致密儲層納米流度改性劑的微流控模擬評價*

耿向飛，丁 彬，張玉亮，王 哲，郭建辰，肖 川

（1.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆 克拉瑪依 834000；3.新疆油田分公司物資供應(yīng)總公司，新疆 克拉瑪依 834000）

我國致密油遠(yuǎn)景資源量達(dá)70億噸左右，其中技術(shù)可采資源量為20數(shù)25 億噸，占全球致密油資源總量的9.3%，主要分布在松遼、鄂爾多斯、四川、準(zhǔn)噶兒等盆地［1］。我國致密儲層滲透率小于0.1×10-3μm2，孔隙度為6%數(shù) 15%，2數(shù) 10 μm 的微米級孔隙是主要儲油空間。與特低/超低滲油藏相比，其成藏機(jī)理復(fù)雜、孔喉細(xì)小、開發(fā)難度大［2］，對注入液體的性能要求高。目前評價注入液體性能的方法主要有巖心驅(qū)替實驗、低場核磁共振分析等，評價效果較好，對現(xiàn)場應(yīng)用也起到了一定的指導(dǎo)作用。但這些方法存在操作復(fù)雜、樣品消耗大、可視化程度低、重復(fù)性差等問題，因此，亟需新的模擬手段來實現(xiàn)對致密儲層注入液體體系的有效評價。

微/納流控技術(shù)是一種在微/納米尺度空間對流體進(jìn)行操控的科學(xué)技術(shù)，具有將生物、化學(xué)等實驗室的基本功能微縮到一個幾平方厘米芯片上的能力，因此又被成為芯片實驗室［3-5］。2004年美國Business 2.0 雜志一篇封面文章把芯片實驗室列為“改變未來的七種技術(shù)之一”。近年來，微/納流控技術(shù)在石油行業(yè)也得到了廣泛應(yīng)用。Calgary 大學(xué)采用自制的微流控芯片評價了水、納米流體、復(fù)合流體、表面活性劑對加拿大Alberta 重油的采收率［6］；斯倫貝謝公司新型“微流控芯片PVT 測量技術(shù)”已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場油藏儲層流體測試，應(yīng)用最高壓力可達(dá)到86 MPa［7］；Cornell大學(xué)通過微流控芯片研究了通道尺寸對流體性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)在納米孔道中水的黏度會增大［8-10］。本文采用自主設(shè)計的3 種微流控模型（2 維多孔介質(zhì)模型、2.5 維孔喉模型和半圓多通道模型）對研發(fā)的致密儲層納米流度改性劑開展了驅(qū)油性能的在線、可視模擬評價研究。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

儲層納米流度改性劑，由雙子表面活性劑、助溶劑、油溶性解締合劑按照比例自制；模擬原油，新疆吉木薩爾原油與煤油按體積比10∶4 混合，黏度（50℃）為63.4 mPa·s；煤油、蘇丹紅、亞甲基藍(lán)，上海阿拉丁試劑公司；蒸餾水。

微納米尺寸驅(qū)替平臺，萊卡M165FC 集光學(xué)顯微鏡、CCD 成像和微流控芯片專用夾具于一體，中國石油大學(xué)（北京）自主搭建設(shè)備；2 維多孔介質(zhì)模型：玻璃材質(zhì)，模型尺寸1.5 cm×1.5 cm，模擬1/4 五點法井網(wǎng)，深度15 μm，最大寬度167 μm，最小寬度30 μm，見圖1；2.5維孔喉模型：玻璃材質(zhì)，模型尺寸1.5 cm×1.5 cm，模擬1/4 五點法井網(wǎng)，孔隙深度15 μm，喉道深度2 μm，見圖2；半圓多通道模型：玻璃材質(zhì)，模型尺寸1.5 cm×1.5 cm，主要構(gòu)成為：1 mm注液通道，300 μm排液通道，7條深度為1 μm，寬度分別為2、5、10、20、40、80、160 μm 的微流控通道，7條微流控通道與供給區(qū)域為直徑10 mm 的圓和寬度為1 mm的排液通道相通，7條微通道的排布方式是為了避免分布位置對流動規(guī)律產(chǎn)生影響，因此將寬通道和窄通道交錯開，并對稱分布，見圖3。

圖1 2維多孔介質(zhì)模型（飽和油狀態(tài)）

圖2 2.5維孔喉模型

1.2 實驗方法

（1）2維多孔介質(zhì)與2.5維孔喉模型驅(qū)油模擬實驗

首先將模型飽和模擬原油，之后依次進(jìn)行水驅(qū)油和納米流度改性劑驅(qū)油，納米流度改性劑水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%，驅(qū)替速率均為100 nL/min，驅(qū)替結(jié)束后通過軟件計算驅(qū)油效率。

（2）半圓多通道模型驅(qū)油模擬實驗

將模型飽和蘇丹紅染色的煤油，在恒壓（0.005 MPa）下注入亞甲基藍(lán)染色的蒸餾水或0.1%的納米流度改性劑水溶液，待其充滿圓形供給區(qū)域后，逐步提升壓力，觀察微通道的通過情況，并記錄液體通過每個微通道進(jìn)入排液通道時的注入壓力。

圖3 半圓多通道模型示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 2維多孔介質(zhì)模型驅(qū)油

2 維多孔介質(zhì)模型水驅(qū)油結(jié)束、納米流度改性劑驅(qū)油過程以及納米流度改性劑驅(qū)油結(jié)束時的顯微鏡照片見圖4。水驅(qū)驅(qū)油效率較低，大部分含油區(qū)域未波及，存在指進(jìn)現(xiàn)象，經(jīng)計算水驅(qū)結(jié)束后驅(qū)油效率僅為35%。后續(xù)注入納米流度改性劑后，原油被瞬間轉(zhuǎn)化為小尺寸油滴，最小的油滴尺寸可到百納米級，從而大幅提高了原油的流動性，擴(kuò)大了波及體積，提高了驅(qū)油效率。納米流度改性劑驅(qū)結(jié)束后的驅(qū)油效率可達(dá)90%。

2.2 2.5維孔喉模型驅(qū)油

2.5維孔喉模型水驅(qū)油結(jié)束、納米流度改性劑驅(qū)油過程以及納米流度改性劑驅(qū)油結(jié)束時的顯微鏡照片見圖5。2.5維孔喉模型驅(qū)油結(jié)果與2維多孔介質(zhì)模型部分相似，水驅(qū)驅(qū)油效率較低，約為40%；后續(xù)注入納米流度改性劑后，原油被瞬間轉(zhuǎn)化為小尺寸油滴，最小的油滴尺寸可到百納米級，更多的原油通過狹窄的喉道，驅(qū)油效率可達(dá)95%。

2.3 半圓多通道模型驅(qū)油

2.3.1 水驅(qū)油

0.055 MPa壓力下水依次突破80、40、160 μm的微通道，見圖6（a）、6（b）和6（c）；當(dāng)壓力升高至0.06 MPa時，水突破20 μm微通道，見圖6（d）；當(dāng)壓力升高至 0.1024 MPa 時，水依次突破 2 μm 和 5 μm 微通道，見圖6（e）和6（f）。

2.3.2 納米流度改性劑驅(qū)油

0.025 MPa壓力下納米流度改性劑依次突破80 μm和160 μm的微通道，見圖7（a）和7（b）；當(dāng)壓力升高至 0.035 MPa 時，納米流度改性劑突破 20 μm 微通道，見圖7（c）；當(dāng)壓力升高至0.05 MPa時，納米流度改性劑突破40 μm微通道，見圖7（d）；當(dāng)壓力升高至 0.075 MPa 時，納米流度改性劑突破 5 μm 微通道，見圖7（e）；當(dāng)壓力升高至0.1024 MPa時，納米流度改性劑突破2 μm微通道，見圖7（f）。

對比半圓多通道模型水驅(qū)油和納米流度改性劑驅(qū)油結(jié)果，可以看出，納米流度改性劑比蒸餾水更容易進(jìn)入各個微通道，所需注入壓力均有所降低。說明納米流度改性劑可顯著降低注水啟動壓力，比水更易進(jìn)入小孔隙，有望助力致密油的高效開發(fā)。結(jié)合2.1和2.2節(jié)實驗結(jié)果，這可能是由于納米流度改性劑可將原油分割為小油滴，使得原油的流度與運移能力大幅度提高，從而擴(kuò)大波及體積和提高驅(qū)油效率。

圖4 2維多孔介質(zhì)模型驅(qū)油過程

圖5 2.5維孔喉模型驅(qū)油過程

圖6 不同壓力下半圓多通道模型水驅(qū)油突破通道過程（×50）

致密儲層礦物成分復(fù)雜，分布具有隨機(jī)性，巖石孔隙表面的潤濕性是不均勻的，中國典型致密油區(qū)總體潤濕性多為弱親水或弱親油［2］。尺寸、構(gòu)造和表面性質(zhì)是致密儲層滲流通道模擬的關(guān)鍵因素，設(shè)計制作“高仿”的致密儲層模型以及修飾有智能傳感的仿生微納米孔道，是未來對驅(qū)油劑評價、驅(qū)油劑滲流機(jī)理以及驅(qū)油機(jī)理研究的重要發(fā)展方向。本文的3 種微流控模型均為親水性，下一步將制作具有不同潤濕性的微流控模型，實現(xiàn)對納米流度改性劑及其他驅(qū)油劑驅(qū)油機(jī)理和驅(qū)油效果的全面評價。

圖7 不同壓力下半圓多通道模型納米流度改性劑驅(qū)油突破通道過程（×50）

3 結(jié)論

采用自主設(shè)計的3種微流控模型（2維多孔介質(zhì)模型、2.5 維喉道模型和半圓多通道模型）對研發(fā)的致密儲層納米流度改性劑開展了驅(qū)油性能的在線、可視模擬評價研究。納米流度改性劑可將原油分割為小油滴，大幅提高原油的流度與運移能力，并可顯著降低注水啟動壓力，比水更易進(jìn)入小孔隙，驅(qū)油效率高達(dá)90%以上，有望助力致密油的高效開發(fā)。