秦國(guó)偉 孫賽賽 薛云龍 張蓓蕾 許洪星 鄭儼釗 秦文龍 白艷明 代 旭
(1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院,陜西 西安 710065;2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司勘探開發(fā)研究院,陜西 西安 710018;3.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶井下技術(shù)作業(yè)公司,陜西 西安 710000;4.中國(guó)石化江漢油田分公司,湖北 潛江433124;5.中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院,黑龍江 大慶 163712)
在“碳達(dá)峰、碳中和”政策下,天然氣將成為中國(guó)現(xiàn)代清潔能源體系的主體能源之一。中國(guó)低滲/致密氣藏中的天然氣資源豐富,但致密氣藏具有低孔、低滲、小孔喉、氣/水關(guān)系復(fù)雜等特點(diǎn),一般情況下無自然產(chǎn)能或產(chǎn)能較低,需經(jīng)壓裂后方能投產(chǎn)[1-4]。在開采過程中氣井易大量產(chǎn)水,導(dǎo)致產(chǎn)量迅速下降,特別嚴(yán)重情況下,可使氣井因無經(jīng)濟(jì)開采價(jià)值而被迫提前關(guān)井停產(chǎn)[5-9]。
針對(duì)氣井出水的問題,目前主要采用排水采氣和氣井控水處理2 種方法[8-13]。排水采氣通過排除“氣井積液”來恢復(fù)正常生產(chǎn),難以排除儲(chǔ)層“深部水”,影響其有效期。氣井控水主要采用高黏度、高強(qiáng)度的堵水體系封堵儲(chǔ)層中的水,但控水劑難以滿足致密等氣藏的控水需求。納米流體因具有能耗小、無污染、黏度低、粒徑小等優(yōu)勢(shì)受到廣泛關(guān)注和應(yīng)用[14-28]。因此,將納米流體用于致密氣藏實(shí)現(xiàn)排水采氣的目的具有積極的意義。
納米流體具有改變巖石孔隙結(jié)構(gòu)及其表面潤(rùn)濕性的特性,在石油領(lǐng)域中有著較為廣泛地應(yīng)用[14-28],但目前針對(duì)納米流體的排水采氣技術(shù)研究較少。因此,本文以致密巖樣和自制納米流體為研究對(duì)象,通過研究納米流體在多孔介質(zhì)中的遷移能力,評(píng)價(jià)了納米流體“深部排水”的功能,利用動(dòng)靜實(shí)驗(yàn)相結(jié)合技術(shù),探討了納米流體的排水采氣的機(jī)理;形成系統(tǒng)評(píng)價(jià)納米流體在排水采氣方面的研究方法,為納米流體在致密氣藏開發(fā)中的應(yīng)用提供依據(jù)。
主要實(shí)驗(yàn)用品:(1)改性硅油納米流體,自制,主要成分為改性硅油、蒸餾水、乳化劑、低分子醇類以及電解質(zhì),其質(zhì)量比為11.19∶78.30∶6.82∶3.02∶0.67,無色,無味,粒徑中值為5.37 nm,ζ 電位為47.93 mV;(2)標(biāo)準(zhǔn)鹽水,即w(NaCl)∶w(CaCl2)∶w(MgCl2·6H2O)為7.0∶0.6∶0.4;(3)氮?dú)?;?)某油田氣井的天然巖心,參數(shù)見表1。
表1 納米流體實(shí)驗(yàn)巖心基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of nanofluid experimental cores
主要實(shí)驗(yàn)儀器:UV2600i 紫外分光光度計(jì),北京京科瑞達(dá)科技有限公司;BSA423S 型電子天平,賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司;JY92-IIN 超聲波細(xì)胞粉碎機(jī),寧波新芝生物科技股份有限公司;DZF 型真空干燥箱,北京科偉永興儀器有限公司;ISCO 高壓高精度柱塞泵,環(huán)球(香港)科技有限公司;HKY 多功能巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置,海安縣石油科研儀器有限公司。
按實(shí)驗(yàn)要求用標(biāo)準(zhǔn)鹽水配制不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體,在頻率為40 kHz 下使用超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)超聲30~60 min,保證納米流體分散性良好,最后以標(biāo)準(zhǔn)鹽水作為溶劑基液,按紫外可見分光光度法在波長(zhǎng)為190~1 000 nm 進(jìn)行掃描,確定納米流體的最佳波長(zhǎng),建立最佳波長(zhǎng)下納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)與吸光度間的線性關(guān)系。
納米流體在多孔介質(zhì)中遷移能力評(píng)價(jià)主要利用物理模擬實(shí)驗(yàn),流程如圖1所示。
圖1 納米流體動(dòng)態(tài)驅(qū)替裝置Fig.1 Equipment of nanofluid dynamic displacement
具體實(shí)驗(yàn)步驟:
(1)飽和標(biāo)準(zhǔn)鹽水。將準(zhǔn)備好的實(shí)驗(yàn)巖樣烘干測(cè)量基本參數(shù),并對(duì)其真空下飽和標(biāo)準(zhǔn)鹽水。
(2)納米流體驅(qū)替。按實(shí)驗(yàn)要求,同條件下對(duì)飽和好的巖樣進(jìn)行納米流體驅(qū)替,并每隔一定時(shí)間收集出口端納米流體溶液。
(3)測(cè)量并計(jì)算納米流體濃度。利用分光光度計(jì)測(cè)量出口端收集的納米流體吸光度,至吸光度變化幅度很小為止,結(jié)合納米流體的標(biāo)準(zhǔn)曲線,計(jì)算出口端納米流體濃度。
(4)繪制濃度比與注入量曲線。納米流體起始濃度計(jì)為c0,出口端濃度計(jì)為cf,繪制相對(duì)濃度cf/c0與注入孔隙體積倍數(shù)的關(guān)系曲線。
重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟(1)—(4)直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。
納米流體具有排水采氣效果,宏觀上主要改變氣/水相滲曲線形態(tài)以及阻止排出的地層水再次滲吸至儲(chǔ)層中,因此可采用巖心動(dòng)態(tài)兩相滲流實(shí)驗(yàn)和靜態(tài)單相滲吸實(shí)驗(yàn)相結(jié)合技術(shù)綜合探討納米流體的排水采氣宏觀機(jī)理。
動(dòng)態(tài)兩相滲流實(shí)驗(yàn)依據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 28912—2012《巖石中兩相流體相對(duì)滲透率測(cè)定方法》[29],利用非穩(wěn)態(tài)法測(cè)定納米流體作用前后巖樣氣/水兩相滲流曲線,并對(duì)其進(jìn)行相關(guān)分析。
巖心靜態(tài)單相滲吸實(shí)驗(yàn)步驟:
(1)測(cè)量巖心基本參數(shù)。將準(zhǔn)備好的實(shí)驗(yàn)巖樣烘干,并測(cè)量其基本參數(shù)。
(2)標(biāo)準(zhǔn)鹽水滲吸。將烘干后的巖樣浸泡于標(biāo)準(zhǔn)鹽水中使其發(fā)生自發(fā)滲吸現(xiàn)象,并每間隔一定時(shí)間稱量巖樣質(zhì)量,至巖樣質(zhì)量不再變化為止。
(3)飽和納米流體。將步驟(2)中巖樣,重復(fù)步驟(1)后,按實(shí)驗(yàn)要求真空下飽和納米流體。
(4)標(biāo)準(zhǔn)鹽水再次滲吸。將步驟(3)中飽和納米流體的巖樣置于60 ℃真空干燥箱內(nèi)烘干至質(zhì)量不再變化為止,并計(jì)算納米流體在多孔介質(zhì)中的殘留量。
重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟(2)—(4)至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。
使用分光光度計(jì),將納米流體在波長(zhǎng)為190~1 000 nm 進(jìn)行掃描,確定最佳波長(zhǎng)。
納米流體最佳波長(zhǎng)與質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān),即納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于等于2.0% 時(shí)最佳波長(zhǎng)為227.8 nm,質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.0% 時(shí)最佳波長(zhǎng)為235.2 nm。統(tǒng)計(jì)不同波長(zhǎng)下各質(zhì)量分?jǐn)?shù)的吸光度,并建立質(zhì)量分?jǐn)?shù)與吸光度間的關(guān)系(圖2),為研究納米流體在多孔介質(zhì)中遷移所需濃度計(jì)算提供依據(jù)。
圖2 納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)與吸光度間的線性關(guān)系Fig.2 Linear relation between nanofluid mass fraction and absorbance
圖2表明納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)在小于等于2.0%時(shí)線性關(guān)系(R2=0.999 9)好于質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.0%時(shí)(R2=0.001 9),因此選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于等于2.0%的線性關(guān)系作為納米流體的標(biāo)準(zhǔn)曲線,后期測(cè)試中如納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.0%時(shí),應(yīng)利用標(biāo)準(zhǔn)鹽水對(duì)其稀釋,并進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。
不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體在相近滲透率巖心中的流出曲線如圖3所示。
由圖3可知多孔介質(zhì)中的相對(duì)濃度cf/c0均已達(dá)到0.9 以上,表明納米流體在多孔介質(zhì)中的遷移能力較強(qiáng)。當(dāng)滲透率相近的情況下,隨納米流質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大,其經(jīng)過多孔介質(zhì)后出現(xiàn)的平臺(tái)濃度遷移距離增大;當(dāng)納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同情況下,隨著滲透率的增大而降低,但其變化幅度有所減小(圖4)。當(dāng)納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為6.25%、25.00%、100.00%時(shí),致密巖心(滲透率K<0.1×10-3μm2)出現(xiàn)平臺(tái)注入量分別在2.35、2.87、3.36 PV 處,而特低滲巖心(1×10-3μm2>滲透率K≥0.1×10-3μm2)出現(xiàn)平臺(tái)注入量分別在2.18、2.76、3.21 PV 處,研究結(jié)果與資料[22]中的動(dòng)態(tài)滯留量一致,分析原因認(rèn)為納米流體在多孔介質(zhì)的動(dòng)態(tài)滯留量與巖心滲透率相關(guān),宏觀表現(xiàn)為多孔介質(zhì)出口端的相對(duì)濃度不同,從而影響到出現(xiàn)平臺(tái)濃度所需的注入量不同。
圖3 不同滲透率下納米流體相對(duì)濃度與注入孔隙體積倍數(shù)關(guān)系Fig.3 Relations between nanofluid relative concentration and PV under different permeabilities
圖4 納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)與出現(xiàn)平臺(tái)濃度對(duì)應(yīng)注入量關(guān)系Fig.4 Relations between nanofluid mass fraction and injected PV corresponding to platform concentration
據(jù)資料[30-32]可知,當(dāng)99.9%的納米流體滯留在多孔介質(zhì)中時(shí),此時(shí)cf/c0=0.001 對(duì)應(yīng)納米流體所遷移的最遠(yuǎn)距離,計(jì)算公式為
式中:Lmax——納米流體遷移的最遠(yuǎn)距離,cm;vp——納米流體遷移的平均速度,cm/h;k——納米流體的沉積系數(shù),與時(shí)間和距離相關(guān),h-1。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù),利用式(1),確定納米流體在不同條件下的最遠(yuǎn)距離(圖5)。由圖5可知,納米流體在不同條件下的最遠(yuǎn)遷移距離均大于300 cm,表明納米流體的遷移力較強(qiáng),可運(yùn)移至多孔介質(zhì)的深處。與泡沫排水技術(shù)相比,納米流體具有“深部排水采氣”特點(diǎn),增強(qiáng)排水效果。最遠(yuǎn)遷移距離隨納米流質(zhì)量分?jǐn)?shù)或多孔介質(zhì)滲透率的增大均出現(xiàn)增大現(xiàn)象,但增加幅度變緩,主要因?yàn)榧{米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大時(shí),在多孔介質(zhì)中的動(dòng)態(tài)滯留量相對(duì)低;另外,多孔介質(zhì)的滲透率增大其滲流阻力較小。
圖5 納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)與最遠(yuǎn)遷移距離關(guān)系Fig.5 Relations between nanofluid mass fraction and maximum transport distance
2.3.1 巖心靜態(tài)單相滲吸實(shí)驗(yàn)
巖心自滲吸后質(zhì)量的變化程度宏觀上表現(xiàn)為儲(chǔ)層中排出的水再次滲吸至儲(chǔ)層中的能力,實(shí)際可反映納米流體排水后的有效期,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6。
圖6 巖心經(jīng)納米流體處理前/后吸水能力對(duì)比Fig.6 Comparison of core imbibition before and after nanofluid treatment
由圖6(a)—(c)可知,不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體處理后的巖心質(zhì)量增加程度明顯下降,表明巖心中水量減少,即納米流體可防止儲(chǔ)層中排出的水再次滲吸至儲(chǔ)層,提高了納米流體的有效排水期。巖心質(zhì)量變化幅度隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而增大,納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.25%和100%時(shí),其降低幅度分別為26.38%(巖心質(zhì)量由0.614 g 下降到0.452 g)和70.61%(巖心質(zhì)量由1.388 g 下降到0.408 g),防止儲(chǔ)層中排出的水再次滲吸至儲(chǔ)層的效果顯著,延長(zhǎng)排水采氣有效期;但與巖心單位有效孔隙體積內(nèi)的納米流體的殘留量有密切關(guān)系(圖6(d)),其變化程度隨著納米流體殘留量的增加而明顯降低,主要因?yàn)榧{米流體吸附于巖石表面形成1 層疏水膜,毛管力成為水相滲吸阻力,因此巖心吸水量下降,納米流體濃度越高,形成的疏水膜更加均勻致密,其效果更明顯。
2.3.2 巖心動(dòng)態(tài)兩相滲流
根據(jù)納米流體作用前后巖心氣/水兩相滲流曲線形態(tài),宏觀上探討納米流體的排水采氣機(jī)理,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖7。用相對(duì)滲透率曲線與橫軸的面積(S)表示納米流體在整個(gè)驅(qū)替過程中對(duì)氣/水滲流能力的影響程度,其中,Sw為水相,Sg為氣相(表2)。
表2 納米流體處理前后相滲曲線面積變化Table 2 Area changes of relative permeability curves before and after nanofluid treatment
圖7 巖心納米流體作用前后相對(duì)滲透率曲線Fig.7 Relative permeability curves before and after nanofluid treatment
由圖7可知,納米流體可以改變氣/水兩相的等滲點(diǎn),質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.25%和25.0%的納米流體降低氣/水兩相的等滲點(diǎn)1.83%(由56.49%降低至54.66%)和3.87% (由58.65% 降低至54.78%),表明巖心的潤(rùn)濕性發(fā)生變化,具有更加疏水性;同時(shí)巖心中的束縛水飽和度有所下降,分別降低了8.84% (由38.35% 降低至29.51%)和4.74%(由51.75%降低至47.01%),增加了巖心中的自由水;另外,水相相對(duì)滲透率大幅度增加,氣相相對(duì)滲透率小幅度降低。由表2可知,在驅(qū)替過程中,經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.26%和25%的納米流體作用后,水相相對(duì)滲透率增加且增幅較大,整個(gè)驅(qū)替過程其影響程度分別提高63.79%(由0.058 增至0.095)和100%(由0.009 增至0.018);而氣相滲透率降低且降幅較小,分別降低了9.80% (由0.245 降低至0.221)和13.04%(由0.023 降低至0.020)。巖心動(dòng)態(tài)兩相滲流實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明納米流體作用后水相阻力降低,且自由水增加,更容易從儲(chǔ)層排出,對(duì)氣相阻力影響較小。分析原因認(rèn)為納米流體通過靜電、氫鍵等作用方式吸附于巖石表面,改變儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)和巖石表面潤(rùn)濕性,降低水相的滲流阻力,儲(chǔ)層中自由水增多,使多孔介質(zhì)中更多的水快速排出實(shí)現(xiàn)排水目的;同時(shí)納米流體降低了氣/水間表面張力,導(dǎo)致水相排出過程中,有少量的水相擴(kuò)散至小孔隙內(nèi),導(dǎo)致氣相滲透率有所下降??傊?,納米流體打破儲(chǔ)層中原來的平衡狀態(tài),重新解放了部分氣流通道,從而提高了氣井產(chǎn)量。
在天然氣開采過程中,由于親水巖石的毛管力作用下,儲(chǔ)層中的水體沿高滲帶竄流至氣藏孔隙內(nèi),在多孔介質(zhì)中發(fā)生“水鎖效應(yīng)”,導(dǎo)致多孔介質(zhì)中氣體未能及時(shí)有效排出,從而形成死氣區(qū),占巖石總孔隙體積的30%以上,降低氣藏的總體采收率(圖8(a))。納米流體在多孔介質(zhì)中的強(qiáng)遷移能力,可實(shí)現(xiàn)“深部排水采氣”目的;同時(shí)由于納米流體與巖石之間產(chǎn)生一定分離壓,使巖石表面的束縛水分離,變?yōu)樽杂伤?,更易流?dòng)(圖8(b));納米流體吸附于巖石表面并形成一層致密疏水薄膜,導(dǎo)致巖石表面的微觀結(jié)構(gòu)和潤(rùn)濕性發(fā)生了改變(圖8(c)),降低水相排出阻力,可提高氣藏的排水效果;另外,潤(rùn)濕性的反轉(zhuǎn)使毛管力成為水相滲吸阻力,延長(zhǎng)了排水采氣的有效期和提高氣藏采收率。
圖8 納米流體排水采氣機(jī)理示意Fig.8 Schematic diagram of nanofluid drainage gas recovery mechanism
(1)納米流體在致密儲(chǔ)層中的遷移力強(qiáng),其最遠(yuǎn)遷移距離均大于300 cm,且隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)和滲透率的增大,遷移距離均增加,較常規(guī)排水采氣技術(shù)可實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層中的“深部排水采氣”目的,增強(qiáng)排水效果。
(2)納米流體作用后的巖心滲吸水量明顯減少,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.25%和100%的納米流體可分別降低26.38%(由0.614 g 下降至0.452 g)和70.61%(由1.388 g 下降至0.408 g)的水量,防止儲(chǔ)層中排出的水再次滲吸至儲(chǔ)層,提高了納米流體的有效排水期。
(3)納米流體降低氣/水兩相等滲點(diǎn)1.83%(由56.49%降低至54.66%)和3.87%(由58.65%降低至54.78%)、降低了8.84% (由38.35%降低至29.51%)和4.47% (由51.75%降低至47.01%)的束縛水飽和度、增加了63.79%(由0.058 增至0.095)和100%(由0.009 增至0.018)的水相滲透率、降低9.80% (由0.245 降低至0.221)和13.04%(由0.023 降低至0.020)氣相相對(duì)滲透率。
(4)納米流體吸附于巖石表面并形成1 層致密疏水薄膜,導(dǎo)致巖石表面的微觀結(jié)構(gòu)和潤(rùn)濕性發(fā)生了改變,可提高氣藏排水效果,延長(zhǎng)了排水采氣的有效期。