致密油儲(chǔ)層滲吸驅(qū)油用納米流體研究

余海棠 ，鄧雄偉 ，劉艷梅 ，何亞斌

（1.延長(zhǎng)油田股份有限公司，陜西 延安 716000；2.中國(guó)石化銷售股份有限公司西藏分公司，西藏 拉薩 850000）

0 引言

近年來(lái)，隨著美國(guó)致密油的成功開(kāi)發(fā)，全球掀起了致密油勘探與開(kāi)發(fā)新熱潮。由于致密油的開(kāi)發(fā)，美國(guó)也因此扭轉(zhuǎn)了多年來(lái)石油產(chǎn)量逐漸下降的趨勢(shì)［1-3］。我國(guó)的致密油資源儲(chǔ)量比較豐富，但由于此類油氣藏具有低孔、低滲、低可動(dòng)流體飽和度、孔喉細(xì)小以及天然能量不足的劣勢(shì)，采用常規(guī)手段難以得到高效的開(kāi)發(fā)，導(dǎo)致致密油產(chǎn)量在我國(guó)原油總產(chǎn)量的比重也比較低［4-6］。因此，需要研究更加高效合理的開(kāi)發(fā)技術(shù)，以提高致密油藏的開(kāi)發(fā)效益。

目前，針對(duì)致密油儲(chǔ)層，水力壓裂+注水開(kāi)發(fā)是最常用的一種增產(chǎn)開(kāi)發(fā)方式，采取這種開(kāi)發(fā)方式的油井在壓裂初期往往能夠獲得較高的產(chǎn)油量；然而，隨著注水開(kāi)發(fā)時(shí)間的延長(zhǎng)，地層裂縫中吸收了大量的水后，后續(xù)注入水沿著裂縫等大孔道產(chǎn)生竄流，造成油井產(chǎn)油量降低、含水率升高，油井的最終采收率往往不高［7-9］。并且對(duì)于致密油儲(chǔ)層而言，由于地層中微小孔隙的數(shù)量較多，還容易產(chǎn)生嚴(yán)重的水鎖傷害，對(duì)致密油藏的開(kāi)發(fā)更為不利。因此，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究人員逐漸開(kāi)展了滲吸驅(qū)油提高致密油儲(chǔ)層采收率技術(shù)的研究，并取得了較多的研究成果［10-13］。然而，由于致密油儲(chǔ)層中納米級(jí)孔隙比較多，孔隙連通性較差，致使流體在其中的流動(dòng)性較差，一般的化學(xué)藥劑無(wú)法達(dá)到良好的驅(qū)油效果，并且化學(xué)藥劑的使用量通常較大，增大了開(kāi)發(fā)成本。納米流體近年來(lái)在石油行業(yè)中得到了比較廣泛的應(yīng)用，在提高原油采收率方面也具有比較大的開(kāi)發(fā)潛力［14-16］。納米流體由于具有較小的粒徑、較大的比表面積和表面能，能夠在致密油儲(chǔ)層納米級(jí)的孔隙中自由流動(dòng)，并通過(guò)降低油水界面張力、改變巖石表面潤(rùn)濕性、改善油水流度比等來(lái)提高致密油藏的驅(qū)油效率［17-20］。與常規(guī)表面活性劑溶液或者固體納米顆粒不同，納米流體溶液因?yàn)榫哂锌蓴D壓和可變形的性能，能夠順利通過(guò)致密儲(chǔ)層中的微小孔隙，不會(huì)對(duì)儲(chǔ)層造成堵塞損害。因此，本文以鄂爾多斯盆地某致密砂巖區(qū)塊為研究對(duì)象，研制了一種適合致密油儲(chǔ)層滲吸驅(qū)油用的新型納米流體Nan-FS，并通過(guò)大量的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了其綜合性能，最后在現(xiàn)場(chǎng)得到了成功的試驗(yàn)。新型納米流體的研制和應(yīng)用可為同類致密油藏的高效合理開(kāi)發(fā)提供一定的借鑒和參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料及儀器

材料：陰-非離子型表面活性劑FS-3，實(shí)驗(yàn)室研制；助溶劑ZR-1（主要成分為有機(jī)醇化合物），實(shí)驗(yàn)室自制；C11—C13直鏈烷烴，常州市和時(shí)利化工有限公司生產(chǎn)；石英片（根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求將其處理成親水性和親油性），錦州盛唐石英玻璃有限公司生產(chǎn)；實(shí)驗(yàn)用儲(chǔ)層原油（地層溫度條件下黏度為4.92 mPa·s，密度為0.894 g/cm3），取自目標(biāo)區(qū)塊儲(chǔ)層段；模擬地層水（總礦化度為10 520 mg/L）；實(shí)驗(yàn)用天然巖心（基本物性參數(shù)見(jiàn)表1）取自目標(biāo)區(qū)塊儲(chǔ)層段。

表1 實(shí)驗(yàn)用天然巖心基本物性參數(shù)及用途

儀器：Winner802納米激光粒度分析儀，濟(jì)南微納科技有限公司生產(chǎn)；TX500C自動(dòng)旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀，上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司生產(chǎn)；JC2000C接觸角測(cè)定儀，上海坤誠(chéng)科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)；JNMECZR系列核磁共振波譜儀，深圳藍(lán)星宇電子科技有限公司生產(chǎn)；靜態(tài)滲吸實(shí)驗(yàn)裝置（包括滲吸瓶以及加熱裝置等）和高溫高壓動(dòng)態(tài)滲吸驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置（主要包括平流泵、恒溫控制系統(tǒng)、加壓裝置、滲吸倉(cāng)、中間容器、壓力傳感器以及液體收集裝置等），項(xiàng)目組聯(lián)合研制。

1.2 納米流體Nan-FS的制備

將陰-非離子型表面活性劑FS-3、助溶劑ZR-1和C11—C13直鏈烷烴按照體積比 50∶40∶10 進(jìn)行混合，然后加入一定量的蒸餾水，將混合溶液在低速（100～500 r/min）狀態(tài)下攪拌30 min，溫度控制在50℃左右，直至混合溶液變?yōu)榫酄顟B(tài)，再使用蒸餾水將其稀釋至一定濃度，即得到納米流體Nan-FS。

1.3 納米流體Nan-FS性能評(píng)價(jià)

1.3.1 粒徑分布實(shí)驗(yàn)

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的納米流體Nan-FS溶液，測(cè)定納米流體的粒徑分布情況。

1.3.2 界面活性實(shí)驗(yàn)

配制不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體Nan-FS溶液，測(cè)定其與儲(chǔ)層原油之間的界面張力值。

1.3.3 潤(rùn)濕性能實(shí)驗(yàn)

參照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5153—2017《油藏巖石潤(rùn)濕性測(cè)定方法》，采用接觸角法測(cè)定納米流體Nan-FS在親水石英表面和親油石英表面的接觸角，以此評(píng)價(jià)納米流體的潤(rùn)濕性能。

1.3.4 靜態(tài)滲吸驅(qū)油實(shí)驗(yàn)

1）將儲(chǔ)層天然巖心洗油、洗鹽，然后在105℃下抽真空干燥48 h，稱其干重；2）使用抽真空加壓飽和實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)天然巖心進(jìn)行飽和儲(chǔ)層原油，壓力加至20 MPa，飽和24 h；3）取出巖心，將其浸泡在儲(chǔ)層原油中，在80℃條件下老化14 d后備用；4）將浸泡后的巖心取出，擦去表面原油，將其放置在靜態(tài)滲吸實(shí)驗(yàn)裝置中，采用體積法進(jìn)行靜態(tài)滲吸驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)溫度為80℃，滲吸液為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體Nan-FS溶液，記錄采出油體積隨時(shí)間的變化情況，直至采出油體積不再變化，計(jì)算不同時(shí)間的靜態(tài)滲吸采收率。

1.3.5 動(dòng)態(tài)滲吸驅(qū)油實(shí)驗(yàn)

1）將儲(chǔ)層天然巖心洗油、洗鹽、烘干后，測(cè)定其液相滲透率和孔隙度；2）使用模擬地層水抽真空飽和巖心，計(jì)算其孔隙體積；3）將巖心放入高溫高壓動(dòng)態(tài)滲吸驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置中，在80℃條件下，以0.05 mL/min的流速飽和原油，然后將其在80℃和18 MPa條件下老化24 h，備用；4）使用模擬地層水，驅(qū)替巖心至含水率達(dá)到98%以上為止，計(jì)算水驅(qū)油效率；5）繼續(xù)注入0.5 PV的納米流體Nan-FS溶液，關(guān)閉進(jìn)出端閥門，在儲(chǔ)層溫度和壓力條件下滲吸反應(yīng)24 h；6）再次使用模擬地層水驅(qū)替巖心直至含水率達(dá)到98%以上為止，計(jì)算最終采收率。采用核磁共振儀測(cè)定巖心動(dòng)態(tài)滲吸驅(qū)油前后的T2譜圖（以0.5%納米流體Nan-FS為例），為了避免模擬地層水中的離子干擾核磁共振信號(hào)，需要在模擬地層水中加入一定量的MnCl2來(lái)屏蔽其中的氫信號(hào)。模擬地層水驅(qū)油和注納米流體Nan-FS溶液驅(qū)油的流速均為0.1 mL/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 粒徑分布

按照1.3.1中的實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)定了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的納米流體Nan-FS的粒徑分布情況（見(jiàn)圖1）?？梢钥闯觯{米流體Nan-FS的粒徑范圍主要分布在10～100 nm，平均粒徑為64.2 nm，粒徑分布范圍相對(duì)較窄，并沒(méi)有形成比較雜亂的復(fù)雜分布峰。這說(shuō)明納米流體Nan-FS具有良好的分散穩(wěn)定性能，不會(huì)發(fā)生聚集沉降現(xiàn)象，保障了納米流體Nan-FS能夠更好地進(jìn)入致密油儲(chǔ)層孔隙。

2.2 界面活性

按照1.3.2中的實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)定了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米流體Nan-FS溶液與儲(chǔ)層原油之間的界面張力值（見(jiàn)圖 2）。

可以看出，隨著納米流體Nan-FS質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷增大，其與儲(chǔ)層原油之間的界面張力值呈現(xiàn)出“先降低后趨于穩(wěn)定”的趨勢(shì)。當(dāng)納米流體Nan-FS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，界面張力值即可以達(dá)到10-2mN/m數(shù)量級(jí)，再繼續(xù)增大納米流體Nan-FS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，界面張力值基本保持不變。這說(shuō)明納米流體Nan-FS具有良好的界面活性，能夠較好地降低油水界面張力值，提高洗油效率。

2.3 潤(rùn)濕性能

按照1.3.3中的實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)定了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體Nan-FS在親水和親油石英片表面的接觸角（見(jiàn)表 2）。

表2 納米流體Nan-FS在石英片表面的接觸角 （°）

可以看出，隨著納米流體Nan-FS質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷增大，其在親水石英片表面上的接觸角逐漸增大，在親油石英片表面上的接觸角則逐漸減小。當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，在親水和親油石英片表面上的接觸角分別為41.9°和64.5°。這說(shuō)明納米流體Nan-FS對(duì)親水和親油表面均具有較好的潤(rùn)濕效果，能夠自發(fā)地進(jìn)入到親水或者親油的孔隙中，起到良好的滲吸驅(qū)油效果；此外，納米流體Nan-FS能夠?qū)⒂H油表面的潤(rùn)濕性改變?yōu)槿跤H水，具備較好的潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)性能，進(jìn)而有效減弱油水兩相的毛細(xì)管末端效應(yīng)，增強(qiáng)毛細(xì)管滲吸驅(qū)油效果。

2.4 靜態(tài)滲吸驅(qū)油效果

按照1.3.4中的實(shí)驗(yàn)方法，評(píng)價(jià)了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米流體Nan-FS的靜態(tài)滲吸驅(qū)油效果（見(jiàn)圖3）。

由圖3可以看出：滲吸液中未加納米流體Nan-FS時(shí)，巖心的靜態(tài)滲吸采收率較低，滲吸150 h后采收率僅為5.8%；而隨著滲吸液中納米流體Nan-FS質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷增大，巖心的靜態(tài)滲吸采收率逐漸增大，并且滲吸時(shí)間越長(zhǎng)，滲吸采收率越大。當(dāng)納米流體Nan-FS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，靜態(tài)滲吸150 h后的采收率可以達(dá)到15%以上，滲吸驅(qū)油效果較好。這是由于納米流體Nan-FS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，滲吸液的界面活性和潤(rùn)濕性能就越強(qiáng)，在靜態(tài)實(shí)驗(yàn)條件下，依靠較強(qiáng)的毛細(xì)管力作用，納米流體Nan-FS可以充分地進(jìn)入到巖心的微小孔隙中，將其中的原油置換出來(lái)，達(dá)到提高滲吸采收率的目的。

2.5 動(dòng)態(tài)滲吸驅(qū)油效果

按照1.3.5中的實(shí)驗(yàn)方法，評(píng)價(jià)了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米流體Nan-FS的動(dòng)態(tài)滲吸驅(qū)油效果（見(jiàn)表3、圖4）。

表3 納米流體Nan-FS的動(dòng)態(tài)滲吸驅(qū)油效果

由表3和圖4可以看出，目標(biāo)區(qū)塊儲(chǔ)層段天然巖心的水驅(qū)采收率為22.0%左右，水驅(qū)油后再繼續(xù)注入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體Nan-FS，采收率均呈現(xiàn)出不同程度的升高現(xiàn)象。與靜態(tài)滲吸驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似，納米流體Nan-FS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大；動(dòng)態(tài)滲吸驅(qū)油的采收率就越大，當(dāng)納米流體Nan-FS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，巖心驅(qū)替4 PV后的最終采收率可以達(dá)到46.7%，注入納米流體Nan-FS后滲吸采收率提高25.0百分點(diǎn)以上，滲吸驅(qū)油效果較好。

圖5為8#天然巖心飽和儲(chǔ)層原油、水驅(qū)、注0.5%納米流體Nan-FS滲吸驅(qū)油后的核磁共振T2譜圖，可以看出，巖心經(jīng)過(guò)水驅(qū)后，T2譜圖上弛豫時(shí)間在10.0～100.0 ms曲線包圍的面積明顯減小，而弛豫時(shí)間在0.1～10.0 ms曲線包圍的面積則基本不變，說(shuō)明天然巖心水驅(qū)階段主要驅(qū)替出的是較大孔隙中的原油；巖心經(jīng)過(guò)0.5%納米流體Nan-FS滲吸驅(qū)油后，弛豫時(shí)間在0.1～10.0 ms曲線包圍的面積明顯減小，說(shuō)明巖心中注入納米流體Nan-FS后滲吸階段驅(qū)替出的主要是微小孔隙中的原油。由此可知，納米流體Nan-FS溶液比較容易依靠毛細(xì)管力滲吸進(jìn)入到致密砂巖巖心的微小孔隙中，通過(guò)降低原油界面張力值以及改變巖石孔隙表面的潤(rùn)濕性等作用，改善原油在微小孔隙中的流動(dòng)性，將原油驅(qū)替出來(lái)，提高了致密砂巖儲(chǔ)層中微小孔隙中原油的動(dòng)用程度，從而提高原油采收率。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

鄂爾多斯盆地某油田M區(qū)塊屬于典型的致密砂巖油藏，儲(chǔ)層物性較差，目的層平均孔隙度為7.62%，平均液相滲透率為0.068×10-3μm2，儲(chǔ)層溫度為80℃左右。從2014年開(kāi)始，該油田M區(qū)塊一直采取注水開(kāi)發(fā)的方式進(jìn)行生產(chǎn)，隨著開(kāi)發(fā)時(shí)間的延長(zhǎng)，該區(qū)塊內(nèi)采油井的日產(chǎn)油量逐漸降低，含水率逐漸升高，有少部分采油井甚至出現(xiàn)了水淹的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了整個(gè)區(qū)塊的開(kāi)發(fā)效果。

通過(guò)大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研分析，在該區(qū)塊內(nèi)開(kāi)展了注納米流體Nan-FS滲吸驅(qū)油提高采收率先導(dǎo)性試驗(yàn)。根據(jù)室內(nèi)研究結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)不同采油井的實(shí)際生產(chǎn)情況，注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的納米流體Nan-FS，注入段塞為0.5 PV，區(qū)塊內(nèi)注水井的平均注入壓力為12.6 MPa，納米流體Nan-FS累計(jì)注入量為2 365.5 m3。施工完畢后，關(guān)井一段時(shí)間，繼續(xù)開(kāi)井生產(chǎn)。

表4為M區(qū)塊內(nèi)部分采油井（水平井）注納米流體Nan-FS滲吸驅(qū)油措施前后的日產(chǎn)液量、日產(chǎn)油量和含水率對(duì)比結(jié)果?？梢钥闯觯翰扇∽⒓{米流體Nan-FS滲吸驅(qū)油措施前，5口采油井的平均日產(chǎn)液量為29.62 m3，日產(chǎn)油量?jī)H為1.87 m3，平均含水率高達(dá)93.5%；而采取注納米流體Nan-FS滲吸驅(qū)油措施后，5口采油井的平均日產(chǎn)液量變化不大，而平均日產(chǎn)油量明顯提升，達(dá)到了6.01 m3，與措施前相比提升幅度達(dá)到221%，而平均含水率降為79.4%，達(dá)到了良好的降水增油效果。這說(shuō)明，研究的納米流體Nan-FS能夠有效提高致密砂巖油藏水驅(qū)開(kāi)發(fā)后的驅(qū)油效果，可以在同類油藏中進(jìn)一步開(kāi)展試驗(yàn)。

表4 采油井注納米流體Nan-FS滲吸驅(qū)油效果對(duì)比

4 結(jié)論

1）以陰-非離子型表面活性劑FS-3、助溶劑ZR-1和C11—C13直鏈烷烴為原料，研制了一種適合致密油儲(chǔ)層滲吸驅(qū)油用的納米流體Nan-FS。

2）納米流體Nan-FS具有粒徑小以及分散穩(wěn)定的特點(diǎn)；當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，能夠使油水界面張力降低至10-2mN/m數(shù)量級(jí)，并可以使親油石英片表面的潤(rùn)濕性轉(zhuǎn)變?yōu)槿跤H水狀態(tài)，具有良好的界面活性和潤(rùn)濕性能；納米流體Nan-FS溶液還具有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)滲吸驅(qū)油效果，能夠有效提高致密油藏水驅(qū)開(kāi)發(fā)后的采收率。

3）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，M區(qū)塊5口采油井注入納米流體Nan-FS溶液后，平均日產(chǎn)油量與措施前相比提高了221%，并且有效地降低了采出液的含水率，起到了較好的降水增油效果。