致密油藏納米微乳液性能評價與驅油機理分析*

趙雅潔，侯吉瑞，屈 鳴，肖立曉，劉彥伯

（中國石油大學（北京）非常規油氣科學技術研究院，中國石油大學（北京）石油工程教育部重點實驗室，北京 102249）

致密油藏的滲透率小于1×10-3μm2，孔隙度低于10%，主要分布在我國華東地區、華北地區、中原地區以及東北地區，資源非常豐富，勘探開發前景良好［1-2］。與常規油藏相比，致密油藏具有油藏巖性過密、孔隙度和滲透率極低、結構復雜等特點，使其在開采過程中存在很大的困難［3］。我國致密油藏的開發相對于其他國家發展較晚，且由于我國致密油以陸相沉積環境為主，與其他國家的致密油藏環境特點相差較大，因此其他國家開采技術的可借鑒性十分有限，導致我國致密油藏開發面臨更大的挑戰［4-6］。自發滲吸作為致密油藏中一種重要的開發機理，對致密油藏提高采收率具有重大意義，因此提高自發滲吸采收率可以顯著提高致密油藏的采收率［7-9］。表面活性劑作為提高采收率的常用化學藥劑，通過降低油水界面張力、改變巖石表面潤濕性、乳化分散油滴等作用提高致密油藏的滲吸采收率［10］。但是，表面活性劑容易吸附于巖石表面，大粒徑尺寸的表面活性劑分子無法進入致密油藏孔喉，表面活性劑耐溫抗鹽性能不足，穩定性較差，導致其在高溫高鹽、致密等苛刻油藏條件下無法滿足強化采油的使用要求。因此，研究用于提高致密油藏自發滲吸采收率的新型驅替劑成為石油領域的熱點。

隨著納米技術的不斷發展，納米材料提高致密油藏采收率的研究日益深入。近年來，納米微乳液由于納米尺寸粒徑、大比表面積和高表面活性等優良性能，廣泛用于提高致密油藏采收率。納米微乳液簡稱“微乳液”或是“納米乳液”，是由油相、水相、表面活性劑和助表面活性劑組成的具有自發乳化性能、各向同性、透明或半透明，熱力學穩定的多組分分散體系［11-12］。目前，納米乳液的制備方法主要分為高能乳化法和低能乳化法。低能乳化法分為相轉變組分法（PIC）、相轉變溫度法（PIT）和微乳液稀釋法［13］。本文通過微乳液稀釋法制得新型納米微乳液驅油劑，通過靜態自發滲吸實驗評價納米微乳液自發滲吸提高采收率效果，并結合納米微乳液的靜態性能評價實驗進一步探究納米微乳液的驅油機理。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

環辛烷、乙二醇、三乙醇胺、二甲基硅油，分析純，上海麥克林生化科技有限公司；脂肪醇聚氧乙烯醚類乳化劑，濟南潤昌化工有限公司；去離子水；大慶油田現場地層原油，含62.41%飽和分、15.45%芳香分、11.09%膠質、0.64%瀝青質；大慶油田天然露頭巖心，含29%石英砂、29%鉀長石、10%斜長石、2.4%高嶺土、0.99%伊利石、0.06%蒙脫石、1.55%綠泥石、2%碳酸鹽，巖心參數如表1所示。

表1 巖心參數

納米激光粒度和Zata電位分析儀，馬爾文帕納科公司；SVT-20 界面張力儀，北京奧德利諾儀器有限公司；YIKE-360A 接觸角測定儀，承德易科實驗儀器廠；Amott滲吸瓶，成都禹道商貿有限公司。

1.2 實驗方法

（1）納米微乳液的制備

將環辛烷、乳化劑、乙二醇、三乙醇胺及去離子水以一定的比例加入燒杯中，用玻璃棒攪拌使其混合均勻，制得以有機相為內相、表面活性劑為殼膜的納米微乳液濃縮液。分別取0.05、0.1、0.3、0.5 mL的微乳液用去離子水稀釋為100 mL的溶液，得到體積分數分別為0.05%、0.1%、0.3%和0.5%的納米微乳液，對納米微乳液進行性能評價實驗和自發滲吸驅油實驗。

（2）納米微乳液的性能評價

利用納米激光粒度和Zata 電位分析儀測定不同濃度納米微乳液的粒徑分布，分析納米微乳液的粒徑分布情況。利用界面張力儀測定不同濃度納米微乳液與原油之間的界面張力。將玻璃毛細管用蒸餾水潤洗2～3 次，然后用納米乳液潤洗，將納米微乳液加入玻璃毛細管中，用微量注射器注入2 μL 油樣，不要產生氣泡，保持轉速6000 r/min，測量納米微乳液與原油之間的界面張力隨時間的變化。

（3）潤濕角的測定

通過測定去離子水與不同狀態下石英片之間的接觸角來判定不同濃度下納米乳液的潤濕反轉能力。將石英片用1%HCl 浸泡4 h，洗去石英片表面的雜質，再將石英片用蒸餾水清洗至中性放入45 ℃烘箱中烘干。將烘干后的石英片浸泡于二甲基硅中，并在65 ℃的烘箱內老化3 d。將老化后的石英片用煤油洗凈烘干，在65 ℃的納米微乳液中浸泡2 d。測定改性前后石英片-水-空氣之間的三相接觸角（多次測量求平均值）。

（4）納米微乳液自發滲吸驅油實驗

采用體積法測定納米微乳液的自發滲吸采收率［14］。測量巖心的干重、直徑和長度，將測試的巖心抽真空，在30 MPa 壓力下加壓飽和原油，然后置于60 ℃烘箱內老化7 d。取出老化巖心，將巖心表面擦拭干凈后稱重，放入烘箱中烘干再次稱量巖心質量。兩者相差不大的巖心可以用作自發滲吸驅油實驗。將巖心放入裝有不同濃度納米微乳液的滲吸瓶中，再放入烘箱內，納米微乳液自發滲吸到巖石的孔隙中置換出原油，通過滲吸瓶刻度讀出滲吸置換的原油體積，記錄采出油體積隨時間的變化。按式（1）計算自發滲吸采收率E（多次實驗求平均值）。

其中，V—自發滲吸采出油體積，mL；ρ—原油的密度，g/cm3；m1—飽和原油后巖心的質量，g；m2—巖心干重，g。

2 結果與討論

2.1 納米微乳液的形態

隨著納米微乳液濃度的增加，澄清度降低。0.5%的納米微乳液出現渾濁，高溫穩定性較差。將0.05%、0.1%、0.3%的納米微乳液置于90 ℃烘箱內3 d，溶液一直保持澄清透明的狀態，說明此濃度下的納米微乳液有較好的高溫穩定性。

2.2 納米微乳液的性能評價

2.2.1 粒徑

不同濃度納米微乳液的粒徑分布如圖1 所示。納米微乳液的粒徑主要分布在10 nm 左右，隨著濃度的增加粒徑稍有增加。這是由于液滴一直在做布朗運動，隨著濃度的增加納米粒子數量隨之增加，納米粒子更容易發生碰撞使小液滴之間發生聚結導致粒徑增大。納米微乳液的粒徑達到極小納米級別，能順利進入致密油藏中的微小孔隙，擴大波及體積，進一步提高采收率。

圖1 不同濃度納米微乳液的粒徑分布圖

2.2.2 界面張力

不同濃度納米微乳液與原油間的界面張力隨時間的變化如圖2所示。當納米微乳液的濃度恒定時，隨著時間的增加，界面張力迅速降低并逐漸穩定，達到界面張力平衡值的時間隨納米微乳液的濃度增加而減小。不同濃度納米微乳液與原油之間的界面張力相差較小，0.05%、0.1%、0.3%納米微乳液與原油之間的界面張力最終穩定在4.02、3.65、3.56 mN/m。納米微乳液中存在大量的以表面活性劑和助表面活性劑作為外殼、油相作為內核的膠束，能降低油水之間的界面能，從而降低界面張力。油水界面張力的降低意味著納米微乳液能克服原油間的內聚力，將大油滴乳化分散成小油滴，降低賈敏效應，從而提高原油流經孔喉的通過率。

圖2 不同濃度納米微乳液與原油間的界面張力隨時間的變化

2.2.3 潤濕性

用硅油改性后的石英片與去離子水之間的接觸角約為135°。用不同濃度的納米微乳液浸泡后，石英片的潤濕性發生改變。由表2 可見，水浸泡后的石英片為中性潤濕，而經納米微乳液浸泡后的石英片呈現親水性。其中，0.3%納米微乳液的潤濕反轉效果最好。實驗表明，納米微乳液的潤濕反轉作用明顯，可將油濕表面轉變為強水濕表面；納米微乳液的濃度越高，潤濕反轉能力越強。潤濕性的改變降低了原油在油藏中的黏附功，使原油更易從地層表面洗脫。

2.3 納米微乳液的自發滲吸驅油效果

將飽和原油的巖心放入0.3%納米微乳液中浸泡，在滲吸過程中油滴從巖心的頂端和側面析出，析出的小油滴顆粒較小且分布集中。小油滴逐漸匯聚成大油滴，由于油水密度和重力差異離開巖心表面。

在65 ℃下，巖心在不同濃度納米微乳液與配液用水中的自發滲吸采收率如表3 所示。由表可見，自發滲吸采收率隨微乳液濃度的增加逐漸增大。巖心在0.3%納米微乳液的滲吸采收率可達43.2%，約為水的2.4倍。巖心在不同濃度納米微乳液與配液用水的自發滲吸采收率隨時間的變化如圖3 所示。由圖3 可見，納米微乳液縮短了達到自發滲吸平衡所需要的時間。在配液用水中達到平衡的時間約為60 h，而在納米微乳液中達到平衡的時間約為40 h。

不同溫度下，巖心在0.3%納米微乳液中的滲吸采收率隨時間的變化如圖4 所示。30、45、65 ℃下納米微乳液的滲吸采收率分別為40.18%、41.58%、43.40%。隨著溫度的升高，巖心在納米微乳液中的滲吸采收率增加，但增幅較小。溫度的升高縮短了納米微乳液達到滲吸平衡所需要的時間。這是由于隨著溫度的升高，原油黏度降低，同時巖石本身的性質受到影響。一方面溫度升高巖心的潤濕系數增大，親水性增強，有利于滲吸的進行；另一方面，溫度的升高使巖心孔喉表面的液膜厚度減小，孔喉有效半徑增大，降低了滲吸前期納米微乳液的滲吸阻力，減少了滲吸平衡所需要的時間。

圖4 不同溫度下巖心在納米微乳液中的滲吸采收率隨時間的變化

2.4 納米微乳液提高自發滲吸采收率機理

在致密油藏自發滲吸過程中，主要作用力為毛細管力和重力。姚同玉等［15］發現重力和毛細管力雖然是滲吸驅油的必要條件，但并不能決定滲吸作用是否發生。除考慮重力和毛細管力，還應考慮潤濕性的影響，因此對滲吸判別方程進行了修正，見式（2）。

其中，NB-1—滲吸機理判別參數；θ—潤濕角，°；σ—油水界面張力，mN/m；—多孔介質的孔隙度，%；K—多孔介質的滲透率，μm2；Δρ—油水密度差，g/cm3；g—重力加速度，m/s2；H—多孔介質的高度，cm；C—與多孔介質幾何尺寸有關的常數，圓形毛管的C為0.4。

如果在自發滲吸過程中只受毛細管力控制，則發生的是逆向滲吸；如果滲吸過程只受重力控制，則發生的是順向滲吸［16］。當NB-1＞5時，巖心的自發滲吸主要由毛細管力控制；NB-1＜1 時，巖心的自發滲吸主要由重力控制；當1≤NB-1≤5時，巖心的滲吸既受毛細管力控制也受重力的控制［17］。僅依靠某一作用力發揮作用無法大幅度提高采收率，只有毛細管力與重力協同作用才能最大程度提高采收率［18］。0.05%、0.1%、0.3%納米微乳液的NB-1分別為2.91、2.72和3.38。滲吸過程由毛細管力和重力共同發揮作用，逆向滲吸和順向滲吸同時進行，這與自發滲吸過程中油滴從巖心頂部和巖心側部析出相符。

在進行自發滲吸采油時，巖石親水性越強，水濕指數越高，毛細管力驅動效果越強，水驅替出的油就越多，滲吸采收率越高［19］。因此，自發滲吸驅油調整巖石的潤濕性尤為重要。界面張力的減小對自發滲吸具有雙重作用。一方面，界面張力的降低可使黏附功減小，提高洗油效率；另一方面，過低的界面張力會導致低毛細管力，自發滲吸過程中無法提供足夠的驅動力，不利于液體在致密油藏中的自發滲吸。因此，在選擇提高自發滲吸效果的驅油劑體系時，在滿足低界面張力的前提下，應同時關注驅油劑對巖石表面潤濕性的改善能力。納米微乳液具有良好的潤濕反轉能力，能將油濕表面轉變為強水濕表面，可以將原本的毛管阻力轉換為驅油動力。巖石潤濕性的改變可以阻止已經從壁面上剝離的油再一次黏附在巖石表面，大大提高自發滲吸采收率。除此之外，納米微乳液能適當降低油水界面張力，提供自發滲吸的動力，在一定程度上改善原油流動能力，使原油更易變形，減少賈敏效應，提高自發滲吸采收率。

3 結論

納米微乳液粒徑尺寸小，具有良好的穩定性、潤濕反轉能力及適度低的界面張力。良好的穩定性可以保證納米微乳液在條件苛刻的致密油藏中穩定存在進而發揮作用；極小的粒徑尺寸可以使納米微乳液順利進入致密油藏的細小孔喉，擴大波及體積；良好的潤濕反轉能力可以將油藏中的油濕表面反轉為強水濕表面，使毛細管力由驅油阻力轉換為自發滲吸動力；適度低的界面張力，一方面為自發滲吸提供了驅動力，另一方面改變了原油的流動能力，可以驅動更多殘余油，進一步提高自發滲吸采收率。在納米微乳液提高致密油藏自發滲吸采收率的過程中，潤濕性的改變比低界面張力具有更重要的作用。致密油藏自發滲吸提高采收率應同時重點關注潤濕反轉能力，而不應單單追求超低界面張力。