星狀分布；4#微觀模型僅有少量油被驅(qū)出，整體含油面積變化不大，殘余油仍呈網(wǎng)狀分散分布，可見(jiàn)納米驅(qū)油劑對(duì)片狀集中分布?xì)堄嘤偷尿?qū)替效果好于網(wǎng)狀分散分布的殘余油，并且可以驅(qū)出常規(guī)水驅(qū)不能驅(qū)出的可動(dòng)油，使驅(qū)油效率增加。

圖7 微觀模型二次水驅(qū)前后煤油的分布狀態(tài)

對(duì)比圖6和圖7可見(jiàn)，一次水驅(qū)后，殘余油主要為小孔隙中被圈閉的油及孔隙表面吸附的油；注入納米驅(qū)油劑浸泡并二次水驅(qū)后，這部分殘余油逐漸被驅(qū)出，二次水驅(qū)殘余油呈細(xì)條狀，滯留在更小的孔隙中。由此可見(jiàn)，納米驅(qū)油劑能波及到常規(guī)水驅(qū)波及不到的小孔隙，并能剝離吸附在孔隙表面的油。

2.2.2 巖心驅(qū)替效果

天然巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。在注入1 PV納米驅(qū)油劑后，兩塊巖心的水驅(qū)滲透率均提高。二次水驅(qū)后仍有清澈的油滴被驅(qū)出，油水分離明顯，沒(méi)有乳化層。說(shuō)明納米驅(qū)油劑具有提高水驅(qū)滲透率和驅(qū)油效率的能力，增注驅(qū)油效果較好。

表4 天然巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑改性的納米SiO2顆粒粒徑較小，以其為主要成分的納米驅(qū)油劑具有較低的油水界面張力、良好的親水性及一定的靜態(tài)吸附能力，且對(duì)片狀集中分布的殘余油的驅(qū)替效果優(yōu)于網(wǎng)狀分散分布的殘余油，可以用于驅(qū)替捕獲常規(guī)水驅(qū)波及不到的圈閉在小孔隙中的殘余油，實(shí)現(xiàn)水驅(qū)滲透率和驅(qū)油效率的提高，達(dá)到增注驅(qū)油的目的。