致密儲層納米流度改性劑的微流控模擬評價*

耿向飛，丁 彬，張玉亮，王 哲，郭建辰，肖 川

（1.中國石油勘探開發研究院，北京 100083；2.新疆油田分公司勘探開發研究院，新疆 克拉瑪依 834000；3.新疆油田分公司物資供應總公司，新疆 克拉瑪依 834000）

我國致密油遠景資源量達70億噸左右，其中技術可采資源量為20數25 億噸，占全球致密油資源總量的9.3%，主要分布在松遼、鄂爾多斯、四川、準噶兒等盆地［1］。我國致密儲層滲透率小于0.1×10-3μm2，孔隙度為6%數 15%，2數 10 μm 的微米級孔隙是主要儲油空間。與特低/超低滲油藏相比，其成藏機理復雜、孔喉細小、開發難度大［2］，對注入液體的性能要求高。目前評價注入液體性能的方法主要有巖心驅替實驗、低場核磁共振分析等，評價效果較好，對現場應用也起到了一定的指導作用。但這些方法存在操作復雜、樣品消耗大、可視化程度低、重復性差等問題，因此，亟需新的模擬手段來實現對致密儲層注入液體體系的有效評價。

微/納流控技術是一種在微/納米尺度空間對流體進行操控的科學技術，具有將生物、化學等實驗室的基本功能微縮到一個幾平方厘米芯片上的能力，因此又被成為芯片實驗室［3-5］。2004年美國Business 2.0 雜志一篇封面文章把芯片實驗室列為“改變未來的七種技術之一”。近年來，微/納流控技術在石油行業也得到了廣泛應用。Calgary 大學采用自制的微流控芯片評價了水、納米流體、復合流體、表面活性劑對加拿大Alberta 重油的采收率［6］；斯倫貝謝公司新型“微流控芯片PVT 測量技術”已廣泛應用于現場油藏儲層流體測試，應用最高壓力可達到86 MPa［7］；Cornell大學通過微流控芯片研究了通道尺寸對流體性質的影響，發現在納米孔道中水的黏度會增大［8-10］。本文采用自主設計的3 種微流控模型（2 維多孔介質模型、2.5 維孔喉模型和半圓多通道模型）對研發的致密儲層納米流度改性劑開展了驅油性能的在線、可視模擬評價研究。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

儲層納米流度改性劑，由雙子表面活性劑、助溶劑、油溶性解締合劑按照比例自制；模擬原油，新疆吉木薩爾原油與煤油按體積比10∶4 混合，黏度（50℃）為63.4 mPa·s；煤油、蘇丹紅、亞甲基藍，上海阿拉丁試劑公司；蒸餾水。

微納米尺寸驅替平臺，萊卡M165FC 集光學顯微鏡、CCD 成像和微流控芯片專用夾具于一體，中國石油大學（北京）自主搭建設備；2 維多孔介質模型：玻璃材質，模型尺寸1.5 cm×1.5 cm，模擬1/4 五點法井網，深度15 μm，最大寬度167 μm，最小寬度30 μm，見圖1；2.5維孔喉模型：玻璃材質，模型尺寸1.5 cm×1.5 cm，模擬1/4 五點法井網，孔隙深度15 μm，喉道深度2 μm，見圖2；半圓多通道模型：玻璃材質，模型尺寸1.5 cm×1.5 cm，主要構成為：1 mm注液通道，300 μm排液通道，7條深度為1 μm，寬度分別為2、5、10、20、40、80、160 μm 的微流控通道，7條微流控通道與供給區域為直徑10 mm 的圓和寬度為1 mm的排液通道相通，7條微通道的排布方式是為了避免分布位置對流動規律產生影響，因此將寬通道和窄通道交錯開，并對稱分布，見圖3。

圖1 2維多孔介質模型（飽和油狀態）

圖2 2.5維孔喉模型

1.2 實驗方法

（1）2維多孔介質與2.5維孔喉模型驅油模擬實驗

首先將模型飽和模擬原油，之后依次進行水驅油和納米流度改性劑驅油，納米流度改性劑水溶液質量分數為0.1%，驅替速率均為100 nL/min，驅替結束后通過軟件計算驅油效率。

（2）半圓多通道模型驅油模擬實驗

將模型飽和蘇丹紅染色的煤油，在恒壓（0.005 MPa）下注入亞甲基藍染色的蒸餾水或0.1%的納米流度改性劑水溶液，待其充滿圓形供給區域后，逐步提升壓力，觀察微通道的通過情況，并記錄液體通過每個微通道進入排液通道時的注入壓力。

圖3 半圓多通道模型示意圖

2 結果與討論

2.1 2維多孔介質模型驅油

2 維多孔介質模型水驅油結束、納米流度改性劑驅油過程以及納米流度改性劑驅油結束時的顯微鏡照片見圖4。水驅驅油效率較低，大部分含油區域未波及，存在指進現象，經計算水驅結束后驅油效率僅為35%。后續注入納米流度改性劑后，原油被瞬間轉化為小尺寸油滴，最小的油滴尺寸可到百納米級，從而大幅提高了原油的流動性，擴大了波及體積，提高了驅油效率。納米流度改性劑驅結束后的驅油效率可達90%。

2.2 2.5維孔喉模型驅油

2.5維孔喉模型水驅油結束、納米流度改性劑驅油過程以及納米流度改性劑驅油結束時的顯微鏡照片見圖5。2.5維孔喉模型驅油結果與2維多孔介質模型部分相似，水驅驅油效率較低，約為40%；后續注入納米流度改性劑后，原油被瞬間轉化為小尺寸油滴，最小的油滴尺寸可到百納米級，更多的原油通過狹窄的喉道，驅油效率可達95%。

2.3 半圓多通道模型驅油

2.3.1 水驅油

0.055 MPa壓力下水依次突破80、40、160 μm的微通道，見圖6（a）、6（b）和6（c）；當壓力升高至0.06 MPa時，水突破20 μm微通道，見圖6（d）；當壓力升高至 0.1024 MPa 時，水依次突破 2 μm 和 5 μm 微通道，見圖6（e）和6（f）。

2.3.2 納米流度改性劑驅油

0.025 MPa壓力下納米流度改性劑依次突破80 μm和160 μm的微通道，見圖7（a）和7（b）；當壓力升高至 0.035 MPa 時，納米流度改性劑突破 20 μm 微通道，見圖7（c）；當壓力升高至0.05 MPa時，納米流度改性劑突破40 μm微通道，見圖7（d）；當壓力升高至 0.075 MPa 時，納米流度改性劑突破 5 μm 微通道，見圖7（e）；當壓力升高至0.1024 MPa時，納米流度改性劑突破2 μm微通道，見圖7（f）。

對比半圓多通道模型水驅油和納米流度改性劑驅油結果，可以看出，納米流度改性劑比蒸餾水更容易進入各個微通道，所需注入壓力均有所降低。說明納米流度改性劑可顯著降低注水啟動壓力，比水更易進入小孔隙，有望助力致密油的高效開發。結合2.1和2.2節實驗結果，這可能是由于納米流度改性劑可將原油分割為小油滴，使得原油的流度與運移能力大幅度提高，從而擴大波及體積和提高驅油效率。

圖4 2維多孔介質模型驅油過程

圖5 2.5維孔喉模型驅油過程

圖6 不同壓力下半圓多通道模型水驅油突破通道過程（×50）

致密儲層礦物成分復雜，分布具有隨機性，巖石孔隙表面的潤濕性是不均勻的，中國典型致密油區總體潤濕性多為弱親水或弱親油［2］。尺寸、構造和表面性質是致密儲層滲流通道模擬的關鍵因素，設計制作“高仿”的致密儲層模型以及修飾有智能傳感的仿生微納米孔道，是未來對驅油劑評價、驅油劑滲流機理以及驅油機理研究的重要發展方向。本文的3 種微流控模型均為親水性，下一步將制作具有不同潤濕性的微流控模型，實現對納米流度改性劑及其他驅油劑驅油機理和驅油效果的全面評價。

圖7 不同壓力下半圓多通道模型納米流度改性劑驅油突破通道過程（×50）

3 結論

采用自主設計的3種微流控模型（2維多孔介質模型、2.5 維喉道模型和半圓多通道模型）對研發的致密儲層納米流度改性劑開展了驅油性能的在線、可視模擬評價研究。納米流度改性劑可將原油分割為小油滴，大幅提高原油的流度與運移能力，并可顯著降低注水啟動壓力，比水更易進入小孔隙，驅油效率高達90%以上，有望助力致密油的高效開發。