納米顆粒在儲(chǔ)層微流道中的減阻機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究

顧春元,狄勤豐,施利毅,王新亮,張任良

(1.上海大學(xué),上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)研究所,上海 200072;2.上海市力學(xué)在能源工程中的應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200072;3.上海大學(xué)納米科學(xué)與技術(shù)研究中心,上海 200072)

0 引 言

高壓欠注問(wèn)題是低滲透油田注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中普遍存在的一個(gè)難題,納米減阻技術(shù)是針對(duì)這個(gè)難題開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)多學(xué)科交叉新技術(shù)。2000年,中國(guó)從俄羅斯引進(jìn)該技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取得成功[1],隨后多家單位開(kāi)展了相關(guān)研究工作,主要包括增注納米材料的制備與表征、水基分散液的研制、室內(nèi)減阻效果測(cè)試、數(shù)值模擬研究和減阻機(jī)理研究[2-6]。但對(duì)于納米減阻機(jī)理的研究較少,且存在不同的觀(guān)點(diǎn)[7-9]。由于注入納米液后,納米顆粒吸附層一方面使孔道表面由親水變?yōu)槭杷?另一方面又使物理孔徑縮小,而最終要達(dá)到減阻的目的,必然存在特殊作用使流速大幅提高。2002年,Derek C等認(rèn)識(shí)到表面具有微納米結(jié)構(gòu)和疏水性的綜合作用更容易引起水流速度滑移,且比光滑疏水表面產(chǎn)生的滑移長(zhǎng)度更大[10-12],國(guó)內(nèi)學(xué)者也相繼開(kāi)展了親、疏水表面微管道的微流動(dòng)實(shí)驗(yàn),研究了表面的疏水性和粗糙度對(duì)于水流減阻效果和速度滑移效應(yīng)的影響[13-15]。狄勤豐研究組基于微納米結(jié)構(gòu)表面的水流滑移這一觀(guān)點(diǎn),提出了納米邊界層的水流滑移減阻機(jī)理[9,16]。研究組已經(jīng)從競(jìng)爭(zhēng)吸附機(jī)制、吸附層的檢測(cè)、超疏水特性實(shí)驗(yàn)研究等方面給出了結(jié)果[17-18]。這一機(jī)理合理地闡釋了納米材料的特殊作用、物理邊界減少而減阻效果顯著的根源,得到多數(shù)專(zhuān)家的認(rèn)同。根據(jù)這個(gè)減阻機(jī)理,減阻效果的關(guān)鍵是形成納米吸附層和表面具有強(qiáng)疏水特性。這意味著,滿(mǎn)足與孔壁的吸附和具有強(qiáng)疏水性的納米材料都可能具有減阻效果,即有效地增注納米材料不具有唯一性,但是改變納米顆粒粒徑、表面疏水修飾劑等影響吸附和疏水性的因素又必然會(huì)使效果產(chǎn)生差異。筆者用不同材料配制的多種增注液開(kāi)展了減阻效果實(shí)驗(yàn),并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)說(shuō)明納米材料非唯一性的觀(guān)點(diǎn),進(jìn)而闡釋對(duì)水流滑移減阻機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 目的與內(nèi)容

(1)不同修飾劑改性的納米材料的減阻效果

根據(jù)機(jī)理,滿(mǎn)足可與孔壁產(chǎn)生強(qiáng)吸附、具有強(qiáng)疏水性的納米材料都具有明顯的減阻效果。因此,該實(shí)驗(yàn)采用2種表面修飾劑改性 SiO2得到納米粉體SNP1-1和SNP2-2,將其配制成2種油基納米液,并測(cè)試納米液的分散性能和減阻效果。

(2)不同粒徑對(duì)減阻效果的影響

不同粒徑的納米顆粒通過(guò)巖心微孔道的能力不同,與孔壁吸附的能力也不同,因此,減阻效果會(huì)有明顯差異。采用修飾劑B改性的2種不同粒徑的納米SiO2,得到疏水納米材料SNP2-2和SNP2-4,分別用柴油配制成2種油基納米液,測(cè)試減阻效果。

(3)不同水基分散劑配制的納米水液的減阻效果

根據(jù)機(jī)理,不改變納米材料的特性、能很好地分散并攜帶其到達(dá)地層孔道中的分散劑均可以作為水基載體。實(shí)驗(yàn)配制了2種水基分散液ND3和ND4,分別與SNP2-2配制成2種水基納米液,測(cè)試這2種水基納米液的減阻效果。

(4)納米吸附層耐沖刷能力測(cè)試

納米顆粒必須與巖心孔壁產(chǎn)生牢固吸附才能形成超強(qiáng)疏水的納米吸附層。該實(shí)驗(yàn)通過(guò)向納米液處理后的巖心不間斷注水,測(cè)試水流量-壓力關(guān)系,判斷納米顆粒的有效吸附能力。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及原理

主要實(shí)驗(yàn)儀器有隔熱式高溫高壓巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀、變頻高速攪拌機(jī)等配套設(shè)備若干。巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀包括高精度ISCO驅(qū)替泵、3～4個(gè)中間容器、巖心夾持器、電子天平、環(huán)壓泵、恒溫加熱箱、隔熱箱、4級(jí)壓力傳感器、高壓氮?dú)馄?、?shù)據(jù)采集與分析軟件,以及配套連接線(xiàn)路和管路,見(jiàn)圖 1。其中驅(qū)替泵為ISCO100DX,流 量 精 度 為 0.01μ L/min,天 平 為OHAUS-EXPLORER,精度 0.001g。

工作原理是：通過(guò)環(huán)壓泵加壓將圓柱狀巖心四周包裹,開(kāi)啟驅(qū)替泵將中間容器中的液體(水、柴油、納米液等)分別驅(qū)替進(jìn)入巖心夾持器內(nèi)的巖心,由多級(jí)壓力傳感器來(lái)記錄巖心進(jìn)口段的壓力,液體從巖心出口端流出后,進(jìn)入天平進(jìn)行稱(chēng)量,并由數(shù)據(jù)采集與分析軟件采集,同時(shí)可繪制壓力、流量隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)所用材料見(jiàn)表1。

表1 納米減阻流動(dòng)實(shí)驗(yàn)材料Table 1 Materials of drag-reduction experiments of NFs

圖1 隔熱式高溫高壓巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀Fig.1 Thermal insulation HTHP core testing apparatus

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

采用石油行業(yè)評(píng)價(jià)驅(qū)替劑效果的主要模擬手段——巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)法,結(jié)合納米減阻的實(shí)際過(guò)程,增加了納米增注液驅(qū)替和靜置吸附兩個(gè)步驟,模擬了納米降壓增注現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)全過(guò)程。

巖心中的流動(dòng)屬于微尺度流動(dòng),采用高精度微流量泵和天平配合測(cè)試流量,通過(guò)測(cè)量納米液驅(qū)替前后水流量與驅(qū)替壓力,計(jì)算水相滲透率,以水相滲透率的變化來(lái)表征減阻效果。主要步驟如下：

(1)將洗過(guò)油的巖心用地層水飽和,裝入巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀,調(diào)整圍壓和溫度,開(kāi)泵將水驅(qū)入巖心,測(cè)試水流量和壓力,計(jì)算巖心初始單相水的滲透率;

(2)調(diào)節(jié)流程,用柴油驅(qū)替巖心,形成束縛水;再用水驅(qū)油,建立殘余油;

(3)繼續(xù)用水驅(qū)替,測(cè)試一組水流量和壓力,計(jì)算納米處理前的水相滲透率;

(4)在低流量下注入預(yù)定濃度和體積(1.5～5PV)的納米液,然后關(guān)井,恒溫靜置24～48h;

(5)開(kāi)啟流程,用水低速驅(qū)替,直至驅(qū)出流體中無(wú)納米液后,再繼續(xù)水驅(qū),并測(cè)試一組水流量和壓力,計(jì)算納米處理后的水相滲透率。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

由于單點(diǎn)測(cè)試穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng),但不能反應(yīng)不同壓力下的物性變化趨勢(shì)。該測(cè)試均采用多點(diǎn)法測(cè)試流量-壓力,用回歸分析法找出流量與對(duì)應(yīng)壓力之間的關(guān)系。該方法不僅可以得到巖心滲透率,對(duì)于低滲透巖心,還能得到啟動(dòng)壓力,理論上基于擴(kuò)展的達(dá)西定律：

式中,▽p0為啟動(dòng)壓力梯度(Pa/m);Δp0為啟動(dòng)壓力(Pa);Ark為巖心橫截面積(m2);lrk為巖心長(zhǎng)度(m)。

對(duì)于存在啟動(dòng)壓力的低滲透巖心,選擇不同的測(cè)試流量,會(huì)得到不同的滲透率,采用回歸分析法可以克服這一缺點(diǎn)。

將實(shí)測(cè)壓力轉(zhuǎn)化成壓力梯度,繪制出Q與-▽p的關(guān)系,通過(guò)數(shù)據(jù)回歸,得到公式：

式中,bk為斜率(Pa?s/m4);bc為縱坐標(biāo)軸上的截距(Pa/m)。

根據(jù)公式(1)和(2),可得

由水流量-壓力的直線(xiàn)關(guān)系,求得bk和bc,進(jìn)而求得滲透率k和-▽p0。

2 納米液減阻實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 納米油基分散液的減阻性能

將SNP1-1、SNP2-2和SNP2-4三種納米粉體分別分散在柴油中,用高速攪拌機(jī)分散10～15min,配制成1.5g/L的納米液。

將3種納米液在常溫下放置,觀(guān)察發(fā)現(xiàn),SNP1-1液在15min左右開(kāi)始出現(xiàn)沉降物,30min杯底有少許沉淀;而SNP2-2和SNP2-4懸浮液比較穩(wěn)定,30min未見(jiàn)沉降物。說(shuō)明修飾劑B改性的納米樣品在柴油中的穩(wěn)定性較好。

通過(guò)巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了以上3種油基納米液的減阻效果,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 三種納米材料油基納米液的減阻實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 The results of drag reduction experiment of three oil-based NFs

由表2的數(shù)據(jù)結(jié)果可知：

(1)納米SNP1-1、SNP2-2和 SNP2-4配制的油基納米液處理后的巖樣,滲透率平均增幅為42%、59%和24%,這說(shuō)明三種納米材料均具有明顯的減阻效果;

(2)修飾劑A改性的SNP1-1和修飾劑B改性的SNP2-2相比,減阻效果相差17%,且SNP2-2的穩(wěn)定性更好;

(3)大粒徑的SNP2-4和SNP2-2相比,平均減阻效果相差35%,且小粒徑SNP2-2處理的3塊巖心,減阻效果均比較好;

(4)圖2是5號(hào)樣的流量-壓力梯度關(guān)系趨勢(shì)線(xiàn)。流量與壓力梯度呈直線(xiàn)關(guān)系,滿(mǎn)足達(dá)西滲流規(guī)律。納米液驅(qū)替后,流量-壓力梯度關(guān)系趨勢(shì)線(xiàn)明顯偏離壓力梯度軸,說(shuō)明流量越大,驅(qū)動(dòng)壓力梯度降幅越大。根據(jù)回歸曲線(xiàn)和公式(2)～(4),納米液處理前水相滲透率為7.64×10-3μ m2,啟動(dòng)壓力梯度為0.21MPa/m,納米液處理后的水相滲透率為12.48×10-3μ m2,啟動(dòng)壓力梯度為0.54MPa/m,這表明納米液驅(qū)替后的5號(hào)巖心啟動(dòng)壓力梯度有所降低。由于納米顆粒吸附層取代水化層,成為強(qiáng)疏水的邊界層,大幅降低了孔道的水流阻力,也使得水流的啟動(dòng)壓力有所降低。

圖2 5號(hào)樣流量與壓力梯度的關(guān)系曲線(xiàn)Fig.2 Relationship between pressure gradient and flux of sample 5

2.2 納米SNP2-2水基納米液的減阻實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研究并復(fù)配了兩種水基分散劑 ND3和ND4。這兩種分散劑的乳化水液和納米分散液色澤均一,分散性都較好,常溫下穩(wěn)定時(shí)間大于24h。采用SNP2-2分別與這兩種水基分散劑配制成濃度為1.5g/L的水基納米液,驅(qū)替用液為清水或3%NH4Cl水溶液。實(shí)驗(yàn)方法同上,結(jié)果見(jiàn)表3。

(1)10～14號(hào)用ND3為分散劑,水相滲透率提高幅度平均為67.4%;其中3%NH4Cl水溶液測(cè)試的巖心水相滲透率提高幅度平均為100.7%,而清水測(cè)試的水相滲透率提高幅度平均為17.5%。這說(shuō)明巖心水敏性較強(qiáng),納米處理后,仍存在水敏,也說(shuō)明納米顆粒在孔壁的吸附是非均勻全覆蓋。

(2)15～17號(hào)用ND4為分散劑,清水測(cè)試水相滲透率提高幅度為23%～127%,平均為75%。

(3)排除驅(qū)替液和巖心物性的影響,在清水驅(qū)替和巖心水相滲透率相近的條件下,ND3分散的納米水液(13～14號(hào))僅使水相滲透率提高 17.5%,而ND4使巖樣的水相滲透率提高了75%,說(shuō)明ND4具有一定的抗水敏作用。

以上分析說(shuō)明,ND3和ND4作為分散劑配制的納米液都具有較好的減阻效果;但是,ND4效果更好,尤其更適用于注清水的注水井。

表3 兩種納米水液減阻實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 The results of drag-reduction experiment of two water-based NFs

3 納米吸附耐沖刷能力評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

納米顆粒與孔壁的結(jié)合強(qiáng)度關(guān)系到減阻時(shí)性。當(dāng)納米顆粒被注入水從孔壁剝離時(shí),減阻效果會(huì)不斷下降。實(shí)驗(yàn)采用不間斷注水的方法來(lái)評(píng)價(jià)納米顆粒吸附層的耐沖刷能力。用SNP2-2分散液處理巖心,實(shí)驗(yàn)方法同上文,但是步驟(5)要求保持流量不變,且連續(xù)注水,直到水相滲透率下降到納米液處理前的值,或者注水量達(dá)到200PV以上(相當(dāng)于單井1年的注水量)。圖3和4是Zhu4-2和An9-4-10 2塊巖心耐沖刷實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖3 納米顆粒在巖樣Zhu4-2孔道中的耐沖刷性能Fig.3 Wash-resistant ability of nanomaterial in core Zhu4-2 microchannel

圖4 納米顆粒在巖樣An9-4-10孔道中的耐沖刷性能Fig.4 Wash-resistant ability of nanomaterial in core An9-4-10 microchannel

圖3顯示,隨水驅(qū)體積的增加,水相滲透率緩慢下降,累計(jì)注入180PV時(shí),滲透率下降到納米液處理前的值;圖4顯示,隨水驅(qū)體積的增加,水相滲透率起初還略有上升,累計(jì)注入260PV,水相滲透率也幾乎未變。測(cè)試結(jié)果說(shuō)明在巖心微孔道孔壁吸附的納米層耐沖刷能力較強(qiáng)。

現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)工藝優(yōu)選參數(shù),采用納米材料SNP2-2和水基分散劑ND4配制了納米增注液,在天83-9和沙26-9井進(jìn)行了納米減阻試驗(yàn),注水壓力P注最大降幅達(dá)12.5MPa,減阻有效期在7個(gè)月以上。

4 結(jié)論與討論

(1)經(jīng)實(shí)驗(yàn)配制的3種油基納米液和2種水基納米液處理后,巖心水相滲透率均明顯上升,均具有較好的減阻效果。說(shuō)明納米增注液不具有唯一性,能與巖心發(fā)生牢固吸附并改變其潤(rùn)濕性的疏水納米材料均有作為納米增注劑的可能;

(2)2種修飾劑改性的納米材料相比,2種粒徑的納米材料相比,水基分散劑ND3和ND4相比,產(chǎn)生的減阻效果均有一定的差異,這說(shuō)明修飾劑、顆粒粒徑和分散液對(duì)減阻效果有明顯影響,原因是這些因素會(huì)影響納米材料與巖心的吸附以及吸附層的疏水性。因此,要達(dá)到最佳的減阻效果,需要優(yōu)選參數(shù),使納米液與巖心物性相匹配;

(3)納米液處理過(guò)的巖心經(jīng)足夠量的水驅(qū)替洗刷后,仍具有減阻效果,表明納米吸附層具有較強(qiáng)的耐沖刷性能,納米顆粒與孔壁吸附比較牢固;

(4)礦場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明,納米增注液可使注水壓力最大下降12.5MPa。

綜合分析,通過(guò)注入具有強(qiáng)吸附和強(qiáng)疏水性的納米材料,雖然使地層物理孔徑縮小,但也使孔道表面具有超強(qiáng)疏水性,從而使水流產(chǎn)生較大的速度滑移,最終達(dá)到了減阻的目的。

[1] 蘇咸濤,閆軍,呂廣忠,等.納米聚硅材料在油田開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用[J].石油鉆采工藝,2002,24(3)：48-51.

[2] JU Binshan,DAI SNPgao,LUAN Zhian,et al.A study of wettability and permeability change caused by adsorption of nanometer structured polysilicon on the surface of porous media[J].SPE 77938,2002：1-12.

[3] 高瑞民.活性SiO2納米粉體改善油田注水技術(shù)研究[J].油田化學(xué),2004,(3)：248-250.

[4] 陸先亮,呂廣忠,欒志安,等.納米聚硅材料在低滲透油田中的應(yīng)用[J].石油勘探與開(kāi)發(fā),2003,30(6)：110-112.

[5] GU Chunyuan,DI Qinfeng,FANG Haiping,et al.Slip velocity model of porous walls absorbed by hydrophobic nanoparticles SiO2[J].Journal of Hydrodynamics SB,2007,19(3)：365-371.

[6] 曹智,張治軍,趙永峰,等.低滲透油田增注用SiO2納米微粒的制備和表征[J].化學(xué)研究,2005,16(1)：32-34.

[7] 易華,孫洪海.聚硅納米材料在油藏注水井中降壓增注機(jī)理研究[J].哈爾濱師范大學(xué)學(xué)報(bào),2005,21(6)：66-69.

[8] 賀承祖,華明琪.油氣藏中水膜的厚度[J].石油勘探與開(kāi)發(fā),1998,25(2)：75-77.

[9] 狄勤豐,顧春元,施利毅,等.疏水性納米SiO2增注劑的降壓作用機(jī)理[J].鉆采工藝,2007,30(4)：91-93.

[10]DEREK C T,CARL D M.Apparent fluid slip at hydrophobic microchannel walls[J].Physicsof fluids,2002,14：9-12.

[11]CéCILE cottin-bizonne,JEAN-louis barrat,Lydéricbocquet.low-friction flows of liquid at nanopatterned interfaces[J].Nature Material Letters,2003,2：237-240.

[12] LAUGA Eric,MICHAEL P brenner,HOWARD A stone.Microfluids：the no-slip boundary condition[J].Handbook of Experimental Fluid Dynamics,2005,15：1-17.

[13]李戰(zhàn)華,崔海航.微尺度流動(dòng)特性[J].機(jī)械強(qiáng)度,2001,23(4)：476-480.

[14]余永生,魏慶鼎.疏水性材料減阻特性實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)流體力學(xué),2005,19(2)：60-66.

[15]郝鵬飛,汪幸愉,姚朝暉,等.疏水微槽道內(nèi)層流減阻的實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)流體力學(xué),2009,23(3)：7-15.

[16]顧春元,狄勤豐,施利毅,等.納米粒子構(gòu)建表面的超疏水性能實(shí)驗(yàn)研究[J].物理學(xué)報(bào),2008,57(5)：3071-3076.

[17]狄勤豐,余祖斌,顧春元,等.納米顆粒吸附微管道水流特性的格子Boltzmann方法模擬[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,33(2)：104-108.

[18]狄勤豐,沈琛,王掌洪,等.納米吸附法降低巖石微孔道水流阻力的實(shí)驗(yàn)研究[J].石油學(xué)報(bào),2009,30(1)：92-97.