2-D智能納米黑卡微觀驅(qū)油機(jī)理可視化實(shí)驗(yàn)*

吳偉鵬，侯吉瑞，屈 鳴，聞宇晨，梁 拓 ，楊景斌，趙夢丹

（1.中國石油大學(xué)（北京）非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院，北京102249；2.中國石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249）

0 前言

隨著近幾十年來油氣田的大規(guī)模開采，越來越多的提高采收率工藝被不斷開發(fā)優(yōu)化并投入現(xiàn)場使用，其中，以聚合物驅(qū)和復(fù)合化學(xué)驅(qū)為主的提高原油采收率技術(shù)應(yīng)用最廣［1-5］。但是，長期的化學(xué)驅(qū)開發(fā)以及多輪次調(diào)剖造成油田含水率升高，使得采收率提高的難度越來越大［6-8］，此外，復(fù)合驅(qū)化學(xué)劑的吸附也會直接影響驅(qū)油效率?；诖?，中國石油經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院（ETRI）石油科技研究所創(chuàng)新與發(fā)展研究團(tuán)隊(duì)提出未來十年最具潛力的15項(xiàng)油氣勘探開發(fā)新技術(shù)，其中明確提出了納米智能化學(xué)驅(qū)油技術(shù)有望成為提高采收率顛覆性戰(zhàn)略階梯技術(shù)，該技術(shù)廣泛適用于各種類型油藏，具有廣闊的前景應(yīng)用［9-10］。

納米技術(shù)是新興發(fā)展起來的前沿科學(xué)技術(shù)，納米材料的尺寸一般在1數(shù)100 nm，納米材料獨(dú)特的小尺寸、高比表面、量子效應(yīng)等特點(diǎn)，使納米材料在很多領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景［11-12］。早在20世紀(jì)60年代中期納米材料就被應(yīng)用于驅(qū)油微乳液中，隨著后來納米黏彈性表面活性劑技術(shù)、微-納米顆粒封堵技術(shù)、納米降壓增注技術(shù)、MD膜技術(shù)及聚硅納米增注技術(shù)等在國內(nèi)外的相繼發(fā)展，相比傳統(tǒng)的化學(xué)驅(qū)油提高原油采收率技術(shù)，改性的納米粒子分散體系用于化學(xué)驅(qū)油具有良好的增產(chǎn)、增注效果［13-18］。張宗勛、王維等［19-20］研究發(fā)現(xiàn)，納米SiO2材料的親水性較高，通過吸附在巖石壁面可使巖石發(fā)生潤濕反轉(zhuǎn)為中性潤濕或者水濕［21-22］，提高驅(qū)油效率；但其顆粒狀的形態(tài)無法實(shí)現(xiàn)納米材料的最大功效。中國石油大學(xué)（北京）非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院自主研發(fā)了適用于油田開發(fā)的微觀形狀類似于卡片的片狀納米材料——2-D智能納米黑卡。為了能夠更好地研究2-D智能納米黑卡在微觀下的驅(qū)油效果，采用CT掃描與激光刻蝕技術(shù)制作了不同孔隙度和滲透率的二維可視化油藏物理模型，通過不同滲透率的模型實(shí)驗(yàn)研究在驅(qū)替過程中納米級黑卡的運(yùn)移規(guī)律和微觀滲流機(jī)理，實(shí)現(xiàn)了對實(shí)際儲層中孔、縫、洞分布的精準(zhǔn)刻畫，為該納米材料在礦場試驗(yàn)中的應(yīng)用提供了有效的理論參考價值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

2-D智能納米黑卡，由中國石油大學(xué)（北京）非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院自主研發(fā)，實(shí)物見圖1，SEM圖像如圖2所示，尺寸在80×60×1.2 nm左右，比表面積為57 m2/g；實(shí)驗(yàn)用模擬油由液體石蠟和煤油按一定比例配制而成，密度0.845 g/cm3，黏度25 mPa·s（20℃），并使用蘇丹紅將模擬油染成紅色以便于觀察可視化實(shí)驗(yàn)效果。實(shí)驗(yàn)用水為大慶油田模擬地層水，礦化度為7129.06 mg/L，主要離子質(zhì)量濃度（單位mg/L）：Ca2+14.85、Mg2+7.48、K++Na+2428.01、CO32-197.66、HCO3-2160.08、Cl-2266.88、SO42-54.10。

圖1 2-D智能納米黑卡實(shí)物圖

圖2 2-D智能納米黑卡SEM圖像

滲透率分別為25×10-3μm2和2500×10-3μm2的兩組不同滲透率模型（外觀尺寸：50 mm×30 mm×10 mm）；3個中間容器分別裝有黑卡溶液、模擬地層水和實(shí)驗(yàn)用模擬油，實(shí)驗(yàn)用微量注射泵1臺，ZEISS光學(xué)顯微鏡（德國Carl Zeiss公司）以及圖像采集系統(tǒng)（圖3）。

圖3 微觀可視化驅(qū)油實(shí)驗(yàn)流程

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

使用2-D智能納米黑卡體系開展二維可視化物理模型驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，通過ZIESS光學(xué)顯微鏡良好的微觀辨識性以及后端圖像采集系統(tǒng)，將驅(qū)油過程實(shí)時傳輸?shù)接嬎銠C(jī)上，觀察并拍攝2-D智能納米黑卡體系在二維可視化物理模型內(nèi)的運(yùn)移全過程，采用動態(tài)分析法評價滲透率、注入速度、顆粒濃度對2-D智能納米黑卡體系驅(qū)油效果的影響，并研究分析2-D智能納米黑卡體系的微觀驅(qū)油機(jī)理。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：①將二維可視化物理模型抽真空后，飽和模擬油（經(jīng)蘇丹紅染色的模擬油）并在20℃恒溫條件下放置2 h；②按照實(shí)驗(yàn)方案，以50 μL/min（或500 μL/min）的恒定速率注入大慶油田模擬地層水，直至二維可視化微觀物理模型中不再有模擬油被水驅(qū)替出來，整個微觀驅(qū)油過程采用ZEISS光學(xué)顯微鏡及圖像采集系統(tǒng)記錄；③以50 μL/min（或 500 μL/min）的恒定速率注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.001%（或0.005%、0.01%）的2-D智能納米黑卡體系，直至采出液中不再含油時停止；④清洗二維可視化微觀物理模型。

2 結(jié)果與討論

2.1 親水親油效果分析

將2-D智能納米黑卡體系加入水油/水混合液中，通過仔細(xì)觀察2-D智能納米黑卡在油相水相不同界面的注入效果，分析2-D智能納米黑卡對不同界面性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，無論2-D智能納米黑卡從油相注入還是從水相注入，最終該體系都會吸附在油水界面上，改善油水界面性質(zhì)。這是由于2-D智能納米黑卡在油水界面間呈水包油微乳液形態(tài)，使得油水間原來的凹液面經(jīng)水包油式微乳液填充，降低油水界面張力，轉(zhuǎn)變成為平液面，2-D智能納米黑卡親水親油基會在油水界面與油相水相形成穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 2-D智能納米黑卡親水親油性

2.2 巖心滲透率對驅(qū)油效果的影響

為了研究巖心滲透率對2-D智能納米黑卡體系在二維可視化微觀物理模型實(shí)驗(yàn)中驅(qū)油效果的影響，對滲透率為25×10-3、2500×10-3μm2的兩種模型水驅(qū)后以50 μL/min的注入速率注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.005%的2-D智能納米黑卡體系，微觀驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5、6所示。由圖5、圖6可知，在相同濃度、相同注入速率下，2-D智能納米黑卡體系對滲透率為25×10-3μm2的二維可視化微觀物理模型的驅(qū)油效果高于它對滲透率為2500×10-3μm2的二維可視化微觀物理模型的驅(qū)油效果。其原因是：與高滲透性巖心相比低滲巖心具有更高的比表面積，在低滲巖心中納米片與油的接觸時間更長，可以從孔隙表面驅(qū)替更多的油，提高原油采收率。因此，選取25×10-3μm2的低滲微觀物理模型更有助于觀察2-D智能納米黑卡體系在多孔介質(zhì)中的流動特征和驅(qū)油效果。

圖5 不同滲透率微觀驅(qū)油模擬實(shí)驗(yàn)

圖6 二維可視化驅(qū)替實(shí)驗(yàn)局部放大圖（滲透率25×10-3μm2）

2.3 體系質(zhì)量分?jǐn)?shù)對驅(qū)油效果的影響

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.001%、0.005%、0.01%）的2-D智能納米黑卡體系在滲透率為25×10-3μm2的二維可視化微觀物理模型的驅(qū)油效果見圖7，注入速率為50 μL/min。由圖7可見，2-D智能納米黑卡體系的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，驅(qū)油效果越好，模型中的剩余油量越少。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.001%的2-D智能納米黑卡體系對模型的波及系數(shù)明顯低于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.005%為黑卡體系的，而質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.005%和0.01%的黑卡體系的波及系數(shù)卻并無明顯差異?？紤]到經(jīng)濟(jì)因素，2-D智能納米黑卡體系的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以0.005%為最佳。

2.4 注入速率對驅(qū)油效果的影響

圖7 25×10-3μm2的模型中不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的2-D智能納米黑卡體系的驅(qū)油效果

分別以50、500 μL/min的注入速率向滲透率為25×10-3μm2的二維可視化微觀物理模型注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.005%的2-D智能納米黑卡體系，不同注入速率下黑卡體系的驅(qū)油效果見圖8。隨著注入速度的提高，在滲透率為25×10-3μm2的二維可視化微觀物理模型中的剩余油量減少，原油采收率得到顯著提高。但是當(dāng)注入速度過快時無法觀察分析模型中2-D智能納米黑卡體系的流動特征和驅(qū)油機(jī)理。

圖8 25×10-3μm2模型中不同注入速率下2-D智能納米黑卡體系的驅(qū)油效果

2.5 2-D智能納米黑卡體系微觀驅(qū)油機(jī)理分析

2.5.1 潤濕性改變

在二維可視化微觀物理模型的水驅(qū)過程中出現(xiàn)了黏性指進(jìn)效應(yīng)，使得油/水界面產(chǎn)生了沿著壁面的高界面張力油膜，導(dǎo)致水驅(qū)油能達(dá)到的效果有限。在水驅(qū)后緊接著注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.005%的2-D智能納米黑卡體系，2-D智能納米黑卡體系將巖石表面的潤濕性從油潤濕（潤濕角約為120°）改變?yōu)橹行詽駶櫍櫇窠菫?1°），使得油膜脫離壁面，然后在納米流體的回旋式流動效應(yīng)下聚并剩余油滴，形成近活塞驅(qū)替，從而將脫離出的油驅(qū)替出來（圖9）。

2.5.2 楔形滲透

在驅(qū)替實(shí)驗(yàn)過程中，由于納米片和油的相互作用在兩相界面上產(chǎn)生了滲透壓，促使油形成楔形形狀，同時滲透壓在該界面處產(chǎn)生額外的壓力，從而使納米片流體在楔形區(qū)域中向前運(yùn)動，然后在大量液體的壓力驅(qū)動下，納米流體能夠沿著表面擴(kuò)散從而使微觀模型喉部的油滴脫落。另外納米片的中性濕性性質(zhì)，也可以降低模型喉部的毛細(xì)管力，有利于驅(qū)替剩余油（圖10）。

圖9 油潤濕轉(zhuǎn)為中型潤濕的變化過程

2.5.3 微觀回旋流

當(dāng)納米片接觸到油相表面時，兩相界面產(chǎn)生表面張力梯度，從而形成微觀回旋式流動，導(dǎo)致油和納米片溶液界面附近呈現(xiàn)對流的流動現(xiàn)象。這種微觀回旋式流動使納米片與剩余油滴表面持續(xù)接觸，對油滴的運(yùn)移產(chǎn)生“潤滑效應(yīng)”，類似于給油滴安裝“滑輪”，提高原油的流動能力，有利于將附近的微小剩余油滴聚集在一起，然后在對流作用的驅(qū)動下將其采出。因此2-D智能納米黑卡體系的微觀回旋式流動有利于提高驅(qū)替效率（圖11）。

3 結(jié)論

圖10 楔形滲透過程

圖11 微觀回旋流過程

2-D智能納米黑卡材料與球形顆粒的納米材料相比，具有更大的比表面積。2-D智能納米黑卡體系在較低加量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%）下就能有效擴(kuò)大低滲層波及體積，均勻擴(kuò)散至各個孔喉，提高低滲儲層原油采出程度，充分發(fā)揮其智能找油的功效。

2-D智能納米黑卡體系具有親水親油兩親性，能夠?qū)r石表面的潤濕性從油潤濕改變?yōu)橹行詽駶?，從而使得油膜脫離壁面；由于納米片受流體外力驅(qū)使，使得巖石壁面上產(chǎn)生了油水兩相滲透壓，形成楔形滲透，兩相界面產(chǎn)生界面張力梯度，促使微觀回旋流形成，進(jìn)而擴(kuò)大波及面積，提高驅(qū)替效率。