2-D智能納米黑卡微觀驅油機理可視化實驗*

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（北京）非常規油氣科學技術研究院，北京102249；2.中國石油大學（北京）石油工程教育部重點實驗室，北京102249）

0 前言

隨著近幾十年來油氣田的大規模開采，越來越多的提高采收率工藝被不斷開發優化并投入現場使用，其中，以聚合物驅和復合化學驅為主的提高原油采收率技術應用最廣［1-5］。但是，長期的化學驅開發以及多輪次調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，復合驅化學劑的吸附也會直接影響驅油效率。基于此，中國石油經濟技術研究院（ETRI）石油科技研究所創新與發展研究團隊提出未來十年最具潛力的15項油氣勘探開發新技術，其中明確提出了納米智能化學驅油技術有望成為提高采收率顛覆性戰略階梯技術，該技術廣泛適用于各種類型油藏，具有廣闊的前景應用［9-10］。

納米技術是新興發展起來的前沿科學技術，納米材料的尺寸一般在1數100 nm，納米材料獨特的小尺寸、高比表面、量子效應等特點，使納米材料在很多領域都具有廣泛的應用前景［11-12］。早在20世紀60年代中期納米材料就被應用于驅油微乳液中，隨著后來納米黏彈性表面活性劑技術、微-納米顆粒封堵技術、納米降壓增注技術、MD膜技術及聚硅納米增注技術等在國內外的相繼發展，相比傳統的化學驅油提高原油采收率技術，改性的納米粒子分散體系用于化學驅油具有良好的增產、增注效果［13-18］。張宗勛、王維等［19-20］研究發現，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生潤濕反轉為中性潤濕或者水濕［21-22］，提高驅油效率；但其顆粒狀的形態無法實現納米材料的最大功效。中國石油大學（北京）非常規油氣科學技術研究院自主研發了適用于油田開發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油效果，采用CT掃描與激光刻蝕技術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驗研究在驅替過程中納米級黑卡的運移規律和微觀滲流機理，實現了對實際儲層中孔、縫、洞分布的精準刻畫，為該納米材料在礦場試驗中的應用提供了有效的理論參考價值。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

2-D智能納米黑卡，由中國石油大學（北京）非常規油氣科學技術研究院自主研發，實物見圖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；實驗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驗效果。實驗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、模擬地層水和實驗用模擬油，實驗用微量注射泵1臺，ZEISS光學顯微鏡（德國Carl Zeiss公司）以及圖像采集系統（圖3）。

圖3 微觀可視化驅油實驗流程

1.2 實驗方法

使用2-D智能納米黑卡體系開展二維可視化物理模型驅油實驗，通過ZIESS光學顯微鏡良好的微觀辨識性以及后端圖像采集系統，將驅油過程實時傳輸到計算機上，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的運移全過程，采用動態分析法評價滲透率、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油機理。

實驗步驟如下：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按照實驗方案，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替出來，整個微觀驅油過程采用ZEISS光學顯微鏡及圖像采集系統記錄；③以50 μL/min（或 500 μL/min）的恒定速率注入質量分數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，實驗結果如圖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。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，使得油水間原來的凹液面經水包油式微乳液填充，降低油水界面張力，轉變成為平液面，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定狀態。

圖4 2-D智能納米黑卡親水親油性

2.2 巖心滲透率對驅油效果的影響

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驗中驅油效果的影響，對滲透率為25×10-3、2500×10-3μm2的兩種模型水驅后以50 μL/min的注入速率注入質量分數為0.005%的2-D智能納米黑卡體系，微觀驅油實驗結果如圖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中的流動特征和驅油效果。

圖5 不同滲透率微觀驅油模擬實驗

圖6 二維可視化驅替實驗局部放大圖（滲透率25×10-3μm2）

2.3 體系質量分數對驅油效果的影響

不同質量分數（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量分數越高，驅油效果越好，模型中的剩余油量越少。質量分數為0.001%的2-D智能納米黑卡體系對模型的波及系數明顯低于質量分數為0.005%為黑卡體系的，而質量分數為0.005%和0.01%的黑卡體系的波及系數卻并無明顯差異。考慮到經濟因素，2-D智能納米黑卡體系的質量分數以0.005%為最佳。

2.4 注入速率對驅油效果的影響

圖7 25×10-3μm2的模型中不同質量分數的2-D智能納米黑卡體系的驅油效果

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量分數為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油機理。

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油效果

2.5 2-D智能納米黑卡體系微觀驅油機理分析

2.5.1 潤濕性改變

在二維可視化微觀物理模型的水驅過程中出現了黏性指進效應，使得油/水界面產生了沿著壁面的高界面張力油膜，導致水驅油能達到的效果有限。在水驅后緊接著注入質量分數為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°）改變為中性濕潤（潤濕角為91°），使得油膜脫離壁面，然后在納米流體的回旋式流動效應下聚并剩余油滴，形成近活塞驅替，從而將脫離出的油驅替出來（圖9）。

2.5.2 楔形滲透

在驅替實驗過程中，由于納米片和油的相互作用在兩相界面上產生了滲透壓，促使油形成楔形形狀，同時滲透壓在該界面處產生額外的壓力，從而使納米片流體在楔形區域中向前運動，然后在大量液體的壓力驅動下，納米流體能夠沿著表面擴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，也可以降低模型喉部的毛細管力，有利于驅替剩余油（圖10）。

圖9 油潤濕轉為中型潤濕的變化過程

2.5.3 微觀回旋流

當納米片接觸到油相表面時，兩相界面產生表面張力梯度，從而形成微觀回旋式流動，導致油和納米片溶液界面附近呈現對流的流動現象。這種微觀回旋式流動使納米片與剩余油滴表面持續接觸，對油滴的運移產生“潤滑效應”，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替效率（圖11）。

3 結論

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（質量分數0.05%）下就能有效擴大低滲層波及體積，均勻擴散至各個孔喉，提高低滲儲層原油采出程度，充分發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，能夠將巖石表面的潤濕性從油潤濕改變為中性濕潤，從而使得油膜脫離壁面；由于納米片受流體外力驅使，使得巖石壁面上產生了油水兩相滲透壓，形成楔形滲透，兩相界面產生界面張力梯度，促使微觀回旋流形成，進而擴大波及面積，提高驅替效率。