納米復合液性能評價及應(yīng)用

邱 小 慶

(中石化華北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院， 鄭州 450006)

納米材料通常是指尺寸在100 nm以下的微小材料。納米微乳助劑具有顆粒極小、界面張力超低、滲透性極強等特點，可用于改善致密低滲儲層壓裂改造效果[1]。

低滲油氣藏壓裂改造中有大量外來液體浸入儲層，極易造成嚴重的油氣層傷害，因此壓裂液的高效返排性能尤為重要[2]。在常規(guī)壓裂液中加入助排劑可實現(xiàn)快速返排，但助排劑無法及時有效地到達致密巖石孔隙中[3]。相比之下，納米微乳助劑顯示出一定優(yōu)勢。進入油氣層后，微乳液滴能有效地進入巖石的微小空隙，避免水流入地層，從而降低水鎖或相位誘捕效應(yīng)造成的損害，減小地層巖石與外來流體的界面張力以及入井液體與管壁的摩阻，最終有利于壓裂液的高效返排，減輕油氣層傷害，改善改造效果[4-5]。

本次調(diào)研中優(yōu)選出的NZ納米復合液，由表面活性劑、納米石墨顆粒、檸檬烯類有機溶劑和水結(jié)合而形成。它所形成的膠束直徑為10～30 nm，平均20 nm，膠束外部為非離子表面活性劑，內(nèi)部為有機溶劑，膠束外端為親水結(jié)構(gòu)。通過設(shè)計新型實驗方法，開展非常規(guī)實驗研究，觀察對比納米復合液和常規(guī)助排劑的性能。

1 抗固相吸附評價

目前的應(yīng)用研究中，主要通過助排劑初始表面張力進行壓裂液助排劑優(yōu)選，較少考慮實際施工中由于巖石吸附造成助排劑有效濃度降低這一因素。本次研究中，根據(jù)實際施工情況組建一套吸附評價裝置，對比納米復合液和常規(guī)助排劑DL-12的抗吸附性能。

1.1 儀器設(shè)備及方法

實驗所用主要儀器設(shè)備有平流泵、填砂管(長30 cm、內(nèi)徑3.8 cm，填20/40目石英砂554 g)、儲液罐、稱量天平、表界面張力儀。吸附實驗裝置如圖1所示。

圖1 吸附實驗裝置

實驗步驟是：(1) 分別測試0.2%納米復合液和0.2% DL-12助排劑溶液的初始表面張力；(2) 將這兩種溶液分別經(jīng)1#填砂管和2#填砂管吸附，排速為10 mL/min，按1PV體積(約125 mL)回收，測量并記錄回收液的表面張力；(3) 每通過1 PV體積溶液，就測量一次液體通過后的表面張力，直至通過填砂管的溶液表面張力不再變化。

1.2 實驗結(jié)果及分析

測試得知，0.2%NZ納米復合液的初始表面張力為27.6 mN/m，0.2%DL-12助排劑溶液的初始表面張力為25.5 mN/m。2種溶液通過填砂管后的表面張力變化如圖2所示。實驗結(jié)果表明，在相同條件下，2種溶液通過填砂管固相吸附后，表面張力都有所增大，表明處理液的有效成分均已被部分吸附。

圖2 溶液通過填砂管后表面張力變化

對比2種溶液的表面張力增幅可看出，NZ納米復合液抵抗吸附的能力明顯優(yōu)于DL-12助排劑。特別是，NZ納米復合液的初始表面張力略高于DL-12助排劑；經(jīng)過1 PV填砂管吸附后，表面張力明顯低于后者；經(jīng)過3 PV填砂管吸附后，表面張力趨于穩(wěn)定，與初始表面張力持平。而DL-12工作液通過填砂管的體積為10 PV時，表面張力依然處于超高值。這表明有效成分被固相表面吸附的情況非常嚴重。

納米復合液替代助排劑用于壓裂液中，可以有效地減少表面活性劑在巖石表面上的吸附，使壓裂液保持較高的有效濃度，擴大有效作用范圍。

2 潤濕性對比

2.1 實驗方法

取4塊同井同深度巖心(確保巖心性能穩(wěn)定)，在105 ℃下恒溫干燥2 h；再分別用清水滴在干巖心上，記錄4組干巖心的接觸角值。用4組工作液(0.2%DL-12助排劑、0.2%DL-12助排劑+0.5%起泡劑、0.2%NZ納米復合液、0.2%NZ納米復合液+0.5%起泡劑)分別浸泡4組巖心3 h，浸泡后干燥處理2 h。最后，用清水分別滴4組處理后的巖心，分別記錄接觸角的數(shù)值。繪制圖形，比較工作液處理前后巖心表面的接觸角變化情況。

2.2 實驗結(jié)果分析

巖心浸泡前后的表面接觸角變化如圖3所示。

圖3 巖心浸泡前后表面接觸角變化

經(jīng)NZ納米復合液浸泡后，清水在巖心表面的接觸角由33°分別升高至53.8°、45.3°，巖心表面的潤濕性得到顯著改變。

經(jīng)過DL-12型助排劑溶液浸泡后，清水在巖心表面的接觸角分別由31.0°、28.8°升高至33.0°、33.4°，潤濕性的改變不明顯。

毛細管力的計算，如式(1)所示：

(1)

式中：pcap——毛管力，Pa；

r—— 毛管半徑，mm；

θ—— 潤濕角，(°)；

σ—— 界面張力，mN/m。

較低的表面張力和較高的潤濕角能夠有效地使毛細管力降低，有利于液體從地層中排出。雖然NZ納米復合液的初始表面張力值較高(27.6 mN/m)，DL-12助排劑的初始表面張力較低(25.5 mN/m)，但是，經(jīng)過納米復合液潤濕的巖心具有較大的表面接觸角。根據(jù)式(1)可知，DL-12助排劑的毛管力和NZ納米復合液毛管力之比，降低了23.8%，相同毛細管條件下NZ納米復合液的流動阻力相對較小。

因此，在致密氣藏壓裂施工中，納米復合液相對于DL-12型助排劑溶液能更有效地使毛細管力降低，從而促進和加速破膠液返排，減少對儲層的二次傷害。

3 助排效果對比

根據(jù)表征需求，自主設(shè)計了填砂管模型，通過模型模擬對比納米復合液和DL-12助排劑的助排能力。

3.1 實驗儀器設(shè)備及方法

實驗所用的儀器設(shè)備主要有填砂管(長30 cm，內(nèi)徑3.8 cm，加20/40目石英砂533.21 g)、稱量天平和儲液杯等。

實驗方法是：分別在2個填砂管內(nèi)加入0.2%NZ納米復合液溶液和0.2% DL-12助排劑溶液，加量均為143.62 g；打開填砂管底部，使溶液在重力作用下自然排出，隨時間變化測定并記錄排出液的體積；計算排液速率，繪制排液隨時間變化曲線和排液速率曲線。

3.2 實驗結(jié)果分析

2種溶液自然排液量隨時間的變化曲線如圖4所示：NZ納米復合液總排液量高出22%，且加入NZ納米復合液的溶液在受測時間點的排液量均大于DL-12助排劑溶液。NZ納米復合液在260 s 時的排液量已超過了DL-12助排劑溶液在3 600 s的總排液量。NZ納米復合液在排出3 600 s時，填砂管的殘余液量為21.48 g，束縛水飽和度為14.96%；而DL-12助排劑溶液排出3 600 s時，填砂管殘余液量為43.04 g，束縛水飽和度為30%。NZ納米復合液的束縛水飽和度與DL-12助排劑相比減少了50%。

圖4 自然排液量與時間的關(guān)系曲線

圖5 前500 s排液量與時間的關(guān)系曲線

對比實驗中前500 s的自然排液曲線(見圖5、圖6)，可以看出：NZ納米復合液僅用時260 s即排出了70%的液體，而DL-12助排劑溶液則用時3 600 s 才排出等量液體，納米復合液比DL-12助排劑用時縮短90%以上；NZ納米復合液與DL-12助排劑溶液相比，其總排液量和排液速率均具優(yōu)勢，助排效果顯著。

圖6 前500 s排液速率與時間的關(guān)系曲線

4 滲透率恢復效果對比

壓裂施工，是指通過人工裂縫的形成來增大泄氣面積和建立高導流通道，而壓裂液對儲層和裂縫的傷害程度均直接影響壓裂的效率[6]。在此，通過2種溶液對填砂管傷害后的氣體滲透實驗，比較納米復合液和常規(guī)助排劑傷害后的裂縫滲透率恢復情況。

4.1 實驗儀器設(shè)備及方法

實驗所用儀器設(shè)備主要有填砂管(長12 cm，內(nèi)徑2.2 cm、加20/40目石英砂99.38 g)、注氣泵。實驗裝置如圖7所示。

圖7 注氣前后滲透率恢復對比實驗裝置示意圖

實驗方法是：在2個填砂管中分別注入0.2%納米復合液溶液和0.2%DL-12助排劑溶液，加量均為45 mL；打開填砂管底部開口5 min，自然排出液體；連接注氣泵，調(diào)節(jié)注氣氣壓，分別至0.3 MPa和0.5 MPa；觀察頂部小液柱的位置。

4.2 實驗結(jié)果分析

注氣泵的氣壓調(diào)至低檔(0.3 MPa)和高檔(0.5 MPa)時，均有氣體通過NZ納米復合液填砂管，頂部小液柱上移，而DL-12助排劑填砂管上部小液柱位置無變化。NZ納米復合液對支撐裂縫滲透率的傷害較小，液體排出后滲透率恢復水平明顯高于DL-12。

5 洗油能力對比

測試納米復合液和常規(guī)助排劑溶液的洗油能力，表征工作液的溶油性能及解除有機質(zhì)堵塞的性能。根據(jù)2種溶液浸泡油砂后油的析出情況，對比納米復合液和常規(guī)助排劑的洗油能力。

5.1 儀器設(shè)備及方法

所用實驗儀器設(shè)備主要有500 mL洗油瓶和50 ℃水浴鍋，所用材料主要有大慶稠油原油(密度0.85 g/cm3，50 ℃黏度210 mPa·s)和20/40目石英砂。

實驗方法是：用水浴鍋將7 g原油加熱至50 ℃，保持恒溫10 min；稱取20/40目石英砂42 g，將油與石英砂充分攪拌均勻；保持油砂混合物50 ℃水浴2 h，備用；將4份油砂(每份7 g)加入洗油瓶，置于水浴鍋中，恒溫加熱。每隔30 min記錄一次洗油結(jié)果。洗油實驗工作液配制比例和添加油砂質(zhì)量如表1所示。

表1 洗油實驗工作液配制比例和添加油砂質(zhì)量

5.2 實驗結(jié)果分析

從左至右將裝有工作液的洗油瓶依次編為1號(0.2%納米復合液)、2號(0.2% 納米復合液+0.5%起泡劑)、3號(0.2% DL-12助排劑+0.5%起泡劑)、4號(0.2%非離子表活劑)。 洗油性能數(shù)據(jù)如表2所示。

根據(jù)洗油性能實驗結(jié)果可知，NZ納米復合液具有良好的洗油能力，在受測時間點檢測的出油量結(jié)果均顯示了其在洗油量和洗油速率兩方面的顯著優(yōu)勢。此外，實驗中可以清晰地觀察到，納米復合液洗油瓶中有非常均勻的微小油滴析出。DL-12型助排劑幾乎不具備洗油能力，而非離子表活劑具備一定的洗油能力，但不明顯，洗油效率低。

表2 洗油性能對比數(shù)據(jù)

6 納米復合液的應(yīng)用效果評價

在現(xiàn)場試驗中，利用納米復合液替代常規(guī)壓裂液(0.42%HPG+1%KCl+0.2%DL-12助排劑+0.5%起泡劑+0.12%Na2CO3)中的常規(guī)助排劑DL-12，形成納米壓裂液(0.3%HPG+1%KCl+0.2% 納米復合液+0.2%Na2CO3)，采用中溫強交聯(lián)劑(交聯(lián)比為100 ∶ 0.3)。參照《壓裂液通用技術(shù)條件》(SY/T 6376-2008)中的規(guī)定，評價、對比常規(guī)壓裂液與納米壓裂液的性能。 加入納米復合液后壓裂液各項常規(guī)性能無明顯影響，顯示出了良好的配伍性能。同時，壓裂液中加入了納米復合液，具有了常規(guī)標準方法無法定量測試的溶解有機質(zhì)、降低毛管力、抗固相吸附、有效范圍廣等附加性能，因此其綜合性能優(yōu)于常規(guī)壓裂液體系。

目前，納米壓裂液已在現(xiàn)場試驗2井次(A、B井)?，F(xiàn)場檢測，液體性能狀態(tài)良好，均按照設(shè)計要求完成加砂，施工成功率為100%。壓裂后，A井的日產(chǎn)氣量保持在4×104m3，B井的日產(chǎn)氣量保持在2×104m3，效果比較理想。表3所示為2井次施工匯總數(shù)據(jù)。

7 結(jié) 語

對優(yōu)選的納米復合液與常規(guī)壓裂液助劑性能進行對比，結(jié)果表明：納米復合液可有效地減少表面活性劑在巖石表面的吸附，維持較低的表面張力；由納米復合液浸泡過的巖石，清水在其表面的接觸角增大，從而使其在同等儲層條件下與常規(guī)壓裂液相比毛管力降低、返排率提高、濾液傷害減輕。此外，納米材料具有清洗有機物、溶解沉淀有機質(zhì)的作用，與現(xiàn)用壓裂液材料的配伍性良好，可直接加入現(xiàn)有壓裂液中使用。納米壓裂液現(xiàn)場應(yīng)用情況表明，納米壓裂液具有較好的現(xiàn)場適應(yīng)性，現(xiàn)場試驗2井次，穩(wěn)產(chǎn)效果均較好。納米復合液適用于針對致密低滲儲層的壓裂施工作業(yè)，具有良好的現(xiàn)場應(yīng)用前景。

表3 2井次施工匯總數(shù)據(jù)