致密氣藏中納米流體遷移能力及宏觀排水采氣機(jī)理

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）

0 引 言

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)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)用品與儀器

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。

1.2 納米流體濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線測(cè)定

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。

1.3 多孔介質(zhì)中遷移實(shí)驗(yàn)

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。

1.4 宏觀機(jī)理實(shí)驗(yàn)探討

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。

2 結(jié)果與討論

2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立

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。

2.2 多孔介質(zhì)中的遷移能力

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 納米流體排水采氣宏觀機(jī)理

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。

2.4 納米流體排水采氣微觀機(jī)理

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

3 結(jié) 論

（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。