稠油納米降黏劑的室內研究及評價

張立權

(中海油田服務股份有限公司油田化學事業部，廣東 湛江 524057)

恩平某油田原油密度為0.919～0.935 g·cm-3，黏度為111.18～277.77 mPa·s，瀝青質含量為5.58%，地面原油密度為0.941～0.959 g·cm-3，依據黏度標準劃分，恩平某油田原油屬于普通稠油。由于稠油開采難度大、成本高，如何降低稠油黏度、改善稠油流動性是目前稠油開采所面臨的主要技術難題[1]。國內外使用的水基鉆井液用降黏劑主要有丹寧類、木質素類、聚丙烯酸類等，主要目的是降低鉆井液的黏度，使鉆井液具有較好的流變性能。目前使用的稠油降黏劑均是在完井液或者水中均勻分散后，直接加入到稠油中，而不是直接加入到鉆井液中。作者研制了一種以納米硅為主劑的稠油納米降黏劑MLA，將其加入到水基鉆井液中，室內研究其對水基鉆井液流變性能的影響和降黏效果。

1 稠油納米降黏劑的研制及作用機理

稠油組分異常復雜，不同油田或者同一油田的不同油藏、同一油層的不同井組、甚至同一井組的不同井段之間組成千差萬別的現象也十分普遍[2-3]。因此，不同稠油對降黏劑的要求也不同，且降黏劑對稠油的選擇性也很強，目前還沒有一種能適用于所有稠油的降黏劑。

瀝青質是極性最強的油餾分，含有低比例的脂族/芳族鏈，具有可以自聚集的雜環原子結構，可形成膠體聚集，從而提高原油黏度[4-5]。由于瀝青質極易吸附在油水界面，形成穩定的油包水型黏膜從而增大油水界面張力[6-8]。當原油以低濃度存在于納米顆粒中時，納米顆粒與瀝青質聚集體相互作用，聚集體發生分解現象，從而改變瀝青質膠體結構，原油黏度會顯著降低[9]。針對稠油含有大量膠質、瀝青質的特點，以拆散稠油中膠質和瀝青質重疊堆砌而成的聚集體和減小流動時流體層之間的阻力為出發點，合成具有極性基團的納米硅降黏劑。納米硅具有可反應的雙鍵結構，可用于自由基聚合反應，而且具有微納米結構的表面容易使流體發生滑移現象，從而減小流體層相對運動時受到的摩擦力[10]。

1.1 試劑與儀器

8 nm SiO2納米顆粒，金谷新材料有限公司；硫酸(分析純)；氫氧化鈉(分析純)；四氫苯酐，北京泰亞杰科技有限公司；三乙醇胺(分析純)；乙醇(分析純)；氟碳表面活性劑，上海修美新材料科技有限公司。

FS-600N型超聲波處理器，上海生析超聲儀器有限公司；BLS-BT型數顯恒溫磁力加熱攪拌器，常州春秋電子儀器有限公司；TDL-60D型低速臺式離心機，上海安亭科學儀器廠；101型電熱鼓風干燥箱，北京永光明醫療儀器有限公司；反應釜、調和釜，湖北創聯石油科技有限公司；Model TX500C型界面張力儀；布氏黏度計；接觸角測量儀，上海中晨數字技術設備有限公司。

1.2 稠油納米降黏劑的研制

(1)將8 nm SiO2納米顆粒用0.3%硫酸進行酸化，得到pH值為4的溶液；然后用0.3%氫氧化鈉溶液堿化，得到pH值為11的溶液。將堿化后的溶液在室溫下超聲處理3 h，用磁力攪拌器以100 r·min-1攪拌15 h后，于4 500 r·min-1離心30 min。將所得的SiO2納米顆粒噴霧干燥，待用。

(2)將30份(質量份，下同)四氫苯酐、35份三乙醇胺和100份水依次加入反應釜中，攪拌升溫至90 ℃反應3 h；加入混合均勻的45份SiO2納米顆粒和20份乙醇，繼續升溫至180 ℃反應1.5 h，降溫至90 ℃后轉入調和釜，加入20份氟碳表面活性劑，在180 ℃、0.2 MPa下反應40 min后，循環過濾，冷卻至室溫，即得棕色液體狀納米降黏劑MLA。

1.3 稠油納米降黏劑的作用機理

(1)納米降黏劑MLA中的羧基、氟碳基、納米硅等基團不僅能爭奪瀝青質聚集體中的金屬離子，導致大分子聚集體的瀝青質因失去金屬離子的橋接作用而解體，分子變小，起到分散瀝青質的作用；還能形成較強能力的氫鍵，爭奪稠油氫鍵中的氫形成新的氫鍵，導致稠油氫鍵崩解，從而降低稠油黏度。

(2)納米硅表面酸改性會影響分子間的相互作用力，且形成的硅烷醇基納米顆粒和瀝青質之間的吸引力較大，納米顆粒的親和力導致瀝青質聚集體碎裂[11]，影響其膠體結構和稠油的內部結構，從而降低稠油黏度。

(3)加入的氟碳表面活性劑能防止水基鉆井液濾液與稠油發生乳化，能在低油水比情況下，與稠油形成流動性能良好的稠油乳狀液，具有潤濕反轉功能。

傳統表面活性劑作稠油降黏劑時，需要在開采時注入大量的水，且形成的乳狀液必須具有一定的穩定性，導致開采出的稠油破乳脫水難度加大，處理量增加，開采成本提高。而作者室內研制的納米降黏劑可以直接加入到水基鉆井液中使用，無需注水處理。

2 稠油納米降黏劑的性能評價

2.1 稠油黏度測試

稠油處理方法：(1)加熱脫水法：將恩平區塊稠油在150 ℃下蒸掉水分；(2)靜置油水分離法：將稠油置于燒杯中靜置分層5 h后，取上層稠油。采用布氏黏度計分別測試處理后的稠油在20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、75 ℃下的黏度，對比2種處理方法下溫度對稠油黏度的影響，結果見圖1。

圖1 溫度對稠油黏度的影響Fig.1 Effect of temperature on viscosity of heavy oil

從圖1可以看出，隨著溫度從20 ℃升至75 ℃，稠油黏度逐漸降低，受溫度影響較大，在模擬恩平地層溫度68.1～75.9 ℃下，加熱脫水的稠油黏度和靜置油水分離的上層稠油黏度非常接近。因此，后續實驗采用靜置油水分離的上層稠油。

2.2 降黏劑對鉆井液性能的影響

水基鉆井液配方：海水+2.0%搬土漿+0.3%NaOH+0.2%Na2CO3+2.5%防水鎖劑+3.0%流型調節劑+2.0%降黏劑+3.5%降失水劑+2.0%封堵劑+3.0%潤滑劑+KCl加重至1.1 g·cm-3，80 ℃老化16 h。按上述配方配制水基鉆井液，分別測定降黏劑為空白、MLA時水基鉆井液的流變性能；取水基鉆井液API濾液，按稠油∶濾液=20∶80(體積比)混合均勻后，采用界面張力儀測定油水界面張力，結果見表1。

表1 降黏劑對水基鉆井液流變性能的影響及油水界面張力評價Tab.1 Effect of viscosity reducer on rheological property of water-based drilling fluid and evaluation of oil-water interfacial tension

從表1可以看出，納米降黏劑MLA對水基鉆井液體系的流變性能幾乎無影響，且能大幅降低油水界面張力。

2.3 降黏效果評價

按含水率5%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%，分別稱取靜置后的上層稠油與蒸餾水或水基鉆井液API濾液于500 mL燒杯中，分別置于40 ℃、75 ℃的恒溫水浴鍋中恒溫1 h；用低速攪拌器攪拌樣品2 min；在20 s內迅速采用布氏黏度計分別測試40 ℃、75 ℃下，不同含水率的稠油與蒸餾水、API濾液乳狀液的黏度μ0、μ。按式(1)計算降黏劑在水基鉆井液中對稠油乳狀液的降黏率(f，%)：

(1)

降黏劑的降黏效果見圖2。

圖2 降黏劑的降黏效果Fig.2 Viscosity reduction effect of viscosity reducer

從圖2可以看出，含水率對稠油乳狀液的黏度及穩定性有明顯的影響。在同一含水率條件下，溫度升高有利于水包油型乳狀液的形成，在稠油乳狀液含水率為20%時，75 ℃下降黏率高達60%以上，表明納米降黏劑MLA在水基鉆井液中能有效降低稠油乳狀液黏度。當含水率為30%～50%時，納米降黏劑MLA對稠油乳狀液的降黏效果呈下降趨勢，可能是由于油水分離導致的。

2.4 潤濕性能評價

液體對固體表面的潤濕情況可以通過直接測定接觸角來評價，測定方法：(1)配制水基鉆井液，75 ℃老化16 h后分別取API濾液20 mL；(2)取2塊恩平區塊處理后的光滑巖芯于恒溫箱中75 ℃烘干，用清水(空白樣)、加量3%MLA的鉆井液濾液(對比樣)分別浸泡恩平巖芯2 h后，置于恒溫箱中75 ℃烘干；(3)在巖芯表面滴一滴水(蒸餾水)或油(恩平區塊稠油)，采用接觸角測量儀測定潤濕角，結果見圖3。

a.空白樣-水相 b.對比樣-水相 c.空白樣-油相 d.對比樣-油相圖3 降黏劑對巖芯潤濕性能的影響Fig.3 Effect of viscosity reducer on wettability of core

從圖3可以看出，以恩平巖芯為載體時，對比樣表面水相鋪展在巖芯上，與巖芯的接觸角比空白樣小很多，說明含有納米降黏劑MLA的水基鉆井液API濾液對恩平巖芯具有較好的潤濕作用；通過對比油相在空白樣和對比樣上的接觸角可知，含有納米降黏劑MLA的水基鉆井液API濾液增強了巖石的親水性能，由于表面活性劑潤濕降黏與吸附降黏的協同作用，有助于油相流動，達到了降黏效果。

3 結論

(1)稠油脫水后，溫度對稠油黏度的影響較大，隨著溫度的升高，稠油黏度明顯降低。

(2)室內研制了一種納米硅為主劑的水基鉆井液用稠油納米降黏劑MLA，其對鉆井液的流變性能無影響，稠油含水率為20%時，75 ℃下降黏率高達60%以上，降黏效果較好，且能提高恩平巖芯的潤濕性能。

(3)通過在水基鉆井液中添加納米降黏劑來改善稠油流動阻力，為稠油開采提供了新思路。