水氣交替注入過(guò)程納米顆粒對(duì)CO2運(yùn)移特征的影響

章 星劉玉濤李 芳王厲強(qiáng)唐建云

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.新疆油田公司，新疆克拉瑪依 834000；3. 新疆油田公司采油二廠地質(zhì)所，新疆克拉瑪依 834000）

水氣交替注入過(guò)程納米顆粒對(duì)CO2運(yùn)移特征的影響

章 星1劉玉濤2李 芳3王厲強(qiáng)1唐建云1

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.新疆油田公司，新疆克拉瑪依 834000；3. 新疆油田公司采油二廠地質(zhì)所，新疆克拉瑪依 834000）

引用格式：章星，劉玉濤，李芳，等. 水氣交替注入過(guò)程納米顆粒對(duì)CO2運(yùn)移特征的影響［J］.石油鉆采工藝，2015，37（6）：70-73.

為了有效控制CO2提高采收率和CO2埋存過(guò)程中CO2流體的流動(dòng)性，在儲(chǔ)層或砂巖含水層中注入納米顆粒。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)采用CT掃描儀觀察和測(cè)量CO2驅(qū)替鹽水/納米顆粒溶液以及鹽水/納米顆粒溶液驅(qū)替CO2的流動(dòng)形態(tài)和流體飽和度。研究結(jié)果表明，納米顆粒溶液實(shí)驗(yàn)中CO2驅(qū)替前緣比較一致并且流體流動(dòng)較慢，其初始CO2飽和度和剩余CO2飽和度要大于鹽水實(shí)驗(yàn)中的初始CO2飽和度和剩余CO2飽和度。納米顆粒使得CO2與鹽水產(chǎn)生穩(wěn)定的乳狀液，減小流體流動(dòng)性，增加流體有效黏度。根據(jù)Land方程，鹽水實(shí)驗(yàn)中C常量為2.45，納米顆粒實(shí)驗(yàn)中C為2.25，因此CO2注入方案的制定應(yīng)盡量選取小的C常量，以減緩氣水交替注入過(guò)程中CO2的黏性指進(jìn)，將更多的CO2滯留或保存在地層中。

水氣交替；納米顆粒；CO2飽和度；運(yùn)移特征；乳狀液

CO2提高采收率和CO2埋存過(guò)程中，CO2流體的流動(dòng)性不穩(wěn)定，而水氣交替注入（Water Alternating Gas，WAG）技術(shù)和納米技術(shù)可以對(duì)其進(jìn)行改善［1-4］。CO2的黏度通常小于原油的黏度，CO2驅(qū)油過(guò)程中的流度比遠(yuǎn)大于1，這個(gè)不利因素導(dǎo)致了CO2的黏性指進(jìn)及相關(guān)問(wèn)題［5-6］。流動(dòng)性控制可以通過(guò)在地層中注入CO2和水來(lái)實(shí)現(xiàn)，通常運(yùn)用交替注入的方式來(lái)提高近井地帶的注入能力和減少遠(yuǎn)井地帶的流動(dòng)性，通過(guò)改變相對(duì)滲透率和黏度值來(lái)減少或者抑制指進(jìn)，使得流度比小于1［7-8］。水氣交替注入周期從幾個(gè)月到一年都有，其中水和CO2的體積比一般為1∶1到2∶1能夠達(dá)到最好的效果［9-10］。

納米顆?？梢院苋菀椎胤稚⒃谧⑷胨行纬珊虲O2的交替注入。它們能夠被吸引到或者是包裹在烴類(lèi)液滴表面，減小表面能［11-12］。當(dāng)納米顆粒在油水界面的接觸角θ＜90°時(shí)，會(huì)形成水包油乳狀液；當(dāng)θ＞90°時(shí)，則會(huì)形成油包水乳狀液［13-14］。在非常高的油藏溫度下，使用表面活性劑其性能會(huì)降低，而穩(wěn)定的納米顆粒乳狀液不會(huì)受到影響［15-16］。納米顆粒懸浮液不會(huì)被卡在孔喉或者保留在多孔介質(zhì)的表面，其在滲透性介質(zhì)中呈現(xiàn)較大黏度可以使得突破延遲從而減小黏性指進(jìn)［17-19］。筆者結(jié)合WAG技術(shù)和納米顆粒材料，通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究納米顆粒的存在對(duì)流體流動(dòng)性的影響。

1　室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

1.1設(shè)備與巖心

主體裝置是一臺(tái)經(jīng)過(guò)改造的Universal Systems HD-350醫(yī)療CT，實(shí)驗(yàn)中實(shí)際飽和度的測(cè)量是將巖心水平方向放置于CT掃描儀內(nèi)進(jìn)行掃描。所采用的巖心為圓柱形的Boise巖心，直徑為7 cm，長(zhǎng)度為30 cm，孔隙度為27.5%，滲透率為1 μm2。Teledyne Isco泵提供13 MPa的圍壓，dual-Teledyne Isco泵用于不間斷地往巖心中注入CO2和鹽水等流體。實(shí)驗(yàn)流程見(jiàn)圖1。

圖1　巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)流程

1.2流體參數(shù)

實(shí)驗(yàn)中用的非濕相流體是液態(tài)的CO2（20 ℃、9.3 MPa），濕相流體是2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的NaBr溶液（模擬鹽水）和含有5%納米顆粒的2% NaBr溶液。納米顆粒為粒徑5 nm的二氧化硅納米顆粒（3M），具有一層5 nm厚度的PEG外層（Polyethylene-glycol，聚乙二醇）。實(shí)驗(yàn)流體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　實(shí)驗(yàn)流體參數(shù)

1.3實(shí)驗(yàn)方案

為了準(zhǔn)確地獲得納米顆粒對(duì)驅(qū)替特征的影響效果，實(shí)驗(yàn)全部采用同一塊巖心進(jìn)行，用以對(duì)比不同流體的驅(qū)替效果。

（1）鹽水實(shí)驗(yàn)：巖心飽和鹽水，然后進(jìn)行CO2驅(qū)替（流量0.5 cm3/min，注入12 h），最后進(jìn)行鹽水驅(qū)替（流量0.25 cm3/min，24 h）。

（2）納米顆粒溶液實(shí)驗(yàn)：巖心飽和納米顆粒溶液，然后進(jìn)行CO2驅(qū)替（流量0.5 cm3/min，12 h），最后進(jìn)行納米顆粒溶液驅(qū)替（流量0.25 cm3/min，24 h）。

（3）其他實(shí)驗(yàn)：參見(jiàn)表2，巖心首先飽和流體1，隨后采用流體2進(jìn)行驅(qū)替，最后采用流體3進(jìn)行驅(qū)替。實(shí)驗(yàn)壓差通過(guò)連接在巖心進(jìn)口端和出口端的Rosemount傳感器測(cè)量。在CO2驅(qū)替的早期階段，15 min掃描一次，在CO2突破后每1 h掃描一次。在鹽水或者納米顆粒溶液驅(qū)替階段，前120 min每30 min掃描一次，之后每2 h掃描一次。

表2　實(shí)驗(yàn)順序與設(shè)計(jì)

2　結(jié)果與分析

2.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2（a）是巖心飽和鹽水后注入CO20.1、0.2和0.5 PV 時(shí)的巖心軸向側(cè)視圖。選取巖心CT掃描結(jié)果中間部分的飽和度數(shù)據(jù)，紅色表示完全飽和鹽水，藍(lán)色代表完全飽和CO2?？梢钥闯?，CO2驅(qū)替前緣不一致，有些CO2和鹽水高飽和度區(qū)域緊鄰。注入CO20.1 PV 時(shí)，CO2指進(jìn)開(kāi)始擴(kuò)大范圍；注入CO20.2 PV時(shí)，在巖心的23 cm處出現(xiàn)CO2；注入CO20.5 PV時(shí)，在巖心16～23 cm范圍內(nèi)，能觀測(cè)到大量的CO2。從側(cè)視圖整體來(lái)看，CO2在驅(qū)替過(guò)程中形成了一條優(yōu)勢(shì)通道，產(chǎn)生指進(jìn)。

圖2（b）是納米顆粒溶液實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，注入CO20.1、0.2和0.5 PV 時(shí)的巖心軸向側(cè)視圖。對(duì)比圖2（a），當(dāng)注入CO20.1 PV 時(shí)，CO2的移動(dòng)距離少于鹽水實(shí)驗(yàn)中CO2的移動(dòng)距離（50%）；注入CO20.2 PV 時(shí)，沒(méi)有明顯的指進(jìn)現(xiàn)象；注入CO20.5 PV 時(shí)，在巖心16～23 cm范圍內(nèi)可觀測(cè)到大量CO2，這是因?yàn)锽osie巖心在該范圍內(nèi)有很高的孔隙度，非均質(zhì)性強(qiáng)。

圖2　巖心中注入不同體積CO2時(shí)的飽和度分布

圖3為按照表2設(shè)計(jì)順序采用不同流體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)巖心中CO2飽和度變化曲線。實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2巖心飽和鹽水后，采用CO2驅(qū)替分別至1 PV和1.45 PV時(shí)，繼續(xù)采用鹽水驅(qū)替，可以看出，兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的初始CO2飽和度（37%和36.5%）和剩余CO2飽和度（19.5%和18.8%）比較接近，表明鹽水實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性好。實(shí)驗(yàn)3的剩余CO2飽和度比較?。?5.9%），這可以歸結(jié)為較小的初始CO2飽和度和納米顆粒2個(gè)因素的影響。實(shí)驗(yàn)4為納米顆粒溶液實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)5在CO2驅(qū)替后采用鹽水進(jìn)行驅(qū)替。對(duì)比實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2，其初始CO2飽和度和剩余CO2飽和度都比較大。盡管實(shí)驗(yàn)5最后采用鹽水進(jìn)行驅(qū)替，但是其剩余CO2飽和度與納米顆粒溶液實(shí)驗(yàn)相差不大（21.8%和22.2%）。實(shí)驗(yàn)6和實(shí)驗(yàn)7均為鹽水實(shí)驗(yàn)，但是巖心中含有大量的納米顆粒并未被全部沖出，因此與實(shí)驗(yàn)3具有相近的初始CO2飽和度（35.5%和34.9%）和剩余CO2飽和度（15.8%和15.9%）。

圖3　不同實(shí)驗(yàn)條件下CO2飽和度與注入體積關(guān)系

2.2討論與分析

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鹽水中存在納米顆粒時(shí)，CO2驅(qū)替前緣變得穩(wěn)定或者是可以自動(dòng)調(diào)節(jié)的。在鹽水實(shí)驗(yàn)中CO2的黏度要小于鹽水的黏度，所以會(huì)出現(xiàn)黏性指進(jìn)現(xiàn)象。由于侵入相的流動(dòng)性要大于防御相的流動(dòng)性，使得前緣黏性不穩(wěn)定。也就是說(shuō)，任何前緣的擾動(dòng)將會(huì)隨著時(shí)間而增長(zhǎng)，并且?guī)r心局部滲透率的變化將會(huì)被放大。如果使得侵入相CO2的流動(dòng)性小于鹽水的流動(dòng)性，任何的擾動(dòng)將會(huì)隨著時(shí)間而消失，滲透率變化的效果將會(huì)減小，CO2飽和度變化較為穩(wěn)定。

所觀察到的納米顆粒溶液實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性，是因?yàn)橄鄬?duì)于鹽水實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，注入的CO2流體可以在納米顆粒溶液驅(qū)替實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生一個(gè)流動(dòng)性較低的相。當(dāng)對(duì)比鹽水實(shí)驗(yàn)時(shí)，其與驅(qū)替前緣后方的高含水飽和度和高總壓力梯度是相關(guān)的。納米顆粒的主要效果就是在驅(qū)替前緣產(chǎn)生穩(wěn)定的乳狀液，該乳狀液降低侵入相的流動(dòng)性，抑制指進(jìn)的形成并且穩(wěn)定驅(qū)替前緣，增大CO2飽和度。實(shí)驗(yàn)條件下的乳狀液可以減小流動(dòng)性，一方面是因?yàn)樵黾恿饲秩胂嗔黧w的有效黏度，另一方面是減小了其相對(duì)滲透率。

實(shí)驗(yàn)中非潤(rùn)濕相（CO2）的剩余飽和度取決于最大的非潤(rùn)濕相（CO2）飽和度。初始-剩余飽和度曲線（Initial-Residual Curve，IR Curve）可以表示出這兩個(gè)量。通常，IR曲線表現(xiàn)出許多相同的滲透介質(zhì)性質(zhì)，如毛細(xì)管壓力曲線。最重要的是，毛管壓力曲線的縱坐標(biāo)是連續(xù)非濕相（CO2）和濕相（鹽水/納米顆粒溶液）之間的壓力差。但在含有納米顆粒的情況下，非濕相是不連續(xù)的，因?yàn)镃O2被納米顆粒所包裹從而不連續(xù)。當(dāng)某一相為不連續(xù)形式存在時(shí)，局部毛細(xì)管壓力是存在的，但它不是唯一的由于液滴大小變化造成的。

Land模型認(rèn)為，在多孔介質(zhì)中流體初始飽和度和剩余飽和度的倒數(shù)差是一個(gè)常數(shù)，其方程為

式中，Snwi和Snwr分別是非濕相的初始飽和度和剩余飽和度。

當(dāng)C為0時(shí)，Land曲線是一條斜率為1的直線。隨著C的增大，曲線將會(huì)呈下降趨勢(shì)。由實(shí)際的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，鹽水實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2）中，C為2.45；納米顆粒實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)4）中，C為2.25。在實(shí)驗(yàn)3、6和7中，C為3.45。在油田工程中，CO2注入方案的制定應(yīng)選取盡可能小的C常量，以減緩氣水交替注入過(guò)程中CO2的黏性指進(jìn)，使得更多的CO2能夠滯留或保存在地層中。

圖4　剩余-初始CO2飽和度分布及其理想IR曲線

3　結(jié)論

鹽水中存在納米顆粒時(shí)，CO2橫向流動(dòng)變化大，可以減緩甚至消除指進(jìn)，在巖心中產(chǎn)生穩(wěn)定的乳狀液。在剩余-初始CO2飽和度分布圖中，根據(jù)Land方程，鹽水實(shí)驗(yàn)中C常量為2.45，納米顆粒實(shí)驗(yàn)中C常量為2.25。結(jié)合WAG技術(shù)和納米顆粒材料的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，納米顆粒對(duì)流體流動(dòng)性控制能夠起到了很好的效果，能夠有效抑制CO2在孔隙介質(zhì)中的運(yùn)移。

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（修改稿收到日期 2015-10-12）

〔編輯 朱 偉〕

Infuence of nanoparticles on CO2transport characteristics in water alternating gas injection process

ZHANG Xing1，LIU Yutao2，LI Fang3，WANG Liqiang1，TANG Jianyun1
（1. Key Laboratory of Education Ministry for Petroleum Engineering，China Uniνersity of Petroleum（Beijing），Beijing 102249，China；2. Xinjiang Oilfield Company，Karamay 834000，China；3. Geological Research Institute，No.2 Oil Production Plant of Xinjiang Oilfield Company，Karamay 834000，China）

In order to effectively control CO2EOR and the fluidity of CO2fluid in CO2storage process，the nanoparticles are injected into reservoir or sandstone aquifer. In the indoor test，a CT scanner is used to observe and measure the flow pattern and saturation of fluid in the displacement of brine/nanoparticle solution by CO2as well as in the displacement of CO2by brine/nanoparticle solution. The research indicates that，in the nanoparticle solution test，the CO2displacement fronts are relatively consistent，the flow velocity of fluid is relatively low，and the initial CO2saturation and residual CO2saturation are higher than those in brine test. The nanoparticles drive CO2and brine to form the stable emulsion，reduce the fluidity of fluid，and increase the effective viscosity of fluid. According to the Land Equation，the constant C is 2.45 in brine test and is 2.25 in nanoparticle test. Therefore the constant C should be as less as possible during the formulation of the plan of CO2injection，so as to slow down the viscosity fingering during the alternate injection of gas and water，and retain or store more CO2in stratum.

water alternating gas； nanoparticle； CO2 saturation； transport characteristics； emulsion

TE312

A

1000-7393（ 2015 ） 06-0070-04 doi:10.13639/j.odpt.2015.06.017

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）“二氧化碳減排、儲(chǔ)存和資源化利用的基礎(chǔ)研究”（編號(hào)：2011CB707300）；克拉瑪依理工學(xué)院科研啟動(dòng)基金資助課題。

章星，1984年生。2014年博士畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣田開(kāi)發(fā)工程專(zhuān)業(yè)，主要從事油氣田開(kāi)發(fā)研究工作，教師。E-mail：zhangxingchina@126.com。