SiO2納米流體在低滲透油藏中的驅(qū)油性能和注入?yún)?shù)優(yōu)化*

尚丹森，侯吉瑞，程婷婷

（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.中國石油三次采油重點實驗室低滲透油田提高采收率應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究室，北京 102249）

目前，常規(guī)的中高滲透油田已進(jìn)入開發(fā)末期，低滲油藏成為油田開發(fā)關(guān)注的重點［1—4］。我國低滲透油氣資源儲量豐富，但低滲透油藏孔隙喉道狹窄、滲流能力差［5—6］，在中高滲油藏驅(qū)油效果顯著的復(fù)合驅(qū)體系因難以注入地層而無法用于低滲透油藏。我國低滲透油藏以注水開發(fā)為主，存在注入壓力高、驅(qū)油效果差等問題［6—9］，因此需要探索低滲透油藏提高采收率的方法。隨著納米技術(shù)的出現(xiàn)，納米流體被應(yīng)用于油田開發(fā)。實驗研究表明，納米顆?？梢越档陀退缑鎻埩?、乳化原油、改善潤濕性、產(chǎn)生楔形滲透等作用，在低滲透油藏中使用納米流體可以提高采收率［10—18］。在眾多納米顆粒中，SiO2納米顆粒具有易于改性、方便獲取、純度較高、價格低廉的優(yōu)勢，具備大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用的潛力。

SiO2納米顆粒用于提高采收率的報道較多，SiO2納米流體被證實可以提高采收率［15—20］。盡管如此，在諸多報道中僅指出SiO2納米流體可以用于提高采收率，未見對SiO2納米流體注入?yún)?shù)的研究。而實際上SiO2納米流體的注入速率、注入量以及SiO2納米顆粒濃度等注入?yún)?shù)對提高采收率均有較大影響，有必要對注入?yún)?shù)進(jìn)行研究。基于此，本文采用實驗室自制的具有一定疏水性能的SiO2納米顆粒，評價了SiO2納米流體的穩(wěn)定性和改善界面張力的效果，從含水率變化、壓力變化、提高采收率三個方面對SiO2納米流體驅(qū)油效果進(jìn)行了評價，研究了注入量、注入速率、納米顆粒濃度對提高采收率的影響，并優(yōu)化了注入?yún)?shù)。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

氨水、正硅酸乙酯、烷基酚聚氧乙烯醚，分析純，上海麥克林生化科技有限公司；模擬地層水，實驗室自制，礦化度6777.8 mg/L，主要離子組成（單位mg/L）為：Na+2183、K+10.5、Ca2+23.1、Mg2+66.2、Cl-2363.5、2054.4、77.1；無水乙醇，藥用級，上海麥克林生化科技有限公司；去離子水，上海麥克林生化科技有限公司；模擬油，實驗室自制，由某油田脫氣脫水原油與航空煤油配制而成，在50℃、轉(zhuǎn)速6 r/min 下的黏度為5.1 mPa·s。露頭巖心，長、寬、高分別為4.5、4.5、30 cm，氣測滲透率為20×10-3μm2。

KQ2200E超聲波清洗器，昆山超聲波儀器有限公司；Nano ZS3600 型激光納米粒度及Zeta 電位測定儀，英國馬爾文公司；Bruker-TensorⅡ型傅里葉變換紅外光譜儀，美國Bruker 公司；Texas-500 型旋滴界面張力儀，德國Dataphysics公司；DV-Ⅱ型布氏黏度計，美國Brookfield公司。

1.2 實驗方法

（1）改性SiO2納米流體的制備

在25℃下，將一定質(zhì)量的氨水、去離子水和乙醇加入三口瓶中，待溶液均勻混合后再加入一定量的正硅酸乙酯和乙醇，并密封三口瓶；待反應(yīng)完畢后，繼續(xù)加入一定質(zhì)量的烷基酚聚氧乙烯醚，在50℃下超聲分散30 min后停止；將反應(yīng)溶液洗滌過濾，轉(zhuǎn)移至去離子水中密封保存于室溫［21］。

使用去離子水稀釋納米SiO2母液（母液中納米SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%），配制不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SiO2納米流體。

（2）紅外光譜表征

取制備的納米SiO2顆粒用KBr 壓片，用傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)行分析，分辨率0.01 cm-1，波數(shù)范圍4000～400 cm-1。

（3）納米SiO2粒度和Zeta電位分析

取30 mL 的SiO2納米流體于燒杯中，用超聲波清洗機對其進(jìn)行超聲分散30 min。在50℃下，用激光納米粒度及Zeta 電位測定儀分別測定溶液中SiO2納米顆粒的粒徑和Zeta電位。

（4）界面張力測定

在50℃、5000 r/min 的條件下測定SiO2納米流體與模擬油間的平衡界面張力（穩(wěn)定值）。

（5）驅(qū)油實驗

驅(qū)油實驗具體步驟如下：①烘干露頭巖心，并氣測滲透率，挑選滲透率水平相當(dāng)?shù)膸r心；②對露頭巖心抽真空，飽和模擬地層水；③飽和模擬油，老化72 h，計算初始含油飽和度；④水驅(qū)至出口含水98%以上，注入一定量的納米流體，并后續(xù)水驅(qū)至出口含水98%以上為止。以上過程均在50℃的恒溫箱中進(jìn)行，飽和油速率為0.02 mL/min，自步驟④起全程記錄實驗壓力。納米流體的注入量分別為0.3、0.5、0.7 PV；注入速率分別為0.1、0.2、0.3 mL/min；納米流體中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.05%、0.15%、0.25%。

2 結(jié)果與討論

2.1 SiO2納米顆粒的紅外光譜和粒度分析

改性前后納米二氧化硅顆粒的紅外光譜如圖1所示［21］。改性前的二氧化硅顆粒，在463.30 cm-1處為Si—O—Si 的彎曲振動峰，801.95 cm-1處為O—Si—O 的彎曲振動峰，952.84 cm-1處為Si—OH 的伸縮振動峰，1097.71 cm-1處為Si—O—Si 的伸縮振動峰，1637.24 cm-1為水的H—O—H 的彎曲振動峰，3434.31 cm-1處為結(jié)構(gòu)水—OH 的反對稱伸縮振動峰。改性二氧化硅顆粒，在459.78 cm-1處為Si—O—Si 的彎曲振動峰，799.02 cm-1處為O—Si—O 的彎曲振動峰，955.97 cm-1處為Si—OH 的伸縮振動峰，1401.71 cm-1處為—CH2彎曲振動平面剪式振動吸收峰，2893.31 cm-1和2952.01 cm-1處為—CH2的伸縮振動吸收峰。納米二氧化硅改性后，納米二氧化硅表面的結(jié)合水—OH 的峰變?nèi)?，?097.65 cm-1處Si—O—Si伸縮振動峰增強，且在1401.71 cm-1處出現(xiàn)了—CH2彎曲振動平面剪式振動吸收峰，這表明烷基酚聚氧乙烯醚成功鍵合到了二氧化硅顆粒表面，納米SiO2顆粒改性成功［21—22］。

圖1 改性前后SiO2納米顆粒的紅外光譜圖

質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%的改性SiO2納米顆粒的粒徑分布如圖2 所示。由圖2 可知，改性SiO2納米顆粒的粒徑分布曲線呈“鐘形”，近似正態(tài)分布，曲線形態(tài)并不嚴(yán)格對稱，曲線的峰稍微偏向細(xì)粒度一側(cè)，峰對應(yīng)的直徑為50.75 nm。

圖2 SiO2納米顆粒的粒徑分布

2.2 納米SiO2流體的穩(wěn)定性

體系的Zeta電位絕對值越大，體系的穩(wěn)定性越強，反之，體系的穩(wěn)定性越差。不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的改性納米SiO2顆粒的Zeta電位見圖3。由圖3可知，改性納米SiO2顆粒的表面帶負(fù)電荷，當(dāng)改性納米SiO2顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.03%增至0.25%時，Zeta 電位由-38.2 mV 升至-18.4 mV，Zeta 電位的絕對值變小，溶液穩(wěn)定性變差。這是因為體系中納米顆粒濃度過高時，顆粒與顆粒之間的間距縮小，碰撞和聚集的概率和頻率增加，彼此間相互作用增強，顆粒之間相互趨近發(fā)生聚集，導(dǎo)致體系的穩(wěn)定性變差。綜上，納米SiO2顆粒的濃度不宜過高，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.15%時，體系具有較好的穩(wěn)定性。

圖3 不同加量納米SiO2體系的Zeta電位

2.3 油水界面張力

不同濃度的改性納米SiO2體系與原油間的界面張力見圖4。由圖4可知，改性納米SiO2顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%～0.15%時，界面張力隨納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而顯著降低，界面張力降低1個數(shù)量級；在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%～0.25%時，界面張力略有升高，但仍維持在10-1mN/m數(shù)量級；曲線最低點對應(yīng)的界面張力值為0.55 mN/m。納米顆粒在油水界面上的吸附量越大，界面活性越高，故界面張力隨改性納米SiO2顆粒濃度的增大而降低；當(dāng)改性納米SiO2顆粒在油水界面上達(dá)到飽和吸附，界面張力達(dá)到最低；納米SiO2顆粒濃度繼續(xù)升高時，改性納米SiO2顆粒在油水界面上的吸附與脫附的動態(tài)平衡被破壞，導(dǎo)致界面張力稍有增大。

圖4 不同加量納米SiO2顆粒體系與模擬油間的界面張力

2.4 注入?yún)?shù)優(yōu)化

質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%的改性納米SiO2顆粒體系的注入速率對提高采收率的影響如圖5 所示，注入量為0.5 PV。由圖5可知，注入速率越大，提高采收率效果越差。這是由于注入速率過快時，改性納米SiO2顆粒隨體相運移過快，顆粒與巖石壁面的接觸時間變短，不利于顆粒在巖石壁面上的吸附，導(dǎo)致提高采收率效果變差。結(jié)合提高采收率的效果，建議納米流體的注入速率為0.1 mL/min。

圖5 不同注入速率條件下的驅(qū)油效果

質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%的改性納米SiO2顆粒體系注入量對提高采收率的影響如圖6 所示，注入速率為0.1 mL/min。由圖6 可知，隨著注入量的增大，改性納米SiO2顆粒體系提高采收率效果逐漸變好。注入量由0.3 PV增至0.5 PV時，提高采收率的增加幅度為3.43%；注入量由0.5 PV增至0.7 PV時，提高采收率的增加幅度為1.18%；隨著注入量的增大，提高采收率的增加幅度逐漸變小。在工程實踐中，0.7 PV 的注入量不太現(xiàn)實，而且注入量由0.5 PV 增至0.7 PV 時，提高采收率的增加幅度僅為1.18%，結(jié)合提高采收率的效果，建議納米流體的注入量為0.5 PV。

圖6 不同注入量下的驅(qū)油效果

圖7 不同SiO2納米顆粒濃度下的驅(qū)油效果

注入速率為0.1 mL/min、注入量為0.5 PV時，改性納米SiO2顆粒體系濃度對提高采收率的影響如圖7 所示。由圖7 可知，隨著改性納米SiO2顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，提高采收率效果先變好后變差。改性納米SiO2顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%時的提高采收率效果最好。這是因為改性納米SiO2顆粒濃度過高時，巖石壁面上吸附了過多的SiO2納米顆粒，滲流通道變小，因此提高采收率效果變差。結(jié)合提高采收率的效果，建議改性納米SiO2顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%。

2.5 驅(qū)油性能

根據(jù)2.4 節(jié)的參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，在注入速率0.1 mL/min、注入量0.5 PV、納米SiO2顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.15%的條件下，考察SiO2納米流體的驅(qū)油性能，結(jié)果如圖8 所示。從含水率和采收率曲線看，納米流體在注入0.3 PV后開始見效，在納米流體驅(qū)階段含水率持續(xù)降低，采收率逐漸提高。在后續(xù)水驅(qū)階段，含水率繼續(xù)降低，而后開始升高，含水率最低時為63%，采收率大幅度增加，水驅(qū)基礎(chǔ)上提高采收率25%以上。這說明SiO2納米流體可以有效啟動殘余油，降低含水率，提高采收率。從壓力曲線看，在納米流體驅(qū)階段，注入壓力明顯降低，后續(xù)水驅(qū)階段的平穩(wěn)壓力低于水驅(qū)結(jié)束時的壓力，這是因為SiO2納米流體不僅可以降低界面張力，而且還可以改善巖石壁面的潤濕性。以上結(jié)果說明SiO2納米流體可以有效降低注入壓力，起到降壓增注的作用，并能夠提高采收率20%以上。

圖8 SiO2納米流體的驅(qū)油動態(tài)

3 結(jié)論

改性納米SiO2顆粒的平均粒徑為50.75 nm，表面帶負(fù)電，溶液中SiO2納米顆粒的濃度越高，Zeta電位的絕對值越小，體系穩(wěn)定性越差，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.15%以下時體系具有較好的穩(wěn)定性。

隨改性納米SiO2顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，SiO2納米流體與模擬油間的界面張力先下降后上升，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%時，界面張力最低，為0.55 mN/m。

改性納米SiO2流體提高采收率效果隨納米流體注入量的增大而變好，隨注入速率的增大而變差，隨納米SiO2顆粒濃度的增大先變好后變差；結(jié)合工程實際和提高采收率效果，建議SiO2納米流體的注入?yún)?shù)為：注入速率0.1 mL/min、注入量0.5 PV、納米SiO2顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.15%。在建議的注入?yún)?shù)下，SiO2納米流體不僅能夠大幅提高采收率25.41%，而且可以有效降低含水率，降低注入壓力，起到降壓增注的作用。