宋景楊 方艷君 趙春森

摘 要：納米粒子在提高油藏采收率中的作用是一個日益重要的研究課題。納米粒子為固體且比膠體粒子小兩個數(shù)量級，對提高采收率具有潛力。分析了改良二氧化硅納米粒子對Y油田的輕質(zhì)油田和中質(zhì)油田提高采收率的影響。油水界面張力和潤濕性的改變是納米粒子提高采收率的主要機理。在不存在納米粒子和存在納米粒子且在納米粒子的不同濃度下進行了油水界面張力和油相接觸角的測量。結(jié)果表明，輕質(zhì)和中質(zhì)油中，納米粒子的存在都大大降低了界面張力。此外，巖石的潤濕性有從親水變?yōu)橛H油的趨勢。納米粒子在輕質(zhì)油藏中的效率更高，可提高一次二次采油采收率。

關(guān) 鍵 詞：納米粒子； 界面張力； 潤濕性； 采收率

中圖分類號：TE 357 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）08-1677-04

Abstract： The role of nanoparticles in enhancing oil recovery of oil reservoirs is an increasingly important research topic. Nanoparticles are potentially useful for enhancing oil recovery as they are solid and their size is smaller than colloidal particles by two orders of magnitude. In this paper， effect of modified silica nanoparticles on enhancing oil recovery of light and medium oil reservoirs in Y oilfield was analyzed. The mechanisms to enhance oil recovery are oil-water interfacial tension reduction and wettability alteration. Oil phase contact angles and oil-water interfacial tensions were measured in the absence and the presence of nanoparticles with different concentrations （1～4 g/L）. The results show that the interfacial tension reduces dramatically in the presence of nanoparticles for both light and medium oil. In addition oil phase contact angle test results show a transformation of rock wettability from water-wet toward oil-wet condition.These nanoparticles are more capable in the reduction of the interfacial tension and the alteration of wettability in the case of light oil reservoir.

Key words： nanoparticles； interfacial tension； wet ability； recovery

由于存在阻礙原油滲流的高毛細(xì)管力，超過50%的原油被束縛在地層中。毛細(xì)管壓力是小油滴烴通過孔喉所需要的力，受潤濕性和油水界面張力的影響。近年來，納米材料由于其獨特的性質(zhì)已經(jīng)吸引了眾多研究者在納米材料提高采收率方面的研究[1-2]。二氧化硅納米粒子改變儲層巖石潤濕性和降低油水兩相界面張力的作用被積極研究[3-4]。在過去的十年中，已經(jīng)做了關(guān)于二氧化硅納米粒子在親水砂巖中的應(yīng)用的研究[5-6]。然而，缺乏對改良二氧化硅納米粒子在不同儲層中提高采收率的研究。本研究比較了改良二氧化硅納米粒子對Y油田的輕質(zhì)油田和中質(zhì)油田提高采收率的影響，評價改良二氧化硅納米粒子通過降低界面張力和改變巖石潤濕性增加驅(qū)替效率的潛力。

1 實驗部分

1.1 材料

實驗用的砂巖巖心是從Y油田的一個油層中得到的。這些巖心的直徑為38.4 mm，長度范圍為68.0至68.5 mm，孔隙度和平均滲透率分別為18.5%和102 mD。實驗中使用的鹽水為濃度為5%的NaCl。室溫下鹽水的密度和黏度分別為1.05 g/cm3和1.09 cp。從Y油田不同地層中得到了兩種類型的脫氣原油，含有少量的瀝青，在20℃下的黏度分別為11.014 cp和29.364 cp，API分別為33.53和27.43。本實驗中用到的二氧化硅（AEROSIL R816）是十六烷基硅烷基于AEROSIL 200處理后得到的。AEROSIL R816的物理性質(zhì)如表1所示。在透射電子顯微鏡下觀察到的納米粒子的形狀近似球體。本實驗中用到的不同濃度的納米流體由納米粒子在乙醇中30 min制備（600 W，20 kHz）。納米流體制備后，將溶液放置在一個封閉透明的瓶子中一周，消除所有能夠使其降解的因素，如光和熱，以確保其均勻性和穩(wěn)定性。

1.2 實驗方法

分別用4種不同濃度的納米流體測量接觸角和界面張力。能夠引起接觸角最大變化和界面張力值最低的濃度被認(rèn)為是理想濃度。為了觀察納米粒子對潤濕性的改變，兩組試樣被鋸開，拋光并在室溫（23℃）下垂直的放入納米流體中。然后，用顯微照相機拍攝砂巖板上的油滴的側(cè)面圖像并測量接觸角。液滴的體積用手動精密注射器調(diào)節(jié)，以獲得盡可能小的尺寸。另外，用懸滴法在環(huán)境壓力和室溫下分別測量加入不同濃度的納米流體前和后的界面張力。為進行界面張力的測量，用顯微照相機拍攝被鹽水和不同濃度的納米流體包圍的油滴照片。油滴參數(shù)由油滴尺寸測得。IFT用下公式計算：

其中： 和 分別為油和水的密度，g為重力加速度， de是油滴的最大水平直徑， ds是距離油滴底部上方de距離處的直徑。對于巖心驅(qū)替實驗，第一個巖心滲透的是輕質(zhì)油，第二個巖心滲透的是中質(zhì)油。然后，在環(huán)境壓力和在室溫下以60 mL/h的流速進行巖心驅(qū)替試驗。巖心被2 PV（1 PV=14.56 cc）驅(qū)替，以模擬一次和二次采油過程。隨后，它們被2 PV的納米流體驅(qū)替，最后，用2 PV的鹽水將巖心中的納米流體驅(qū)替出。

2 結(jié)果和分析

2.1 接觸角和界面張力的測量結(jié)果

通過測量存在水時的油相接觸角來評估用納米粒子處理表面前后潤濕性的改變。如前所述，對納米流體在不同濃度（1～4 g/L）的油相的接觸角進行了測量，以確定巖心樣本中的納米流體注入的最佳濃度。第一組和第二組的巖心測量分別用了輕質(zhì)油和中質(zhì)油。第一組和第二組巖心在未用納米粒子處理之前接觸角分別為135.5°和130°（如圖1），巖石表面顯示出親水的性質(zhì)。用不同濃度的納米粒子處理過表面后，觀察到了改良二氧化硅納米粒子對于潤濕性的改變，第一組巖心的接觸角降低到了66°，第二組巖心降低到了101°。固體表面的潤濕性和固體-液體和液體-液體之間的相互作用有關(guān)，納米粒子在巖石表面的吸附從而改變表面自由能量是將潤濕性改變的原因，這可以被認(rèn)為是固-液兩相的相互作用。另外，納米粒子中存在液體-液體的相互作用是潤濕性改變的另外一個原因。三相系統(tǒng)中的內(nèi)在作用力和楊氏法則有關(guān)：

其中： 為油相接觸角， 為界面張力。上標(biāo)sw、os和wo分別代表固體-水、固體-油和水-油界面。在油水界面納米粒子的存在使得油水界面的張力降低。因此，根據(jù)（2）式， 隨油水界面張力降低而增加，因此油相接觸角減小，這意味著系統(tǒng)向親油轉(zhuǎn)變。不同濃度納米流體接觸角的測量結(jié)果表明濃度為3 g/L的納米流體在所有系統(tǒng)中改變潤濕性的能力更強。另外，納米粒子對輕質(zhì)油藏有更強的改變潤濕性的能力。

在本次研究中只研究了納米粒子的吸附作用對巖石表面的潤濕性改變的影響，因為在處理過程中，切片是被垂直放置在納米流體中的。

油和水之間的界面張力使得油被困在小孔道中，而且一部分剩余油在水驅(qū)之后仍然在小孔道中，這會使得孔內(nèi)毛細(xì)管壓力降低。采用納米流體后，對輕質(zhì)油系統(tǒng)，界面張力從26.5 mN/m降低到了2.95 mN/m，對中質(zhì)油系統(tǒng)，界面張力從28.3 mN/m降低到了7.3 mN/m（圖2）。納米流體濃度越高，界面張力越低。根據(jù)不同濃度的納米流體的界面張力的測量結(jié)果，3 g/L濃度的納米流體使界面張力降低的最顯著，為最佳濃度，并被用于巖心驅(qū)替實驗。界面張力的降低展示了納米流體驅(qū)動原油和提高原油采收率的潛力。因為它減小了油通過孔喉時的油滴變形使被困的油容易流動。對于輕質(zhì)油和中質(zhì)油界面張力的比較顯示出了納米粒子對于輕質(zhì)油油藏界面張力降低的強烈影響。油相-納米流體和水相-納米流體之間的會發(fā)生相互作用，由于發(fā)現(xiàn)納米流體積極地吸附到液體-液體界面，在界面上對納米流體和乙醇混合物的吸附反應(yīng)了這一原因，當(dāng)納米粒子和乙醇的混合物代替原來界面的水和/或油分子時，發(fā)生的反應(yīng)在一側(cè)是混合物與油分子的疏水部分之間，另一側(cè)是混合物與油分子的親水部分的界面上。這些相互作用比原始的油和水分子之間的作用強的多，在納米粒子和乙醇混合物的作用下穿過界面的張力減小了。

2.2 經(jīng)二氧化硅處理后采收率的提升

在第一個巖心和第二個巖心試樣中，在采用了二氧化硅納米粒子后，總體采收率都上升了。第一塊巖心的驅(qū)替效率在輕質(zhì)油中時54.01%，在中質(zhì)油中時為41.65%。然而，在注射了納米流體后，在第一塊巖心和第二塊巖心采收率分別增加了25.43%和14.55%。采收率比較的結(jié)果揭露了納米流體可以在一次二次采油中對采收率產(chǎn)生重大影響。然而，納米流體提高采收率的能力依賴于油的類型和不同的油藏條件。根據(jù)界面張力和接觸角的測量結(jié)果，當(dāng)納米粒子被引入到多孔介質(zhì)中時，它們中的一些可能吸附在巖石表面，另一些和不動的油滴反應(yīng)，并驅(qū)動它們。在兩種樣品中，界面張力的降低和潤濕性改變在提高采收率方面發(fā)揮了重要的作用。這些機制在輕質(zhì)油的油藏中更加有效。另外，讓乙醇本身作為表活劑對于兩個樣品做了研究，結(jié)果表明，在注入乙醇后，第一個和第二個巖心分別生產(chǎn)了14.21%和9.33%的油。因此，納米粒子在第一和第二試樣中的分配系數(shù)分別為44.29%和35.87%，納米粒子的可以提高采收率被這些結(jié)果所支持。

2.3 納米流體注入巖心后的變化

納米流體在注入巖心前和巖心后顏色發(fā)生了變化。如圖可以清楚的看到，納米流體經(jīng)過巖心后顏色從白色混濁溶液分別變成了淺綠色和黃色液體。納米流體在注入巖心前和巖心后的顏色差異揭露了在納米液體和油之間或納米液體和巖石之間可能發(fā)生了反應(yīng)。根據(jù)接觸角和界面張力的變化，可以得出結(jié)論，對于兩個樣品這兩個反應(yīng)都可能發(fā)生，納米流體與巖石和油都發(fā)生反應(yīng)。

2.4 納米流體驅(qū)油機理

注水后，幾乎所有剩余的油都是不動的。不連續(xù)的殘余油是納米流體在孔喉后面形成不能穿越孔喉的阻礙。在多孔介質(zhì)中的納米流體通過降低界面張力和將潤濕性從親水向親油改變這兩個主要機理來提高采收率。界面張力的降低減少了通過孔喉時的油滴變形。因此，被困住的油都被驅(qū)替出來，可以輕易地通過孔喉。另外，毛細(xì)管壓力成為了原油從一個孔喉到另一個孔喉的障礙（圖3）。然而，潤濕性的改變使得毛細(xì)管力從障礙變?yōu)榱蓑?qū)動力。事實上，在潤濕性從親水變?yōu)橛H油后，毛細(xì)管力的方向發(fā)生了變化（如圖4（b）和（c）所示）。

3 結(jié) 論

比較了納米流體對Y油田的輕質(zhì)油藏和中質(zhì)油藏的提高采收率的影響。根據(jù)得到的結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：

（1）改良二氧化硅納米粒子主要通過降低界面張力和將潤濕性改為親油提高采收率。

（2）根據(jù)接觸角和界面實驗，濃度為3g/L的納米流體具有最大降低液面張力和能夠?qū)櫇裥愿淖優(yōu)橛H油的能力，它被認(rèn)為是理想的濃度。

（3）應(yīng)用納米流體后對采收率的提高在輕質(zhì)油中效果更加明顯。

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