納米乳液滲吸驅(qū)油劑性能評(píng)價(jià)與應(yīng)用*

丁小惠，周 丹，吳 凱，李 栓，賀 勇，余 波，陳 麗

（1.捷貝通石油技術(shù)集團(tuán)股份有限公司，四川成都 610015；2.新疆油田分公司百口泉采油廠，新疆克拉瑪依 834000；3.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，四川成都 610051）

低滲透油藏具有巖石埋藏致密、滲透性差等特點(diǎn)，在體積壓裂后，隨著開采時(shí)間的延長，油氣層本身的能量不斷消耗，壓力不斷下降，使產(chǎn)量大幅降低，甚至停產(chǎn)，導(dǎo)致儲(chǔ)層中存在大量的殘余油［1］。如何開采出剩余油，是進(jìn)一步提高采收率的瓶頸?；瘜W(xué)驅(qū)是提高采收率的重要方法。在常規(guī)油藏中，聚合物和表面活性劑強(qiáng)化采油（EOR）的效果已被廣泛證實(shí)［2-6］。然而，由于低滲透油藏孔喉尺寸小、滲流能力差，聚合物長鏈分子在通過低孔喉半徑的多孔介質(zhì)時(shí)容易發(fā)生斷裂，從而限制了聚合物在低滲透儲(chǔ)層中的應(yīng)用［7］。因此，表面活性劑驅(qū)是低滲透油藏提高采收率較有潛力的方法之一。

乳化作用是表面活性劑驅(qū)油的重要機(jī)制之一。表面活性劑具有低油水表/界面張力，可以將原油從巖石表面剝離并提高采收率［8］。近幾十年來，研究人員開始使用表面活性劑來制備具有良好采收率效果的乳液型驅(qū)油劑［9-10］。但由于乳液粒徑大、吸附損失大，使得乳液驅(qū)在低滲透油藏中的應(yīng)用并不經(jīng)濟(jì)。另一種方法是開發(fā)粒徑小，易進(jìn)入微小孔喉的納米流體。Youssif 等［11］研究了平均粒徑為22 nm的親水單分散二氧化硅納米顆粒驅(qū)油對(duì)采收率的影響。采用0.1%二氧化硅納米流體三次采出技術(shù)后再用水驅(qū)二次采出技術(shù)，采收率提高了13.28%。然而，普通的納米驅(qū)油顆粒很難提高驅(qū)油效率。因此，亟需研發(fā)一種適用于低滲透油藏、粒徑小且驅(qū)油效率高的驅(qū)油體系。本文使用有機(jī)溶劑、雙子表面活性劑以及水相組成的新配方，復(fù)配制得了納米乳液滲吸驅(qū)油劑，優(yōu)化了納米乳液滲吸驅(qū)油劑體系的加量，并與常規(guī)的驅(qū)油劑性能進(jìn)行了對(duì)比。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

納米乳液滲吸驅(qū)油劑（GPNR-2），由有機(jī)溶劑、雙子表面活性劑雙烷基酚酮聚氧乙烯醚以及水相復(fù)配制得，其中雙子表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～30%，自制［23］；新疆油田X區(qū)塊注入水，礦化度為8724 mg/L、鈣鎂離子含量為550 mg/L；原油，黏度為0.7 mPa·s、密度為0.732 g/cm3；天然巖心；磺酸鹽表面活性劑，新疆某油田提供；甲基硅油，分析純，成都市科龍化工試劑廠；純凈水；采用氯化鈉配制不同礦化度的鹽水；采用氯化鈣、氯化鎂配制不同鈣鎂離子含量的鹽水。

TX-500C+旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀，美國科諾工業(yè)有限公司；氣體孔滲聯(lián)測儀、巖心飽和儀、LDY-70/180型高溫高壓流體敏感性損害評(píng)價(jià)儀，海安縣石油科研儀器有限公司；NS-90Z 納米粒度及電位分析儀，珠海歐美克儀器有限公司；JCY-1接觸角測量儀，上海方瑞儀器有限公司；MacroMR12-150HTHP-I三維核磁過程成像分析及流動(dòng)實(shí)驗(yàn)分析儀，蘇州紐邁分析儀器股份有限公司；賽多利斯BSA224S 分析天平，廣州市深華生物技術(shù)有限公司；JYW-200C表面張力儀，承德鼎盛試驗(yàn)機(jī)檢測設(shè)備有限公司；S212電子恒速攪拌器，上海申順生物科技有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）粒徑分析

用納米粒度儀測定納米乳液滲吸驅(qū)油劑的粒度分布。

（2）油水表/界面張力的測定

用注入水配制不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的驅(qū)油劑溶液，參照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5370—2018《表面及界面張力測定方法》，測定納米乳液驅(qū)油劑溶液的表面張力及其與原油間的界面張力，取界面張力的平衡值。

（3）性能評(píng)價(jià)

潤濕性能。用甲基硅油涂抹浸泡載玻片，烘干后使載玻片表面形成油膜，將載玻片原始的親水性變?yōu)橛H油性。0.2%納米乳液滲吸驅(qū)油劑與親油基板經(jīng)過一定時(shí)間的作用，采用接觸角測量儀測定0.2%納米乳液在玻璃基板表面的接觸角變化。

吸附性能。用注入水配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%～0.3%的納米乳液滲吸驅(qū)油劑溶液。將巖心通過洗油處理、晾干粉碎，取0.25～0.15 mm（60～100 目）巖心粉末備用。將5 g巖心粉末加入100 mL驅(qū)油劑溶液中，放入搖床，以恒定速度振蕩24 h后取出，取上部清液離心后測得巖心粉末在不同濃度驅(qū)油劑溶液中的靜態(tài)吸附量。將巖心粉末裝入填砂模型中，注入0.3 PV 不同濃度的驅(qū)油劑溶液，然后注入純凈水，檢測出口端驅(qū)替液中的驅(qū)油劑含量，得到不同濃度驅(qū)油劑溶液的動(dòng)態(tài)吸附量。

乳化性能。將0.2%驅(qū)油劑溶液與原油按體積比1∶1混合，加入50 mL具塞比色管中，上、下、左、右各震蕩20次，記錄初始和靜置5 min的乳化層體積。

耐溫性能。將0.2%驅(qū)油劑溶液在25～180 ℃下老化24 h后，測定老化后的油水界面張力。

抗鹽性能。用不同礦化度的鹽水配制0.2%驅(qū)油劑溶液，分析礦化度對(duì)驅(qū)油劑油水界面張力的影響。

（4）靜態(tài)滲吸驅(qū)油效果

將巖心抽真空加壓飽和地層原油，然后在90 ℃恒溫箱中老化24 h以上。將飽和后的巖心用銅絲纏繞置于燒杯液體中部進(jìn)行靜態(tài)滲吸實(shí)驗(yàn)（滲吸溫度90 ℃）。自巖心浸入液體開始瞬間即用秒表計(jì)時(shí)，記錄自吸時(shí)間與巖心質(zhì)量的變化，直至不再有油析出，表現(xiàn)為巖心質(zhì)量恒定時(shí)結(jié)束實(shí)驗(yàn)。分別用質(zhì)量差法［12］和孔隙度法［13］計(jì)算采收率。此外，還通過油砂洗油實(shí)驗(yàn)研究了納米乳液驅(qū)油劑剝離油膜的能力。

（5）巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)核磁共振表征

選取2塊長約5 cm、直徑為2.5 cm的巖樣清洗、烘干（105 ℃、48 h），分別編號(hào)為1#、2#巖心。測得1#、2#巖樣的氣測孔隙度分別為13.47%、12.79%，采用核磁共振T2譜測得1#、2#巖樣內(nèi)部束縛水占據(jù)的孔隙度分別為1.06%、0.24%。1#巖樣采用純凈水加壓（10 MPa）浸泡2、24 h 后進(jìn)行核磁共振T2譜和成像測試；2#巖樣采用0.2%納米驅(qū)油劑溶液加壓（10 MPa）浸泡2、24 h 后進(jìn)行核磁共振T2譜和成像測試。由加壓浸泡不同時(shí)間后核磁共振T2譜測得的可動(dòng)水占據(jù)的孔隙度與氣測孔隙度的百分比值，即為驅(qū)油劑占據(jù)的可動(dòng)孔隙空間。

（6）滲透率恢復(fù)實(shí)驗(yàn)

依據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5358—2010《儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法》進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見圖1。選取2塊長約5 cm、直徑為2.5 cm的巖樣清洗、烘干（105 ℃、48 h），分別編號(hào)為3#、4#巖心，測定氣測滲透率和孔隙度。先采用標(biāo)準(zhǔn)鹽水飽和巖心，在不超過臨界流速的情況下正向測定驅(qū)油劑進(jìn)入前的巖心液相滲透率。反向驅(qū)替0.2%納米驅(qū)油劑，然后正向驅(qū)替標(biāo)準(zhǔn)鹽水，連續(xù)驅(qū)替至滲透率穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)溫度90 ℃。

圖1 滲透率恢復(fù)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 納米乳液滲吸驅(qū)油機(jī)理

納米乳液滲吸驅(qū)油劑由有機(jī)溶劑和復(fù)合型表面活性劑復(fù)配制得。形成的納米乳液中同時(shí)含有溶劑和表面活性劑，單個(gè)乳滴尺寸為10～30 nm，因此更易進(jìn)入細(xì)小孔喉，實(shí)現(xiàn)對(duì)納米級(jí)孔隙的洗油［14］。同常規(guī)表面活性劑相比，納米乳液滲吸驅(qū)油劑中的納米顆粒在油水界面分布的厚度更小，靜電斥力也使得界面分布更均勻，因此具有更低的界面張力，可以改善毛細(xì)管滲吸作用，使得巖石對(duì)原油的黏附能力下降，實(shí)現(xiàn)對(duì)致密納米孔隙中原油的清洗和置換［15-18］。納米乳液滲吸驅(qū)油劑兼具親水和親油兩種特性，能在油藏孔道運(yùn)輸過程中改變巖石的潤濕性，增加剝離巖石表面原油的能力，提高洗油效率［19］。納米乳液滲吸驅(qū)油技術(shù)利用膠體分散系內(nèi)的納米級(jí)顆粒進(jìn)入天然裂縫網(wǎng)絡(luò)，這些顆粒產(chǎn)生布朗運(yùn)動(dòng)，可以在常規(guī)和非常規(guī)油藏中形成長效的油氣采收機(jī)制［20-21］。在整個(gè)裂縫網(wǎng)絡(luò)中，納米乳液可以運(yùn)移得更深更遠(yuǎn)，同時(shí)大幅降低基質(zhì)中油氣流動(dòng)所需的驅(qū)動(dòng)壓差，從而更加高效地采出油氣［22］。

2.2 粒徑分析

0.2%納米乳液滲吸驅(qū)油劑水溶液的平均膠束粒徑為60 nm，與常規(guī)驅(qū)油劑磺酸鹽表面活性劑相比，不同濃度的納米乳液滲吸驅(qū)油劑的粒徑均較小，說明納米乳液滲吸驅(qū)油劑更容易進(jìn)入納米級(jí)孔隙，達(dá)到提高采收率的目的。

2.3 油水表/界面張力

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)驅(qū)油劑溶液在25 ℃的表面張力和60 ℃的油水界面張力見表1。納米乳液滲吸驅(qū)油劑的表/界面張力均較低。隨著驅(qū)油劑溶液濃度的升高，溶液的表面張力和油水界面張力均呈下降趨勢。當(dāng)驅(qū)油劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.2%時(shí)，表/界面張力的降幅較小。

表1 納米乳液滲吸驅(qū)油劑加量對(duì)表面張力及油水界面張力的影響

2.4 性能評(píng)價(jià)

2.4.1 潤濕性能

0.2%納米乳液滲吸驅(qū)油劑與親油基板經(jīng)過一定時(shí)間的作用，接觸角由10°變?yōu)?50°，玻璃基板表面由親油性轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性，實(shí)現(xiàn)了潤濕反轉(zhuǎn)。根據(jù)黏附功公式，油對(duì)地層表面接觸角的增加，可減少黏附功，即提高了洗油效率［24］。

2.4.2 吸附性能

表2 測試結(jié)果表明，驅(qū)油劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%～0.25%時(shí)，巖心粉末對(duì)驅(qū)油劑的吸附量較小。建議現(xiàn)場驅(qū)油劑使用加量控制在0.2%左右。

表2 巖心粉末對(duì)驅(qū)油劑的吸附量

2.4.3 乳化性能

0.2%納米乳液滲吸驅(qū)油劑溶液、常規(guī)驅(qū)油劑磺酸鹽表面活性劑與原油混合后的初始乳化層體積均為50 mL，靜置5 min 的乳化層體積分別為49、43 mL，乳化效率分別為98%、86%。納米乳液滲吸驅(qū)油劑與原油的乳化效率好于常規(guī)驅(qū)油劑與原油的乳化效率。驅(qū)油劑的乳化能力越強(qiáng)，表明驅(qū)油劑更容易使油水界面分散變形，乳狀液液滴更穩(wěn)定，油滴更易被流體帶走，避免乳化原油破乳而造成原油重新滯留在孔隙中［25］。

2.4.4 耐溫性能

0.2%驅(qū)油劑溶液在25、50、90、120、150、180 ℃老化24 h后的油水界面張力分別為0.0048、0.0049、0.0052、0.0054、0.0056、0.0058 mN/m。溫度為25～180 ℃時(shí)，納米乳液驅(qū)油劑的油水界面張力隨溫度的升高變化較小，界面張力值較低。

2.4.5 抗鹽性能

用礦化度為2、5、10、50、100 g/L 的鹽水配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的驅(qū)油劑溶液，測得驅(qū)油劑溶液的油水界面張力分別為0.0038、0.0049、0.0062、0.0074、0.0091 mN/m。配液鹽水礦化度在2～100 g/L時(shí)，配制的0.2%驅(qū)油劑溶液的油水界面張力均較低。礦化度對(duì)驅(qū)油劑油水界面張力的影響較小。礦化度為100 g/L時(shí)，驅(qū)油劑溶液的油水界面張力仍然保持在10-3mN/m 數(shù)量級(jí)。當(dāng)配液水中的鈣鎂離子質(zhì)量濃度為0、0.5、1、2、5 g/L時(shí)，驅(qū)油劑溶液的油水界面張力分別為0.0021、0.0039、0.0054、0.0076、0.0120 mN/m。隨著鈣鎂離子含量的增大，驅(qū)油劑溶液的油水界面張力逐漸增加。當(dāng)含量為5 g/L時(shí)，油水界面張力值為0.012 mN/m，納米乳液驅(qū)油劑的抗鹽性能較好。

2.5 納米乳液對(duì)油水在巖心相對(duì)流動(dòng)性的影響

由圖2 可知，在驅(qū)替過程中，油相相對(duì)滲透率（Kro）逐漸降低，水相相對(duì)滲透率（Krw）逐漸升高。納米乳液改變了巖心孔喉壁面的潤濕性，使水的流動(dòng)性能增加，產(chǎn)生滲吸作用，水的相對(duì)滲透率增大，水相更多進(jìn)入微小孔隙，小孔隙油被置換進(jìn)入大孔隙，從而提高采油效率。水驅(qū)時(shí)的殘余油飽和度為20.9%，納米乳液驅(qū)時(shí)的殘余油飽和度為10.8%，殘余油飽和度相較水驅(qū)時(shí)降低10.1百分點(diǎn)。

圖2 納米乳液對(duì)油水在巖心相對(duì)流動(dòng)性的影響

2.6 靜態(tài)滲吸驅(qū)油效果

0.2%納米乳液滲吸驅(qū)油劑和0.2%常規(guī)驅(qū)油劑的驅(qū)油效果見表3。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，納米乳液滲吸驅(qū)油劑的驅(qū)油效率明顯好于常規(guī)驅(qū)油劑。

表3 不同類型驅(qū)油劑的驅(qū)油效果對(duì)比

將巖心懸掛在不同溶液中進(jìn)行靜態(tài)滲吸，在注入水中的巖心滲吸出油的顆粒較大且比較稀疏，在含有0.2%、0.5%納米驅(qū)油劑的滲吸液中出油顆粒較小且密集。這說明驅(qū)油劑的微小尺寸使其更易進(jìn)入巖心細(xì)小孔喉，并使巖心中的飽和油發(fā)生乳化剝離，實(shí)現(xiàn)互溶擴(kuò)散置換驅(qū)油。由表4可見，加入納米乳液的采收率明顯高于未加納米乳液的采收率，0.2%的納米驅(qū)油劑即可提高采收率30 百分點(diǎn)以上。隨著納米驅(qū)油劑用量的增加，滲吸采收率進(jìn)一步提高。同時(shí)，納米乳液可以延長滲吸驅(qū)油作用時(shí)間（圖3）。通過油砂洗油實(shí)驗(yàn)測得，當(dāng)納米乳液驅(qū)油劑加量為0.2%時(shí)，納米驅(qū)油劑的洗油效果較好，洗油效率可達(dá)到46.76%。

圖3 巖心在不同加量納米乳液中的滲吸采收率與滲吸時(shí)間的關(guān)系

表4 巖心浸泡滲吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.7 巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)核磁共振表征結(jié)果

為進(jìn)一步驗(yàn)證納米乳液驅(qū)油劑的驅(qū)替效果，收集了納米乳液驅(qū)油劑驅(qū)和水驅(qū)的T2譜。T2譜和核磁共振成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，納米驅(qū)油劑可占據(jù)98.76%的巖心可動(dòng)孔隙空間，遠(yuǎn)高于純凈水（表5），進(jìn)一步說明納米驅(qū)油劑比水更易進(jìn)入巖樣內(nèi)部孔隙空間，可增大波及體積。

表5 不同驅(qū)油體系核磁實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.8 納米乳液對(duì)巖心滲透率恢復(fù)性能的影響

由表6 和圖4 可見，在納米乳液驅(qū)油劑注入初期，巖心滲透率呈下降趨勢。隨著標(biāo)準(zhǔn)鹽水注入時(shí)間的延長，驅(qū)替體積增加，巖心滲透率逐漸恢復(fù)。當(dāng)驅(qū)替至滲透率穩(wěn)定（注入體積15 PV）后，巖心滲透率均高于初始值，表明納米乳液可解除水鎖，提高巖心滲透率，具有增滲作用。

圖4 巖心滲透率隨時(shí)間的變化

表6 巖心滲透率變化數(shù)據(jù)

2.9 現(xiàn)場應(yīng)用

2.9.1 在壓裂驅(qū)油方面的應(yīng)用

新疆X 井于2013 年10 月壓裂投產(chǎn)，射開P2w（3513.5～3560.0 m），射厚13.0 m；初期日產(chǎn)液8.3 t，日產(chǎn)油8.0 t，含水3.8%；2015年9月起調(diào)開生產(chǎn)；目前關(guān)井。地質(zhì)儲(chǔ)量4.05×104t，累產(chǎn)油2516.4 t，采出程度6.2%。2019 年6 月2 日對(duì)該井段采用前置1000 m30.2%納米乳液增能工藝進(jìn)行了重復(fù)壓裂，措施前日產(chǎn)油0 t，措施后平均日產(chǎn)油6.3 t，最高日產(chǎn)油9.7 t，增產(chǎn)效果明顯，一年累計(jì)增油量為1984.4 t。對(duì)比同區(qū)塊鄰井Y井，未采用納米乳液增能而直接進(jìn)行重復(fù)壓裂，措施前日產(chǎn)油0 t，措施后平均日產(chǎn)油3.2 t，最高日產(chǎn)油6.8 t，一年累計(jì)增油量為1012.7 t，增油效果只有X井的一半左右。

2.9.2 在老井注水吞吐方面的應(yīng)用

在新疆油田XX-6、XX-7兩口井注入增能期間，隨著納米乳液滲吸驅(qū)油劑的注入，注入壓力呈降低趨勢，納米驅(qū)油劑的注入壓力從50 MPa 降至48 MPa，且注入排量相對(duì)較大，說明納米驅(qū)油劑具有降壓增注的作用。

表7 注入不同驅(qū)油劑的兩口井注入壓力對(duì)比

XX-6 井采用注0.2%常規(guī)驅(qū)油劑增能、XX-7 井采用0.2%納米乳液滲吸驅(qū)油劑增能。30 d 產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果（表8）表明，XX-7 井產(chǎn)量是XX-6 井的3.6倍。兩口井總產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果（表9）表明，XX-7井產(chǎn)量是XX-6 井的1.6 倍，返排率比XX-6 井降低45%。上述實(shí)際生產(chǎn)過程說明，納米乳液滲吸驅(qū)油劑具有更好的驅(qū)油置換效果，可有效提高見油速度及初期原油產(chǎn)量，達(dá)到快速增產(chǎn)的效果。

表8 注入不同驅(qū)油劑的兩口井30 d效果對(duì)比

表9 注入不同驅(qū)油劑的兩口井總生產(chǎn)情況對(duì)比

3 結(jié)論

納米乳液驅(qū)油劑具有油水界面張力低、耐溫耐鹽性能好、與原油乳化效果好的特性。納米乳液驅(qū)油劑可進(jìn)入細(xì)小孔喉，驅(qū)動(dòng)更多的殘余油，滲吸驅(qū)油效果較好。納米乳液驅(qū)油劑在壓裂驅(qū)油和老井注水吞吐的現(xiàn)場應(yīng)用較好，增產(chǎn)效果明顯。