納米驅油劑性能評價探索*

鄔國棟，麥爾耶姆古麗·安外爾，潘竟軍，鄧偉兵，張敬春，張鳳娟，王牧群，翟懷建

（1.中國石油新疆油田分公司工程技術研究院，新疆克拉瑪依 834000；2.中國石油天然氣集團有限公司納米化學重點實驗室，北京 100083）

0 前言

新疆油田瑪湖低滲透砂礫巖油藏常規(guī)開發(fā)采收率低，剩余資源大量地分布在地下空間大小只有幾個微米甚至納米尺寸的儲集層中，以目前的常規(guī)技術難以動用。納米驅油劑iNanoW1.0是中國石油勘探開發(fā)研究院研發(fā)的改性納米二氧化硅產品［1-2］，具有破壞水分子間的氫鍵締合作用，能有效降低水分子團簇大小，將自然狀態(tài)存在的普通水變成“小分子水”，從而使水進入細小孔隙和吼道，擴大特低滲透區(qū)域的波及體積。納米驅油劑可以有效降低注水的啟動壓力，解決水注不進去或注入壓力高的難題［3-4］。納米驅油劑壓裂液可以通過降低毛細管力增強地層自發(fā)滲析作用，實現壓裂液破膠液對致密油納米孔隙中原油的清洗和置換，最大限度地提高儲層原油采收率，達到增產增效的目的［5-6］。目前，納米驅油劑在提高采收率方面研究，主要是通過潤濕性能、原油置換性能評價或者用可視化微觀模型評價洗油效果、探索驅油機理，用常規(guī)的壓裂液性能評價實驗方法開展納米驅油劑性能評價實驗，從宏觀實驗現象中尋找納米驅油劑的表現特征，尚未見報道。本文通過常規(guī)評價手段評價納米驅油劑材料的性能，旨在探索納米驅油劑性能評價方法，為納米驅油劑注水、壓裂現場應用提供技術支撐，進一步提高儲藏開發(fā)效果。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

納米驅油劑iNanoW1.0，有效含量20%，中國石油勘探開發(fā)研究院；表面活性劑為壓裂用非氟碳類助排劑MJ-1，新疆康恩實業(yè)石油化工有限公司；蒸餾水；氯化鉀，工業(yè)級；納膨潤土：符合石油天然氣行業(yè)標準SY/T 5971—2016的要求；煤油：實驗試劑；巖心，取自準噶爾盆地陸梁區(qū)塊，巖心參數如表1所示。

表1 準噶爾盆地陸梁區(qū)塊驅替實驗用巖心參數

DCAT21 型表/界面張力儀，德國Dataphysics 公司；TX500C 型全量程界面張力儀，美國彪維公司；OCA20型視頻光學接觸角測量儀，美國CNG公司；NP-03 型微電腦頁巖膨脹測試儀，無錫市石油儀器設備有限公司；KA-1000型離心機，上海安亭科學儀器廠；玻璃毛細管（0.3～1.45 mm），上海積裕實驗室設備有限公司；CFS200 型氣液兩相巖心流動系統(tǒng)，法國艾迪科技國際有限公司。

1.2 實驗方法

（1）表、界面張力測定

首先用蒸餾水配制不同濃度納米驅油劑溶液，再向不同濃度的納米驅油劑溶液中分別加入0.3%的表面活性劑MJ-1，然后在室溫（25 ℃）和120 ℃下分別將納米驅油劑溶液和納米驅油劑+表面活性劑復配體系陳化6 h。在25 ℃下，采用吊片法測定不同濃度納米驅油劑溶液和納米驅油劑+表面活性劑復配體系的表面張力；在室溫、轉速6000 r/min 條件下，采用界面張力儀分別測定納米驅油劑溶液、納米驅油劑+表面活性劑復配體系與煤油間的界面張力。

（2）接觸角測定

在常溫下，采用接觸角測定儀測試不同濃度納米驅油劑水溶液在載玻片表面的接觸角，分別讀取自液滴與載玻片接觸后0.5、1和2 min時的接觸角，每個樣重復測定3次，取平均值。

（3）毛細管高度測定

在100 mL 的燒杯中配制相同體積不同濃度的納米驅油劑溶液，分別用不同直徑（0.3～1.45 mm）的開口毛細管垂直插入納米驅油劑溶液，待毛細管中液面穩(wěn)定后，讀取毛細管液面高度。

（4）防膨率測定

參照中國石油天然氣行業(yè)標準SY/T 5971—2016《油氣田壓裂酸化及注水用黏土穩(wěn)定劑性能評價方法》中的“防膨率測定——離心法”，測定鈉膨潤土在黏土穩(wěn)定劑溶液和蒸餾水中體積膨脹增量，按式（1）計算防膨率：

式中：B1—防膨率，%；V2—納膨潤土在試驗用水中的膨脹體積，mL；V1—納膨潤土在黏土穩(wěn)定劑溶液中的膨脹體積，mL；V0—納膨潤土在煤油中的膨脹體積，mL。

（5）巖心驅替實驗

采用恒流模式（流量0.2 mL/min），在壓力25 MPa、常溫下，分別用蒸餾水、0.1%納米驅油劑蒸餾水溶液正向驅替巖心，記錄48 h內上游壓力變化和出液量。

2 結果及討論

2.1 納米驅油劑溶液的表/界面性能

2.1.1 表/界面張力

不同濃度的納米驅油劑iNanoW1.0 體系和iNanoW1.0+0.3%表面活性劑MJ-1復配體系的表面張力及其與煤油間的界面張力測定結果分別見圖1和圖2。不同質量分數（0.01%～0.5%）的iNanoW1.0 體系的表面張力為59.06～65.02 mN/m，iNanoW1.0 體系與原油間的界面張力為26.94～31.36 mN/m，沒有表現出與水明顯不同的表/界面性能；納米驅油劑iNanoW1.0+0.3%表面活性劑MJ-1復配體系的表/界面張力與0.3% 表面活性劑MJ-1溶液的表/界面張力相當，納米驅油劑基本不影響表面活性劑水溶液的表/界面張力。

圖1 不同濃度納米驅油劑iNanoW1.0體系和iNanoW1.0+0.3% MJ-1復配體系的表面張力

圖2 不同濃度納米驅油劑iNanoW1.0體系和iNanoW1.0+0.3% MJ-1復配體系分別與煤油間的界面張力

2.1.2 潤濕性

將不同質量分數（0.01%～0.5%）的納米驅油劑iNanoW1.0 體系滴在載玻片上，不同時間后的接觸角測量結果見表2。由表2 可知，不同質量分數（0.01%～0.5%）的納米驅油劑iNanoW1.0 體系在玻璃載玻片上的接觸角在0.5 min 時為14°～17°，1 min 時為12°～17°，2 min 時為7°～14°。納米驅油劑水溶液為水潤濕體系，基本沒有改變水在玻璃載玻片上的接觸角。

表2 不同濃度納米驅油劑iNanoW1.0體系在載玻片上的接觸角隨時間變化

2.1.3 毛細管高度

液體在毛細管中的上升高度取決于向上的毛細管力和液體自身重力兩方面。毛細管力的大小與毛細管內徑和液體分子的內聚力有關。親水毛細管內徑越小、液體分子內聚力越大，則毛細管力越大，液體在毛細管中的上升高度就越高。對于水溶液而言，水分子間的氫鍵作用越大，水分子內聚力越大，在毛細管中的毛細管力越大，水在毛細管中的上升高度就越大；反之，水分子間的氫鍵作用越小，水分子內聚力越小，在毛細管中的毛細管力越小，水在毛細管中的上升高度就越小。不同質量分數（0.01%～0.5%）的納米驅油劑iNanoW1.0 體系在不同內徑毛細管中的液面高度見圖3。從圖3 可以看出，納米驅油劑iNanoW1.0 體系在毛細管中上升高度小于清水的。當iNanoW1.0 質量分數大于0.1%時，在內徑0.3～1.45 mm 的毛細管中，液面高度變化不大，趨于穩(wěn)定。毛細管內徑越小，蒸餾水與不同濃度iNanoW1.0水溶液在毛細管中的液面高度相差越大。說明納米驅油劑iNanoW1.0可減弱水分子間的氫鍵作用，隨著毛細管內徑的減小，重力作用優(yōu)勢逐漸突出，納米驅油劑iNanoW1.0 注入細小孔隙更能表現出優(yōu)勢，有利于降低啟動壓力。

圖3 不同質量分數的iNanoW1.0體系在不同內徑毛細管內的液面上升高度

2.2 納米驅油劑的防膨性能

用離心法測量膨潤土在不同質量分數（0.01%～0.5%）的iNanoW1.0 體系以及KCl 水溶液中的膨脹高度，結果見表3。膨潤土在iNanoW1.0體系中的膨脹體積大于在蒸餾水中的膨脹體積，且iNanoW1.0質量分數越大膨脹體積越大。納米驅油劑iNanoW1.0 的加入會增加膨潤土在水中膨脹體積。膨潤土以蒙脫石為主，蒙脫石為“三明治”型層狀硅酸鹽結構，水分子進入蒙脫石晶層，使晶層間距加大而發(fā)生膨脹。納米驅油劑iNanoW1.0使水更容易進入蒙脫石晶層，促進了膨潤土的膨脹。

表3 膨潤土在不同測試體系中的膨脹高度（離心法）

向不同濃度的納米驅油劑iNanoW1.0體系中分別加入2%、4%的KCl，防膨率見圖4。可以看出，隨著iNanoW1.0 質量分數的增加，防膨率呈現逐漸增大的趨勢，納米驅油劑提高了防膨劑KCl 的防膨效果。這是因為納米驅油劑的加入減小了氯化鉀水溶液分子團簇大小，增加了氯化鉀與黏土類礦物接觸的比表面積，增加了氯化鉀中鉀離子與巖石礦物石英晶格充填的程度，從而降低了黏土礦物膨脹的程度。

圖4 2% KCl、4% KCl與iNanoW1.0復配體系的防膨性能（離心法）

2.3 巖心驅替效果

蒸餾水、0.1%的納米驅油劑iNanoW1.0 體系驅替巖心實驗結果如圖5 和圖6 所示。蒸餾水在25 MPa下48 h未通過巖心，而0.1%的iNanoW1.0體系在25 MPa下48 h后出液量達到0.52 mL。納米驅油劑iNanoW1.0 的加入提高了水在巖心中的注入能力。這可能是因為納米驅油劑iNanoW1.0實現了將“普通水”變成“小分子水”，“小分子水”可通過“普通水”所通不過的納米孔隙。

圖5 蒸餾水驅替實驗曲線（1#巖心）

圖6 0.1%納米驅油劑溶液驅替實驗曲線（2#巖心）

3 結論

納米驅油劑iNanoW1.0 體系的表/界面張力和潤濕性與水相近。納米驅油劑iNanoW1.0可減弱水分子間的氫鍵作用，重力作用優(yōu)勢逐漸突出，細小孔隙的滲入方面更能表現出納米驅油劑的優(yōu)勢，有利于降低啟動壓力。

納米驅油劑iNanoW1.0會增強水進入蒙脫石晶層中的能力；同樣，納米驅油劑iNanoW1.0也會增強防膨劑水溶液進入蒙脫石晶層中的能力，提高防膨劑的防膨效果，有助于水敏油藏的開發(fā)。

納米驅油劑iNanoW1.0提高了水在巖心中的滲流能力，使原來不能實施水驅的低滲透巖心能夠建立驅替關系，這將大大增加低滲透油藏水驅可動用儲量，提高壓裂縫控儲量，對低滲透-致密儲層開發(fā)方式產生革命性影響。