納米分散液驅(qū)油機理研究及應用實踐

王 濤，李敬松，田 苗，徐國瑞，賈永康，朱旭晨，劉汝敏

（中海油田服務股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津 300459）

注水開發(fā)油田進入高含水、高采出程度階段后，目前注入聚合物表面活性劑等方式的三次采油被廣泛應用。但目前此類提高采收率方法也存在諸多不足，如表面活性劑易被巖石吸附或與鈣離子反應生成沉淀而造成表面活性劑損失[1，2]，極大影響了表面活性劑驅(qū)技術再推廣。海上油田中水質(zhì)超標、原油黏度高等因素，會造成聚合物驅(qū)油井產(chǎn)出液破乳難度大等難題，最終陷入“注不進，采不出”的困境，從而阻礙聚合物驅(qū)的大規(guī)模應用。伴隨納米技術的興起，納米材料在很多領域均已廣泛應用，其中納米分散液已被用于改善化學驅(qū)油。納米分散液是一種具有熱穩(wěn)定性、呈透明或半透明的均相分散體，其液滴尺寸范圍在10～100 nm，相當于膠體粒子的尺寸，因此稱為納米級分散液。最常用的納米分散液是經(jīng)改性后的納米SiO2，納米粒子潤濕性可通過控制粒子表面上的硅烷醇基團的數(shù)量來調(diào)節(jié)。本文結合室內(nèi)實驗研究闡述了納米分散液驅(qū)油的作用機理，同時結合數(shù)值模擬方法研究優(yōu)化工藝方案，將納米分散液驅(qū)油在某油田進行了現(xiàn)場應用，取得較好的增產(chǎn)效果，為后期的理論研究及現(xiàn)場應用提供了借鑒和參考。

1 納米分散液驅(qū)油機理

作為高性能驅(qū)油劑，納米分散液主要作用機理是巖石、原油和驅(qū)替液三相界面效應的調(diào)節(jié)，結合納米顆?？垢邷亍⒏啕}、抗稠油的特性，以及納米顆粒在油水巖石三相界面的吸附、解吸附和運移等作用，形成楔形擠壓效應、潤濕反轉(zhuǎn)、界面張力降低等提高采收率的作用機理。

1.1 楔形擠壓效應

納米顆粒在油滴和固體基質(zhì)之間形成的楔形薄膜三相接觸區(qū)域范圍內(nèi)形成二維層狀結構（見圖1）。首先，楔形物中納米顆粒濃度大于周圍懸浮液中的納米顆粒濃度，因此會產(chǎn)生滲透壓，分離兩個界面，使它們之間的楔形深度增加。其次，薄膜張力向著楔形的頂點增加，促使楔形尖端處產(chǎn)生液體擴散的額外動力。同時，由于固體表面的靜電排斥力存在不平衡現(xiàn)象，在親水表面的油相接觸角遠大于水相接觸角，使三相接觸區(qū)自動形成一個楔形結構，進而將原油等從巖石表面剝離[3]。

圖1 納米顆粒對原油楔形擠壓原理示意圖

形成楔形擠壓效應是納米材料提高原油采收率最重要的理論支撐。這種楔形結構產(chǎn)生的向前驅(qū)動力，結合納米分散液產(chǎn)生的潤濕性反轉(zhuǎn)、毛細管力降低等輔助作用，可綜合提高采收率。

1.2 潤濕性轉(zhuǎn)變

對于親水性的巖石表面，毛管力是驅(qū)替原油的動力，而對于疏水的表面，毛管力則是驅(qū)替原油的阻力；對于親水巖石，水分布在細小孔道、死孔道內(nèi)或者巖石表面，這種分布方式對原油的滲透率影響很小，而對于親油巖石，在相同飽和度條件下，地層水以水流、水滴的形式分布在孔道內(nèi)阻礙油相的滲流[4]。

其黏附功計算公式為：

式中：W-黏附功，J/m2；σ-油/水界面張力，mN/m；θ-水與巖石潤濕角，°。

水驅(qū)油的過程，相當于將油與巖石在水中分離，由式（1）可知θ 越小，即巖石越親水，黏附功越小，油越容易被剝離驅(qū)替；油水界面張力越小，黏附功越小，驅(qū)油效率也越高。因此，增加油層巖石表面水濕強度可以降低油相在巖石表面的黏附功，降低油水界面張力，最終提高水驅(qū)效率，達到提高采收率的目的[5，6]。

在實驗室中，利用接觸角測定儀測定目標油田注入水、0.1%濃度的納米分散液及0.5%濃度的納米分散液在石英片上的潤濕角，分析納米分散液對潤濕性的影響。

根據(jù)測定結果可以看出，加入納米分散液藥劑，可有效提升巖石表面的親水性（見表1）。原因是納米顆粒吸附于孔喉表面，在油水界面發(fā)生遷移和排列，從而巖心切片產(chǎn)生潤濕性反轉(zhuǎn)（見圖2），由巖壁表面親油變?yōu)橛H水，最終提高驅(qū)油效率。

圖2 不同濃度納米分散液潤濕角測定結果

表1 不同濃度納米分散液潤濕角測定結果

1.3 降低油水界面張力

毛管力是影響原油采收率的決定性因素，它由巖石表面潤濕性和流體間表面張力共同決定。由于納米顆粒表面活性高，表界面效應強，顆粒穩(wěn)定于油水界面，從而降低油水之間的界面張力，提升高黏度油相在低黏度驅(qū)替相中的分散運移性能[7，8]。界面張力的降低可以增加毛管數(shù)，從而提高微觀波及系數(shù)。

毛管數(shù)是衡量驅(qū)動力與毛細管力比值的一個無量綱參數(shù)[9，10]，是表示被驅(qū)替相所受到的黏滯力與毛細管力之比的一個無量綱數(shù)，反映了多孔介質(zhì)兩相驅(qū)替過程中不同力間的平衡關系，由式（2）計算：

式中：μw-驅(qū)替液黏度，mPa·s；υw-流體滲流速率，m/s；σ-油/水界面張力，mN/m。

實驗結果表明，原油采收率與毛管數(shù)呈類指數(shù)關系，當毛管數(shù)NC的值超過10-4時，采收率將迅速提高。一般注水（氣）開發(fā)的油田，NC值為10-6左右，只有將NC值增加到10-3～10-2，才能顯著提高采收率。通過式（2）可以看出，增加驅(qū)替液黏度和滲流速率，或者是降低油水界面張力均可以增加毛管數(shù)，毛管數(shù)越大，驅(qū)油效率越高，這也是三次采油的基本原理。

基于以上理論，對納米分散液試劑進行室內(nèi)實驗，測試不同濃度對界面張力的影響。油相在該體系下無法保持完整的球型狀態(tài)，分散液可將油水界面張力由25 mN/m 降低至＜0.01 mN/m（所使用測量儀器的精度為0.01，所以當張力低于0.01 時，被標注為＜0.01），相應毛管數(shù)也增加至10-3級別，表面潤濕性改變及界面張力降低的協(xié)同作用增加了水驅(qū)毛管數(shù)，提升了微觀驅(qū)油效率。當納米分散液濃度達到某一個值時，界面張力會降到最低點，但藥劑濃度的繼續(xù)增長非但不會進一步降低界面張力，反而會降低藥劑的工作效率（見表2），因此在現(xiàn)場工藝設計時需對體系濃度進行優(yōu)化。

表2 界面張力測試結果（60 ℃）

1.4 洗油效率評價

取0.6%濃度納米分散液的溶液和無分散體的溶液各10 mL 分別加入燒杯中，緩慢加入10 mL 地層油，兩份3 g 的實驗砂粒，緩慢均勻撒入燒杯中。石英砂表面包裹地層油，因此砂粒會形成油包砂形態(tài)沉入燒杯底部。將兩個燒杯同時放在恒溫加熱墊上加熱至65 ℃左右，對油包砂的變化動態(tài)進行觀察記錄：當燒杯加熱到地層溫度時，油包砂在無分散體溶液中保持穩(wěn)定，油包砂狀態(tài)的砂粒始終在燒杯底部，水相不能潤濕砂粒，無法突破油相進入砂體內(nèi)部；含有0.6%分散液的水溶液達到地層溫度后其可以代替油相成為潤濕相，油包砂狀態(tài)會被破壞，主要是因為0.6%的納米分散液界面張力非常低，其水溶液因此可以進入砂體內(nèi)部驅(qū)替包裹地層油，達到了較好的洗油效果。

基于不同濃度（0.5%，0.4%，0.3%，0.2%，0.1%）的納米分散液對油砂的洗油能力進行評價（見圖3）。加入納米級分散液后，洗油效率會大幅提升，在靜態(tài)（無攪拌、剪切）情況下加入0.6%濃度的分散體，洗油效率即可達到79.2%，洗油能力提升明顯。在礦場注入試驗中，納米分散液提高采收率并非單一的作用機理，而是上述多種機理協(xié)同作用，從而實現(xiàn)對原油的高效剝離、驅(qū)替。

圖3 不同濃度納米分散液洗油效率

2 油田現(xiàn)場應用實例

2.1 工藝方案優(yōu)化研究

某油田為河流相沉積的稠油油藏，儲層埋藏淺，具有高孔高滲特征，縱向上發(fā)育多套砂體，儲層平面和縱向上的非均質(zhì)性強。注水井大都采用大段防砂，防砂段內(nèi)層系多，經(jīng)過長時間的注水開發(fā)，高滲層突進嚴重，而位于非優(yōu)勢通道或非有利沉積相帶的油井見效差、供液能力下降、動用程度低，造成層內(nèi)、層間、平面矛盾突出，油田注水利用率下降。

其中A 井組包含3 口油井（A1、A2、A3），A 井日注水量770 m3，井組日產(chǎn)液1 174 m3，日產(chǎn)油175 m3，綜合含水85%，井組含水率較高，平面產(chǎn)液結構不合理，存在優(yōu)勢通道。同時A 井縱向吸水也不均勻，具備調(diào)驅(qū)作業(yè)的條件，因此選擇此井組進行納米分散液驅(qū)現(xiàn)場試驗。

首先根據(jù)A 井組油藏及實際生產(chǎn)情況建立數(shù)值模型，開展注入工藝參數(shù)數(shù)值模擬優(yōu)化研究。平面上劃分31×27 個網(wǎng)格，網(wǎng)格步長為20 m，縱向上劃分20 個小層，縱向網(wǎng)格的長度依據(jù)油層的實際厚度確定。擬合各生產(chǎn)井生產(chǎn)曲線，擬合精度達到90%以上。

然后開展工藝參數(shù)模擬優(yōu)化計算，優(yōu)選藥劑注入濃度及注入周期?？紤]藥劑在地層的吸附損失，結合室內(nèi)實驗結果，選擇納米分散液濃度范圍0.4%～0.6%，注入天數(shù)范圍20～100 d，共設計了21 組平行模擬方案（見圖4），優(yōu)選確定合理注入周期為50 d，濃度0.6%，藥劑總量為115 t。

圖4 方案優(yōu)化結果曲線

2.2 應用效果評價

按照方案優(yōu)化參數(shù)結果，A 井組進行納米分散液驅(qū)油現(xiàn)場試驗，措施后效果明顯，井組中的三口油井均出現(xiàn)見效特征，單井含水率下降2%～20%，井組累計增油量6 158 m3，與數(shù)值模擬方案優(yōu)化預測結果基本一致（見圖5、表3）。該技術的現(xiàn)場試驗進一步驗證了納米分散液驅(qū)油技術在油田現(xiàn)場應用的可行性與良好的效果，也為該油田增產(chǎn)措施提供了新的方向。同時納米分散液驅(qū)與其他調(diào)驅(qū)技術相比，還具有施工工藝簡單、藥劑注入性好、設備占地面積小、采收率提高明顯、綠色無污染等顯著優(yōu)點，對于施工空間和時間要求較高的油田，具有較好的推廣應用價值。

表3 A 井組納米分散液驅(qū)效果統(tǒng)計表

圖5 A 井組納米分散液驅(qū)前后日產(chǎn)油遞減曲線對比

3 結論

（1）納米分散液通過楔形擠壓效應、潤濕性反轉(zhuǎn)、降低界面張力作用機理可大幅提高驅(qū)油效率，實現(xiàn)采收率的提高。

（2）通過室內(nèi)實驗及數(shù)值模擬研究，并綜合考慮納米分散液在地層的吸附損失等因素，認為文中評價的納米分散液現(xiàn)場應用最佳濃度在0.5%左右。

（3）納米分散液驅(qū)油在油田的現(xiàn)場應用試驗進一步證明了此項提高采收率技術的優(yōu)勢，具有較好的借鑒意義及推廣價值。