致密油藏納米微乳液性能評價與驅(qū)油機(jī)理分析*

趙雅潔，侯吉瑞，屈 鳴，肖立曉，劉彥伯

（中國石油大學(xué)（北京）非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院，中國石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點實驗室，北京 102249）

致密油藏的滲透率小于1×10-3μm2，孔隙度低于10%，主要分布在我國華東地區(qū)、華北地區(qū)、中原地區(qū)以及東北地區(qū)，資源非常豐富，勘探開發(fā)前景良好［1-2］。與常規(guī)油藏相比，致密油藏具有油藏巖性過密、孔隙度和滲透率極低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點，使其在開采過程中存在很大的困難［3］。我國致密油藏的開發(fā)相對于其他國家發(fā)展較晚，且由于我國致密油以陸相沉積環(huán)境為主，與其他國家的致密油藏環(huán)境特點相差較大，因此其他國家開采技術(shù)的可借鑒性十分有限，導(dǎo)致我國致密油藏開發(fā)面臨更大的挑戰(zhàn)［4-6］。自發(fā)滲吸作為致密油藏中一種重要的開發(fā)機(jī)理，對致密油藏提高采收率具有重大意義，因此提高自發(fā)滲吸采收率可以顯著提高致密油藏的采收率［7-9］。表面活性劑作為提高采收率的常用化學(xué)藥劑，通過降低油水界面張力、改變巖石表面潤濕性、乳化分散油滴等作用提高致密油藏的滲吸采收率［10］。但是，表面活性劑容易吸附于巖石表面，大粒徑尺寸的表面活性劑分子無法進(jìn)入致密油藏孔喉，表面活性劑耐溫抗鹽性能不足，穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致其在高溫高鹽、致密等苛刻油藏條件下無法滿足強(qiáng)化采油的使用要求。因此，研究用于提高致密油藏自發(fā)滲吸采收率的新型驅(qū)替劑成為石油領(lǐng)域的熱點。

隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展，納米材料提高致密油藏采收率的研究日益深入。近年來，納米微乳液由于納米尺寸粒徑、大比表面積和高表面活性等優(yōu)良性能，廣泛用于提高致密油藏采收率。納米微乳液簡稱“微乳液”或是“納米乳液”，是由油相、水相、表面活性劑和助表面活性劑組成的具有自發(fā)乳化性能、各向同性、透明或半透明，熱力學(xué)穩(wěn)定的多組分分散體系［11-12］。目前，納米乳液的制備方法主要分為高能乳化法和低能乳化法。低能乳化法分為相轉(zhuǎn)變組分法（PIC）、相轉(zhuǎn)變溫度法（PIT）和微乳液稀釋法［13］。本文通過微乳液稀釋法制得新型納米微乳液驅(qū)油劑，通過靜態(tài)自發(fā)滲吸實驗評價納米微乳液自發(fā)滲吸提高采收率效果，并結(jié)合納米微乳液的靜態(tài)性能評價實驗進(jìn)一步探究納米微乳液的驅(qū)油機(jī)理。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

環(huán)辛烷、乙二醇、三乙醇胺、二甲基硅油，分析純，上海麥克林生化科技有限公司；脂肪醇聚氧乙烯醚類乳化劑，濟(jì)南潤昌化工有限公司；去離子水；大慶油田現(xiàn)場地層原油，含62.41%飽和分、15.45%芳香分、11.09%膠質(zhì)、0.64%瀝青質(zhì)；大慶油田天然露頭巖心，含29%石英砂、29%鉀長石、10%斜長石、2.4%高嶺土、0.99%伊利石、0.06%蒙脫石、1.55%綠泥石、2%碳酸鹽，巖心參數(shù)如表1所示。

表1 巖心參數(shù)

納米激光粒度和Zata電位分析儀，馬爾文帕納科公司；SVT-20 界面張力儀，北京奧德利諾儀器有限公司；YIKE-360A 接觸角測定儀，承德易科實驗儀器廠；Amott滲吸瓶，成都禹道商貿(mào)有限公司。

1.2 實驗方法

（1）納米微乳液的制備

將環(huán)辛烷、乳化劑、乙二醇、三乙醇胺及去離子水以一定的比例加入燒杯中，用玻璃棒攪拌使其混合均勻，制得以有機(jī)相為內(nèi)相、表面活性劑為殼膜的納米微乳液濃縮液。分別取0.05、0.1、0.3、0.5 mL的微乳液用去離子水稀釋為100 mL的溶液，得到體積分?jǐn)?shù)分別為0.05%、0.1%、0.3%和0.5%的納米微乳液，對納米微乳液進(jìn)行性能評價實驗和自發(fā)滲吸驅(qū)油實驗。

（2）納米微乳液的性能評價

利用納米激光粒度和Zata 電位分析儀測定不同濃度納米微乳液的粒徑分布，分析納米微乳液的粒徑分布情況。利用界面張力儀測定不同濃度納米微乳液與原油之間的界面張力。將玻璃毛細(xì)管用蒸餾水潤洗2～3 次，然后用納米乳液潤洗，將納米微乳液加入玻璃毛細(xì)管中，用微量注射器注入2 μL 油樣，不要產(chǎn)生氣泡，保持轉(zhuǎn)速6000 r/min，測量納米微乳液與原油之間的界面張力隨時間的變化。

（3）潤濕角的測定

通過測定去離子水與不同狀態(tài)下石英片之間的接觸角來判定不同濃度下納米乳液的潤濕反轉(zhuǎn)能力。將石英片用1%HCl 浸泡4 h，洗去石英片表面的雜質(zhì)，再將石英片用蒸餾水清洗至中性放入45 ℃烘箱中烘干。將烘干后的石英片浸泡于二甲基硅中，并在65 ℃的烘箱內(nèi)老化3 d。將老化后的石英片用煤油洗凈烘干，在65 ℃的納米微乳液中浸泡2 d。測定改性前后石英片-水-空氣之間的三相接觸角（多次測量求平均值）。

（4）納米微乳液自發(fā)滲吸驅(qū)油實驗

采用體積法測定納米微乳液的自發(fā)滲吸采收率［14］。測量巖心的干重、直徑和長度，將測試的巖心抽真空，在30 MPa 壓力下加壓飽和原油，然后置于60 ℃烘箱內(nèi)老化7 d。取出老化巖心，將巖心表面擦拭干凈后稱重，放入烘箱中烘干再次稱量巖心質(zhì)量。兩者相差不大的巖心可以用作自發(fā)滲吸驅(qū)油實驗。將巖心放入裝有不同濃度納米微乳液的滲吸瓶中，再放入烘箱內(nèi)，納米微乳液自發(fā)滲吸到巖石的孔隙中置換出原油，通過滲吸瓶刻度讀出滲吸置換的原油體積，記錄采出油體積隨時間的變化。按式（1）計算自發(fā)滲吸采收率E（多次實驗求平均值）。

其中，V—自發(fā)滲吸采出油體積，mL；ρ—原油的密度，g/cm3；m1—飽和原油后巖心的質(zhì)量，g；m2—巖心干重，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米微乳液的形態(tài)

隨著納米微乳液濃度的增加，澄清度降低。0.5%的納米微乳液出現(xiàn)渾濁，高溫穩(wěn)定性較差。將0.05%、0.1%、0.3%的納米微乳液置于90 ℃烘箱內(nèi)3 d，溶液一直保持澄清透明的狀態(tài)，說明此濃度下的納米微乳液有較好的高溫穩(wěn)定性。

2.2 納米微乳液的性能評價

2.2.1 粒徑

不同濃度納米微乳液的粒徑分布如圖1 所示。納米微乳液的粒徑主要分布在10 nm 左右，隨著濃度的增加粒徑稍有增加。這是由于液滴一直在做布朗運動，隨著濃度的增加納米粒子數(shù)量隨之增加，納米粒子更容易發(fā)生碰撞使小液滴之間發(fā)生聚結(jié)導(dǎo)致粒徑增大。納米微乳液的粒徑達(dá)到極小納米級別，能順利進(jìn)入致密油藏中的微小孔隙，擴(kuò)大波及體積，進(jìn)一步提高采收率。

圖1 不同濃度納米微乳液的粒徑分布圖

2.2.2 界面張力

不同濃度納米微乳液與原油間的界面張力隨時間的變化如圖2所示。當(dāng)納米微乳液的濃度恒定時，隨著時間的增加，界面張力迅速降低并逐漸穩(wěn)定，達(dá)到界面張力平衡值的時間隨納米微乳液的濃度增加而減小。不同濃度納米微乳液與原油之間的界面張力相差較小，0.05%、0.1%、0.3%納米微乳液與原油之間的界面張力最終穩(wěn)定在4.02、3.65、3.56 mN/m。納米微乳液中存在大量的以表面活性劑和助表面活性劑作為外殼、油相作為內(nèi)核的膠束，能降低油水之間的界面能，從而降低界面張力。油水界面張力的降低意味著納米微乳液能克服原油間的內(nèi)聚力，將大油滴乳化分散成小油滴，降低賈敏效應(yīng)，從而提高原油流經(jīng)孔喉的通過率。

圖2 不同濃度納米微乳液與原油間的界面張力隨時間的變化

2.2.3 潤濕性

用硅油改性后的石英片與去離子水之間的接觸角約為135°。用不同濃度的納米微乳液浸泡后，石英片的潤濕性發(fā)生改變。由表2 可見，水浸泡后的石英片為中性潤濕，而經(jīng)納米微乳液浸泡后的石英片呈現(xiàn)親水性。其中，0.3%納米微乳液的潤濕反轉(zhuǎn)效果最好。實驗表明，納米微乳液的潤濕反轉(zhuǎn)作用明顯，可將油濕表面轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)水濕表面；納米微乳液的濃度越高，潤濕反轉(zhuǎn)能力越強(qiáng)。潤濕性的改變降低了原油在油藏中的黏附功，使原油更易從地層表面洗脫。

2.3 納米微乳液的自發(fā)滲吸驅(qū)油效果

將飽和原油的巖心放入0.3%納米微乳液中浸泡，在滲吸過程中油滴從巖心的頂端和側(cè)面析出，析出的小油滴顆粒較小且分布集中。小油滴逐漸匯聚成大油滴，由于油水密度和重力差異離開巖心表面。

在65 ℃下，巖心在不同濃度納米微乳液與配液用水中的自發(fā)滲吸采收率如表3 所示。由表可見，自發(fā)滲吸采收率隨微乳液濃度的增加逐漸增大。巖心在0.3%納米微乳液的滲吸采收率可達(dá)43.2%，約為水的2.4倍。巖心在不同濃度納米微乳液與配液用水的自發(fā)滲吸采收率隨時間的變化如圖3 所示。由圖3 可見，納米微乳液縮短了達(dá)到自發(fā)滲吸平衡所需要的時間。在配液用水中達(dá)到平衡的時間約為60 h，而在納米微乳液中達(dá)到平衡的時間約為40 h。

不同溫度下，巖心在0.3%納米微乳液中的滲吸采收率隨時間的變化如圖4 所示。30、45、65 ℃下納米微乳液的滲吸采收率分別為40.18%、41.58%、43.40%。隨著溫度的升高，巖心在納米微乳液中的滲吸采收率增加，但增幅較小。溫度的升高縮短了納米微乳液達(dá)到滲吸平衡所需要的時間。這是由于隨著溫度的升高，原油黏度降低，同時巖石本身的性質(zhì)受到影響。一方面溫度升高巖心的潤濕系數(shù)增大，親水性增強(qiáng)，有利于滲吸的進(jìn)行；另一方面，溫度的升高使巖心孔喉表面的液膜厚度減小，孔喉有效半徑增大，降低了滲吸前期納米微乳液的滲吸阻力，減少了滲吸平衡所需要的時間。

圖4 不同溫度下巖心在納米微乳液中的滲吸采收率隨時間的變化

2.4 納米微乳液提高自發(fā)滲吸采收率機(jī)理

在致密油藏自發(fā)滲吸過程中，主要作用力為毛細(xì)管力和重力。姚同玉等［15］發(fā)現(xiàn)重力和毛細(xì)管力雖然是滲吸驅(qū)油的必要條件，但并不能決定滲吸作用是否發(fā)生。除考慮重力和毛細(xì)管力，還應(yīng)考慮潤濕性的影響，因此對滲吸判別方程進(jìn)行了修正，見式（2）。

其中，NB-1—滲吸機(jī)理判別參數(shù)；θ—潤濕角，°；σ—油水界面張力，mN/m；—多孔介質(zhì)的孔隙度，%；K—多孔介質(zhì)的滲透率，μm2；Δρ—油水密度差，g/cm3；g—重力加速度，m/s2；H—多孔介質(zhì)的高度，cm；C—與多孔介質(zhì)幾何尺寸有關(guān)的常數(shù)，圓形毛管的C為0.4。

如果在自發(fā)滲吸過程中只受毛細(xì)管力控制，則發(fā)生的是逆向滲吸；如果滲吸過程只受重力控制，則發(fā)生的是順向滲吸［16］。當(dāng)NB-1＞5時，巖心的自發(fā)滲吸主要由毛細(xì)管力控制；NB-1＜1 時，巖心的自發(fā)滲吸主要由重力控制；當(dāng)1≤NB-1≤5時，巖心的滲吸既受毛細(xì)管力控制也受重力的控制［17］。僅依靠某一作用力發(fā)揮作用無法大幅度提高采收率，只有毛細(xì)管力與重力協(xié)同作用才能最大程度提高采收率［18］。0.05%、0.1%、0.3%納米微乳液的NB-1分別為2.91、2.72和3.38。滲吸過程由毛細(xì)管力和重力共同發(fā)揮作用，逆向滲吸和順向滲吸同時進(jìn)行，這與自發(fā)滲吸過程中油滴從巖心頂部和巖心側(cè)部析出相符。

在進(jìn)行自發(fā)滲吸采油時，巖石親水性越強(qiáng)，水濕指數(shù)越高，毛細(xì)管力驅(qū)動效果越強(qiáng)，水驅(qū)替出的油就越多，滲吸采收率越高［19］。因此，自發(fā)滲吸驅(qū)油調(diào)整巖石的潤濕性尤為重要。界面張力的減小對自發(fā)滲吸具有雙重作用。一方面，界面張力的降低可使黏附功減小，提高洗油效率；另一方面，過低的界面張力會導(dǎo)致低毛細(xì)管力，自發(fā)滲吸過程中無法提供足夠的驅(qū)動力，不利于液體在致密油藏中的自發(fā)滲吸。因此，在選擇提高自發(fā)滲吸效果的驅(qū)油劑體系時，在滿足低界面張力的前提下，應(yīng)同時關(guān)注驅(qū)油劑對巖石表面潤濕性的改善能力。納米微乳液具有良好的潤濕反轉(zhuǎn)能力，能將油濕表面轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)水濕表面，可以將原本的毛管阻力轉(zhuǎn)換為驅(qū)油動力。巖石潤濕性的改變可以阻止已經(jīng)從壁面上剝離的油再一次黏附在巖石表面，大大提高自發(fā)滲吸采收率。除此之外，納米微乳液能適當(dāng)降低油水界面張力，提供自發(fā)滲吸的動力，在一定程度上改善原油流動能力，使原油更易變形，減少賈敏效應(yīng)，提高自發(fā)滲吸采收率。

3 結(jié)論

納米微乳液粒徑尺寸小，具有良好的穩(wěn)定性、潤濕反轉(zhuǎn)能力及適度低的界面張力。良好的穩(wěn)定性可以保證納米微乳液在條件苛刻的致密油藏中穩(wěn)定存在進(jìn)而發(fā)揮作用；極小的粒徑尺寸可以使納米微乳液順利進(jìn)入致密油藏的細(xì)小孔喉，擴(kuò)大波及體積；良好的潤濕反轉(zhuǎn)能力可以將油藏中的油濕表面反轉(zhuǎn)為強(qiáng)水濕表面，使毛細(xì)管力由驅(qū)油阻力轉(zhuǎn)換為自發(fā)滲吸動力；適度低的界面張力，一方面為自發(fā)滲吸提供了驅(qū)動力，另一方面改變了原油的流動能力，可以驅(qū)動更多殘余油，進(jìn)一步提高自發(fā)滲吸采收率。在納米微乳液提高致密油藏自發(fā)滲吸采收率的過程中，潤濕性的改變比低界面張力具有更重要的作用。致密油藏自發(fā)滲吸提高采收率應(yīng)同時重點關(guān)注潤濕反轉(zhuǎn)能力，而不應(yīng)單單追求超低界面張力。