納米流體提高稠油采收率實(shí)驗(yàn)分析

高 俊，謝傳禮，游少雄，張 航，牟文龍

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與勘探國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249；2.中國(guó)石化勝利油田分公司塔里木分公司；3.中國(guó)石油遼河油田分公司茨榆坨采油廠)

納米流體提高稠油采收率實(shí)驗(yàn)分析

高 俊1，謝傳禮1，游少雄2，張 航1，牟文龍3

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與勘探國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249；2.中國(guó)石化勝利油田分公司塔里木分公司；3.中國(guó)石油遼河油田分公司茨榆坨采油廠)

通過實(shí)驗(yàn)研究對(duì)比了三種納米流體驅(qū)與水驅(qū)對(duì)稠油采收率的影響，同時(shí)研究了納米流體對(duì)乳液界面張力和黏度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，原油與納米流體的界面張力隨著納米流體的濃度的增加而減小，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%的Al2O3納米流體能顯著降低乳液的黏度，與其它納米流體相比，0.05%的Al2O3納米流體增加的采收率最大。

納米顆粒；提高采收率；界面張力

1 納米顆粒提高稠油采收率原理

利用納米顆粒提高采收率是近年來發(fā)展的一種新的提高采收率技術(shù)，其主要機(jī)理是產(chǎn)生分離壓、改變巖石潤(rùn)濕性、降低界面張力、降低乳液黏度。

(1)分離壓作用：由于存在布朗運(yùn)動(dòng)和粒子間的靜電排斥力，當(dāng)粒子尺寸足夠小、數(shù)量足夠多時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較強(qiáng)的擴(kuò)散力(最大可達(dá)0.5 MPa)；而固體表面的靜電排斥力存在不平衡現(xiàn)象，導(dǎo)致油相接觸角接近180°，而水相接觸角達(dá)到1°，從而在三相接觸區(qū)形成了一個(gè)楔形結(jié)構(gòu)，這種楔形結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向前推力[1]。納米顆粒體系產(chǎn)生的降低毛細(xì)管壓力、潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)及相滲改變滯后效應(yīng)等輔助作用，可將油、氣、石蠟等從巖石表面剝離下來[2]。

(2)改變巖石潤(rùn)濕性：添加到注入流體中的納米顆粒能通過改變油藏巖石的潤(rùn)濕性來提高采收率[3]。

(3)降低界面張力：納米流體注入油藏后，可以使油水的界面張力進(jìn)一步降低，降低孔道對(duì)油滴的黏滯阻力，使原油易于剝落和流動(dòng)，并且在低界面張力作用下，油滴容易變形，從而降低了將其排出孔隙吼道所做的功，增加了它在地層孔隙中的移動(dòng)速度[4]。

(4)降低乳液黏度：納米顆?？稍谝欢ǔ潭壬辖档腿橐吼ざ?。

2 實(shí)驗(yàn)介紹

本次實(shí)驗(yàn)的主要任務(wù)：研究納米顆粒對(duì)乳狀液黏度和界面張力的影響，對(duì)比利用納米顆粒進(jìn)行二次驅(qū)油與利用水驅(qū)油對(duì)提高采收率的影響。此次實(shí)驗(yàn)是在Osamah等[5]實(shí)驗(yàn)以及已有實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

(1)納米顆粒：選用的納米顆粒包括Al2O3、SiO2、TiO2，納米顆粒性質(zhì)如表1所示。

表1 納米顆粒性質(zhì)

(2)油樣：稠油樣本是從油田采集的，25℃下的樣本密度為0.947 62 g/cm3。

(3)鹽水：用過濾好的地層水配制礦化度為30×10-3的鹽水。

(4)納米流體的配置：將納米顆粒和已經(jīng)處理好的鹽水進(jìn)行混合，分別配制出不同類型質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%、0.05%和0.1%的納米流體。

(5)驅(qū)替巖心：實(shí)驗(yàn)所用巖心編號(hào)分別為M、A1、A2、A3，B1、B2、B3，C1、C2、C3。 巖心樣本的平均長(zhǎng)度、直徑和孔隙體積分別為6.5 cm、3.8 cm和11.56 cm3。

2.2 實(shí)驗(yàn)流程

巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)的工作流程：第一階段：測(cè)量原油與液相(鹽水/納米流體)的界面張力；第二階段：測(cè)量加入不同納米流體后原油樣本的黏度；階段三：用三種不同濃度的納米流體和鹽水對(duì)巖心進(jìn)行驅(qū)替；階段四：進(jìn)行二次驅(qū)油(二次采油)，用納米流體對(duì)第三階段中的實(shí)驗(yàn)巖心進(jìn)行驅(qū)替。

2.3 巖心驅(qū)替裝置和實(shí)驗(yàn)步驟

(1)界面張力的測(cè)定。原油和液相(鹽水/納米流體)之間的界面張力通過吊板法界面張力測(cè)定系統(tǒng)測(cè)定。測(cè)量工作是在室溫和壓力為6.2 MPa的條件下進(jìn)行的，該壓力為巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)的平均入口壓力。

(2)乳液黏度的測(cè)定。使用電磁黏度計(jì)，在45 ℃的條件下測(cè)量納米流體降低乳液黏度的能力。

(3)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)步驟。巖心驅(qū)替裝置見圖1。實(shí)驗(yàn)步驟為：①巖心飽和水：以0.5 cm3/min的排量對(duì)巖心進(jìn)行鹽水飽和，同時(shí)巖心的孔隙體積也是在這次過程測(cè)量的；②巖心飽和油：以0.5 cm3/min的排量對(duì)巖心進(jìn)行油飽和，此時(shí)，巖心被原始含水飽和度和原始含油飽和度所飽和；③使用鹽水和納米流體對(duì)巖心進(jìn)行驅(qū)替(三次驅(qū)替)，注入納米流體的速率為0.2 cm3/min，直到?jīng)]有油被排出(注：Vetter等研究了顆粒流速對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響：注入速率越低(≤0.5 cm3/min)，所造成的地層傷害越??；而線性流速越大，引起的地層傷害會(huì)越嚴(yán)重)。因此，此次實(shí)驗(yàn)中注入的納米流體速率為0.2 cm3/min[6]。

圖1 巖心驅(qū)替裝置

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 納米顆粒對(duì)界面張力的影響

從平均測(cè)量結(jié)果中可以觀察到(圖2)，原油和納米流體之間的界面張力會(huì)隨著納米流體濃度的增加而減小。這種界面張力減小現(xiàn)象的主要原因是納米顆粒比表面積的影響[7]。界面張力會(huì)隨著納米顆粒的比表面積的增加而減小。

3.2 納米顆粒對(duì)乳濁液黏度的影響

圖3為加入納米流體前后的乳濁液黏度測(cè)量的結(jié)果。從中可以看出，每一種類型的納米顆粒對(duì)乳濁液黏度有著不同的影響。

圖3 納米顆粒對(duì)乳液黏度的影響

3.3 納米顆粒對(duì)采收率的影響

不同納米流體對(duì)提高采收率的影響如表2所示。

表2 巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果

SiO2對(duì)采收率的影響：0.01%親水性的SiO2納米流體在巖心A1中提高的采收率最大。Buckley 和Fan認(rèn)為，親水性的SiO2納米顆粒在提高采收率方面表現(xiàn)較好，這是因?yàn)橛H水性的SiO2使得巖石潤(rùn)濕性改變，并且引起界面張力的減小。界面張力影響毛管壓力、毛管數(shù)和附著力。毛管數(shù)隨著界面張力的減小而增加，因此，采收率也會(huì)增加。但是，當(dāng)SiO2濃度增加時(shí)，采收率會(huì)略微降低。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是納米顆粒的濃度會(huì)增加乳劑的黏度，堵塞孔道，或者兩種都有[8-9]。根據(jù)Hendraningrat等的研究，高濃度的納米顆粒有堵塞孔喉的趨勢(shì)，因?yàn)檫@些顆粒的聚合體圍繞在孔隙的周圍，會(huì)阻止采收率的增加[10]。

Al2O3對(duì)采收率的影響：0.05%的Al2O3納米流體在巖心B2中提高的采收率最大，為7.07%。

TiO2對(duì)采收率的影響：在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%和0.05%的TiO2流體驅(qū)替下，巖心C1和C2的采收率增加較小。但是，在巖心C3中，0.1%的納米流體使采收率降低了16.95%，這是因?yàn)楦邼舛燃{米顆粒的注入堵塞了孔隙通道。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)原油中存在水時(shí)會(huì)形成乳劑，導(dǎo)致溶液黏度的增加。在這種乳劑中加入納米流體時(shí)，納米流體能改變?nèi)橐旱酿ざ?，而不同濃度的納米流體對(duì)乳液黏度的影響也不同，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%的Al2O3能降低乳劑的黏度，而相同濃度下的TiO2和SiO2納米流體卻增加了乳液黏度。

(2)稠油和納米流體間的界面張力會(huì)隨著納米流體濃度的增加而減小。

(3)三種納米流體在合適的濃度下提高采收率的能力高于水驅(qū)提高采收率的能力，因此，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)不同的納米顆粒選擇不同的納米流體濃度進(jìn)行驅(qū)替。

(4)對(duì)不同的油藏應(yīng)優(yōu)選納米流體的濃度，否則會(huì)破壞地層，降低滲透率和采收率。

(5)根據(jù)前人的實(shí)驗(yàn)研究，不同納米顆粒的分散介質(zhì)對(duì)采收率的影響也不同，還需進(jìn)一步驗(yàn)證不同礦化度的分散介質(zhì)對(duì)采收率的影響，優(yōu)化分散介質(zhì)，使采收率的增加最大。

(6)此次實(shí)驗(yàn)并不是在油藏條件下進(jìn)行的，因此，需要進(jìn)一步驗(yàn)證納米顆粒在油藏條件下提高采收率的能力。

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編輯：李金華

1673-8217(2015)04-0108-03

2014-12-18

高俊，1985年生，2010年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)石油工程專業(yè)，現(xiàn)為中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣田開發(fā)專業(yè)在讀碩士研究生。

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