瑪湖致密砂礫巖油藏納米排驅(qū)滑溜水體系

何小東，朱佳威，石善志，周福建，馬俊修，姚二冬

（1.中國(guó)石油新疆油田工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依 834000；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣資源與勘察國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；3.中國(guó)石油大學(xué)（北京）非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院，北京 102249）

0 引言

2005 年以來(lái)，中國(guó)石油圍繞堿湖烴源巖生油模式、淺水扇三角洲沉積模式、源上礫巖大油區(qū)成藏理論及礫巖勘探關(guān)鍵技術(shù)首次在凹陷中心區(qū)發(fā)現(xiàn)十億噸級(jí)瑪湖礫巖大油區(qū)[1]。瑪湖油田致密砂礫巖油藏開發(fā)潛力巨大，但由于其儲(chǔ)層巖性致密，物性較差，非均質(zhì)性強(qiáng)，壓裂起裂困難[2]，裂縫復(fù)雜程度較低，最終穩(wěn)產(chǎn)效果較差[3]。自從美國(guó)的 Mitchell 能源公司[4]首次將滑溜水應(yīng)用在頁(yè)巖氣的壓裂中以來(lái)，滑溜水壓裂液體系在北美地區(qū)獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益并且已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的凝膠壓裂液。在實(shí)際油田施工中滑溜水體系中往往會(huì)加入各種添加劑[5]，以保證整個(gè)滑溜水體系的高溫穩(wěn)定性、抗鹽性、降低濾失，改善支撐裂縫的導(dǎo)流能力，在壓裂結(jié)束時(shí)保證破膠，降低地層損害。目前在壓裂液中的添加劑包括殺菌劑（如氯代酚、季銨鹽等）、穩(wěn)定劑（如硫代硫酸鈉）、破膠劑（如過(guò)硫酸鹽）、減阻劑（如聚丙烯酰胺）、降濾失劑（如硅粉），如此繁多的添加劑很大程度地增加了壓裂液體系內(nèi)部的不配伍性，同時(shí)增加了壓裂液體系與地層實(shí)際條件不配伍的風(fēng)險(xiǎn)因素。國(guó)外學(xué)者針對(duì)單純滑溜水體系的諸多弊端，提出納米乳液驅(qū)油這個(gè)概念。Wasan 等人[6]（2011）提出納米顆粒潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)的機(jī)理是在油水之間的楔形膜位置產(chǎn)生結(jié)構(gòu)分離壓力，致使油滴從巖心表面脫離，巖石潤(rùn)濕性變?yōu)樗疂?。徐泉等人[7]（2017）通過(guò)接觸角實(shí)驗(yàn)分析納米乳液將油濕的巖心反轉(zhuǎn)成水濕巖心的時(shí)間及程度。通過(guò)原子力顯微鏡（AFM）和傅氏轉(zhuǎn)換紅外線光譜分析儀（FTIR）證明，隨著時(shí)間的進(jìn)行，浸泡在納米乳液中的巖石表面會(huì)吸附更多的納米顆粒。

針對(duì)瑪湖致密砂礫巖油藏特性，在調(diào)研大量國(guó)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，合成了具有非離子特性的納米排驅(qū)劑滑溜水體系，并自行搭建環(huán)路摩阻測(cè)試平臺(tái)，依據(jù)瑪湖現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的施工參數(shù)，對(duì)納米排驅(qū)滑溜水體系的剪切能力，耐鹽能力、洗油能力等多項(xiàng)性能進(jìn)行探究。

1 納米排驅(qū)滑溜水的配制

所研發(fā)的納米排驅(qū)滑溜水由納米乳液、減阻劑和配制水組成。其中，納米乳液通過(guò)使用微乳液技術(shù)，將油自發(fā)分散在非離子表面活性劑、醇和水的混合體系中形成，該體系繼承了微乳液的納米粒徑。納米乳液所使用的表面活性劑為非離子表活，改善了壓裂液添加劑與減阻劑的配伍性，賦予壓裂液以驅(qū)油功能，且其粒徑較小，不發(fā)生乳化，不會(huì)堵塞儲(chǔ)層。研究所使用的減阻劑DR800 為陰離子聚丙烯酰胺，分子量約為700 萬(wàn)，通過(guò)丙烯酰胺、陰離子共聚單體、油和非離子乳化劑體系形成的反向微乳液聚合形成。

1.1 DR800添加濃度確定

根據(jù)國(guó)外文獻(xiàn)自行獨(dú)立搭建環(huán)路摩阻裝置[8]，管道內(nèi)不同流體同樣流動(dòng)條件下流動(dòng)阻力的降低，可以表征為摩阻系數(shù)的降低，因此在保證一定流速下，依據(jù)所添加流體的壓降差值，可以計(jì)算整個(gè)流體體系的減阻率。DR800 添加濃度依據(jù)該裝置的減阻率實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行確定。

DR800 原液主要成分為高分子聚合物，現(xiàn)場(chǎng)添加極少便可產(chǎn)生較大的減阻效果，當(dāng)添加超過(guò)到一個(gè)濃度值時(shí)，繼續(xù)增加濃度，會(huì)使得整個(gè)滑溜水體系的減阻率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，分別測(cè)試了體積分?jǐn)?shù)為0.06%、0.07%、0.08%、0.09%、0.10%的DR800 減阻率，所得結(jié)果見表1。

表1 不同體積分?jǐn)?shù)下DR800 減阻率隨流速的變化

可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)DR800 體積分?jǐn)?shù)為0.08%時(shí)，此時(shí)最大的減阻率為78.93%，在所測(cè)的5 類體積分?jǐn)?shù)中達(dá)到了減阻最大值，因此確定了在整個(gè)納米排驅(qū)滑溜水體系中DR800 的添加比例為0.08%。當(dāng)濃度較低時(shí)，DR800 聚合物分子水化體積有限，即使所有聚合物完全伸展，也無(wú)法布滿整個(gè)水相體系，導(dǎo)致部分水相區(qū)域仍然存在湍流，減阻率隨著聚合物濃度增大而增大。當(dāng)濃度過(guò)大時(shí)，高流速下，聚合物分子發(fā)生纏結(jié)，體系形成網(wǎng)狀，阻礙水相的線性流動(dòng)，造成減阻率下降[9]。

1.2 納米乳液濃度確定

納米乳液兼具表面活性劑的特性，不同之處在于它擁有著特殊的油核結(jié)構(gòu)，若納米原液的添加量少，則達(dá)不到臨界膠束濃度，納米乳液起不到實(shí)際效果。若納米原液過(guò)量加入，則會(huì)造成納米乳液的浪費(fèi)，不經(jīng)濟(jì)適用，因此找到納米乳液的適宜濃度至關(guān)重要。采用JYW-200B 型表面張力儀測(cè)量表界面張力，以此確定納米乳液添加濃度，測(cè)量結(jié)果如表2 所示。

表2 表界面張力隨納米乳液質(zhì)量濃度分?jǐn)?shù)的變化

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，當(dāng)納米乳液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.1%時(shí)，此時(shí)表面張力為30.07 mN/m,界面張力為2.35 mN/m，達(dá)到納米乳液的最經(jīng)濟(jì)適宜的添加濃度。在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%下，通過(guò)Zetasizer Nano ZS激光納米粒度儀，對(duì)該納米乳液進(jìn)行粒徑測(cè)定[10]，結(jié)果如圖1 所示。由圖1 可見，納米乳液的粒徑分布值在8～11 nm 區(qū)域占據(jù)了98.9%，達(dá)到納米乳液峰值的粒徑為8.278 nm。納米乳液粒徑（＜10 nm）顯著小于常規(guī)乳液（＞1 μm），能夠保證其有效進(jìn)入致密儲(chǔ)層的微納米孔隙。同時(shí)納米顆粒含有較多的表面活性劑，能夠降低油水界面張力，促進(jìn)微納米孔隙中的油水置換反應(yīng)，達(dá)到既能夠降低注入壓力，保護(hù)儲(chǔ)層，又能夠附加驅(qū)油功能，提高采收率。

圖1 納米乳液粒徑分布圖

2 納米排驅(qū)劑體系性能評(píng)價(jià)

在確定納米排驅(qū)滑溜水體系各成分添加比例之后，本研究對(duì)該體系與瑪湖致密砂礫巖配制水的配伍性，結(jié)合該區(qū)域?qū)嶋H施工工況參數(shù)，對(duì)相關(guān)性能參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)。

2.1 溶解時(shí)間

對(duì)瑪湖油田不同的現(xiàn)場(chǎng)水源進(jìn)行標(biāo)定，1#為瑪湖油田現(xiàn)場(chǎng)凈化水（NaHCO3型）；2#為瑪湖油田水源井水（CaCl2型）；3#為瑪湖油田污水（MgCl2型）。分別取出3000 mL 放入燒杯，保證實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為25 ℃，同時(shí)準(zhǔn)備好秒表及電磁攪拌器。首先將燒杯置于電磁攪拌器上，加入轉(zhuǎn)子，設(shè)定轉(zhuǎn)速為300 r/min；其次在燒杯中同時(shí)加入3 g 納米乳液原液和2.4 mL DR800 滑溜水原液，利用秒表分別記錄納米排驅(qū)劑的溶解時(shí)間。測(cè)試結(jié)果如下：1#、2#和3#油田凈化水的納米排驅(qū)劑溶解時(shí)間分別為7、9、15 s。納米乳液中的表面活性劑為非離子表面活性劑，不與無(wú)機(jī)鹽和聚合物反應(yīng)，可迅速溶解。帶有磺酸基團(tuán)的DR800 聚合物不受鈉離子影響，鈣鎂離子耐受性好，因此3 個(gè)體系均能快速溶解，而含有鈣鎂離子的配制水中溶解時(shí)間略微延長(zhǎng)。經(jīng)過(guò)瑪湖油田現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)分析可知，滑溜水從注入到井筒這一段的時(shí)間約為40 s，這表明該納米排驅(qū)滑溜水體系溶解時(shí)間較短，能保證在到達(dá)井筒之前完成溶解，且混合均勻。

2.2 耐鹽性能

利用環(huán)路管道摩阻設(shè)備對(duì)納米排驅(qū)滑溜水體系進(jìn)行抗剪切性能的測(cè)定。測(cè)試條件：利用瑪湖不同類型配制水加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的納米乳液和體積分?jǐn)?shù)為0.08%的DR800 配制3 種瑪湖納米排驅(qū)滑溜水,依據(jù)配制水型的區(qū)別分別按照上述的分類方法，將最終配得的納米排驅(qū)滑溜水編號(hào)與配制水編號(hào)一一對(duì)應(yīng)；通過(guò)調(diào)節(jié)環(huán)路摩阻泵的排量從而改變整個(gè)環(huán)路摩阻體系的剪切速率，每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的時(shí)間均值為12 s，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

結(jié)果表明，不同瑪湖配制水型配制的納米排驅(qū)滑溜水配伍性良好，減阻率變化差異不大，在剪切速率達(dá)到1.2×104s-1時(shí)，減阻率達(dá)到78%，在實(shí)驗(yàn)的剪切速率范圍內(nèi)，剪切速率越大，減阻劑分子排列越線性，對(duì)應(yīng)的減阻效果越好。NaHCO3、CaCl2、MgCl2這3 種類型的瑪湖地層水對(duì)納米排驅(qū)滑溜水體系中聚合物長(zhǎng)鏈的伸縮舒展沒有特別大的影響，因此對(duì)整個(gè)體系減阻性能影響不大。

圖2 不同瑪湖地層水配制的納米排驅(qū)滑溜水體系減阻能力變化

2.3 抗剪切性能

將瑪湖2#水配制的CaCl2型納米排驅(qū)滑溜水進(jìn)行高剪切速率下抗剪切能力測(cè)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 1.2×104 s-1 高剪切速率下瑪湖2#地層水（CaCl2型）納米排驅(qū)滑溜水的減阻率隨時(shí)間變化

結(jié)果表明，用瑪湖配制水混配的納米排驅(qū)滑溜水在1.2×104s-1的高剪切速率下依然保持著良好的抗剪切能力，剪切20 min，該體系的減阻率依然保持在72%左右，說(shuō)明納米排驅(qū)滑溜水體系在反復(fù)剪切的過(guò)程中，部分較大的分子被剪切力破壞，減阻率部分下降，但這部分分子在排驅(qū)劑體系中的占比不大，不影響現(xiàn)場(chǎng)減阻要求。

2.4 洗油能力測(cè)試

2.4.1 瑪湖油砂制作

實(shí)驗(yàn)的巖心取自瑪湖百口泉區(qū)域，層位T1b，井段3130.17～3136.36 m。利用高轉(zhuǎn)速磨粉機(jī)篩選出70～120 目瑪湖巖粉30 g，加入180 mL 原油，攪拌5 min 至均勻，倒入反應(yīng)容器中同時(shí)放入滾子加熱爐24 h，滾子加熱爐選取溫度為80 ℃（瑪湖百口泉區(qū)塊平均地層溫度）。然后取出反應(yīng)容器中巖粉，過(guò)濾多余的原油，將剩余固態(tài)油砂置于室內(nèi)環(huán)境3 h 晾曬，即可完成瑪湖油砂制作過(guò)程。

2.4.2 瑪湖油砂含油率的測(cè)定

稱取上述瑪湖油砂若干，質(zhì)量（m1）為3.0134 g，同時(shí)記錄濾紙質(zhì)量（m2）為1.0289 g，利用索氏提取器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)加熱燒瓶使得萃取劑形成穩(wěn)定回流，在105 ℃烘干8 h，稱取萃取后濾紙和瑪湖油砂的質(zhì)量（m3）為2.1973 g。計(jì)算得瑪湖油砂的含油率（ω）為61.2%。

2.4.3 納米排驅(qū)滑溜水洗油率測(cè)定

將上述萃取劑二氯甲烷等體積換成納米排驅(qū)滑溜水，稱取剛制作完的油砂（m4）5.0124 g，經(jīng)過(guò)納米排驅(qū)滑溜水洗油后的質(zhì)量（m5）為3.5426 g，經(jīng)過(guò)二氯甲烷洗油后的質(zhì)量（m6）為2.0235 g。

故洗油率η=[1-(m5-m6)/m5]/ω×100%,帶入實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)可知，納米排驅(qū)滑溜水體系的洗油率為93.3%，對(duì)比業(yè)內(nèi)類似洗油實(shí)驗(yàn)結(jié)果[11]，可知納米排驅(qū)滑溜水體系有著穩(wěn)定高效的洗油效率。

3 結(jié)論

1.通過(guò)反向微乳聚合獲得分子量為700 萬(wàn)的陰離子滑溜水減阻劑，其體積分?jǐn)?shù)為0.08%時(shí)，減阻效果達(dá)到最佳。所制備的粒徑均值在8.278 nm的非離子納米乳液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)，表界面張力將至最低，此時(shí)添加比例最為經(jīng)濟(jì)高效。二者復(fù)配可形成具有驅(qū)油功能的高效減阻納米排驅(qū)滑溜水體系。

2.該納米排驅(qū)滑溜水體系在瑪湖3 種不同區(qū)域的油田配制水中有較短的溶解時(shí)間，15 s 便可以完全溶解，滿足現(xiàn)場(chǎng)在線混配需求。同時(shí)納米排驅(qū)滑溜水體系使用非離子表活和抗鹽共聚陰離子單體，體現(xiàn)出與瑪湖配制水良好的配伍性。當(dāng)剪切速率達(dá)到1.2×104s-1時(shí)體系減阻率保持78%，持續(xù)剪切20 min，該體系的減阻率依然保持在72%以上，具備高效減阻特性。

3.納米排驅(qū)滑溜水體系中的納米顆粒具有油水楔形膜分離壓，能夠調(diào)整巖石的潤(rùn)濕性，使其對(duì)瑪湖油砂有顯著的洗油效果，最終洗油率為93.3%，是一套具有致密儲(chǔ)層驅(qū)油功能的滑溜水體系。