基于納米活性降壓增注技術(shù)在低滲油田應(yīng)用

張 剛，成 城，張衛(wèi)平

（延長(zhǎng)石油定邊采油廠，陜西定邊710000）

目前，全球能源需求以每年2%～3%的速度增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)15 年后，全球能源需求量將比現(xiàn)在增長(zhǎng)約50%［1-2］。另一方面，世界上最大的儲(chǔ)層正處于衰退階段，而一次和二次開采對(duì)石油產(chǎn)量的貢獻(xiàn)并不令人滿意。將提高采收率作為三次采油，常規(guī)的提高采收率方法已不能將儲(chǔ)層發(fā)揮到其潛力，留下50%以上的原始石油儲(chǔ)量（OOIP）［3］。因此，全球要求從傳統(tǒng)方法到更具責(zé)任感的方法的突破正在興起。因此，研究者一直致力于提高油藏的采收率。近年來，納米技術(shù)在物理、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等許多科學(xué)領(lǐng)域都做出了巨大的貢獻(xiàn)，納米技術(shù)的應(yīng)用已擴(kuò)展到能源工業(yè)領(lǐng)域。近半個(gè)世紀(jì)以來，納米技術(shù)已作為一種有效的方法應(yīng)用于其他油氣部門，如勘探部門在提高傳感器靈敏度、控制漏失的鉆井領(lǐng)域、固井質(zhì)量、井眼穩(wěn)定性方面，在生產(chǎn)工程中，如阻垢劑、納米結(jié)構(gòu)分離器等［4-6］。

1 活性二氧化硅納米粉體降壓增注技術(shù)研究

活性二氧化硅納米粉體是一種白色粉末材料，其主要成分是二氧化硅。它是γ 射線作用下化學(xué)改性的結(jié)果。它是一種新型的增注劑，具有較強(qiáng)的疏水性（疏水率大于99%）、親脂性和吸附性。與其他納米材料一樣，其表面具有不飽和的殘余鍵和不同的羥基鍵合狀態(tài)。由于缺氧，其表面偏離了穩(wěn)定的Si-O 結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出較高的活性。SiO2納米粉體被介質(zhì)帶入地層。納米SiO2粉體由于其表面的高能狀態(tài)和表面原子的極度不穩(wěn)定性，更容易在砂巖表面吸附，從而改變巖石的潤(rùn)濕性。同時(shí)，由于SiO2納米粉體的離散粒徑達(dá)到10～500 nm，可深入低滲透層，有效降低巖石表面水膜厚度，擴(kuò)大孔隙半徑，顯著降低注入水在孔隙中的流動(dòng)阻力。防止水與巖石接觸，避免水化現(xiàn)象的發(fā)生。從而達(dá)到了注水井減壓增注的目的。在低滲透油田注水開發(fā)過程中，普遍存在注水壓力高、注水量小、注水開發(fā)難度大等問題。因此，通過注入活性SiO2納米粉體，實(shí)現(xiàn)減壓增注，提高低滲透油藏采收率［7-8］。

1.1 納米SiO2 粉體減壓增注機(jī)理

經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的注水開發(fā)，在注水井井眼附近，孔道表面的潤(rùn)濕性由原來的親油性轉(zhuǎn)化為親水性，形成一定厚度的水膜，使巖石通道的有效直徑變小，如圖1 所示。當(dāng)液滴通過這些孔隙時(shí)，會(huì)與水膜結(jié)合，增大水的流動(dòng)阻力，當(dāng)水滴繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要更大的能量，從而導(dǎo)致注入壓力增大，注水量減小。

圖2 是二氧化硅納米粉體存在時(shí)的流體流動(dòng)示意圖。SiO2納米粒子進(jìn)入巖石孔隙后，由于其高活性，很容易吸附在巖石孔隙表面，使巖石表面的潤(rùn)濕性由親水性轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷浴．?dāng)水滴通過時(shí)，它們不再與水膜結(jié)合而通過變形。納米SiO2粉體的強(qiáng)疏水性也使巖石表面的水膜部分被排干，水膜變薄。從而增大了流道的有效半徑，大大降低了注入水通過孔隙的流動(dòng)阻力，提高了水的相對(duì)滲透率。因此，納米SiO2粉體可以降低注射壓力，增加注射量。

圖1 水滴通過含有水膜的孔隙的狀態(tài)Fig. 1 The state of water droplets passing through pores containing water film

圖2 納米SiO2 粉體吸附后液滴通過孔隙的狀態(tài)Fig. 2 The state of droplets passing through the pores after the adsorption of nano-SiO2 powder

此外，SiO2納米粉體還可以覆蓋粘土表面，與巖石和水發(fā)生離析，避免水化現(xiàn)象，起到防膨的作用。圖3（a）為地層通道的原始狀態(tài)，圖3（b）為注入水浸泡后，未經(jīng)處理的粘土膨脹堵塞通道，圖3（c）為納米SiO2粉體處理狀態(tài)，通道變寬，注入水順利通過通道。

圖3 增注結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Schematic diagram of increased injection structure

1.2 納米SiO2 粉體改變巖石潤(rùn)濕性的實(shí)驗(yàn)研究

采用OCA20 視頻光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x，分別測(cè)量了水滴與空白天然巖芯、水滴與飽和煤油天然巖心之間、水滴與天然巖芯之間的接觸角。水滴與空白巖心表面的接觸角為63°、68°（2 個(gè)平行巖心樣品），表明巖石表面的潤(rùn)濕性為親水性。水滴與飽和煤油芯的接觸角為96°、102°。結(jié)果表明，巖石表面對(duì)疏水性是中性的。由煤油配制的納米粉體吸附液滴與巖芯的接觸角為125°、131°，表明巖石表面已發(fā)生明顯的疏水性反轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)SiO2納米粒子吸附在巖石表面時(shí)，其親水性由親水性轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷浴?/p>

2 SiO2 納米體減壓增注實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)所用巖心為人工水泥巖心，尺寸為4.5×4.5×30cm，透氣性和透水性分別為40×10-3μm2和12.8×10-3μm2；實(shí)驗(yàn)用水來自延邊油田某廠聯(lián)合站，污水經(jīng)沉淀過濾后回用，鹽度為4157mg/L；實(shí)驗(yàn)油來自延邊油田某廠聯(lián)合站，經(jīng)脫水后與航空煤油混合，粘度為5.2mPa?s；實(shí)驗(yàn)用納米SiO2粉體由延邊油田某廠提供。它不溶于水，需要用煤油配制。

2.2 主要實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備

培養(yǎng)箱、油（水）置換設(shè)備、真空飽和設(shè)備、油（水）分離測(cè)量管：分度值為0.05mL。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

首先，抽真空4h 后，巖心被地層污水飽和，在培養(yǎng)箱中保持45℃溫度12h，然后測(cè)量滲透率。其次，用模擬油對(duì)巖心進(jìn)行飽和，建立束縛水飽和度。第三，將巖心置于培養(yǎng)箱中（老化）24h，注水至含水率大于98%，記錄巖心兩端的穩(wěn)定壓力。最后注入SiO2納米粉段塞，后續(xù)注水驅(qū)至含水率98% 以上，并記錄巖心兩端穩(wěn)定壓力和采出油量。在此基礎(chǔ)上，可以計(jì)算出原油采收率和減壓率。減壓速率定義為注入SiO2納米粉段塞后，水驅(qū)階段與后續(xù)注水階段的穩(wěn)定壓差與注水階段穩(wěn)定壓力之比，用百分比表示。

3 SiO2 納米粉體減壓增注實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室中，進(jìn)行了10 次納米SiO2粉體減壓增注實(shí)驗(yàn)，在不同濃度的SiO2納米粉體下，繪制了恢復(fù)V.S注入PV 數(shù)曲線和減壓速率V.S 注入PV 數(shù)曲線，如圖4、圖5 所示。通過曲線分析發(fā)現(xiàn)，隨著注入孔容的增加，納米SiO2粉體驅(qū)油采收率也隨之提高。當(dāng)注入孔隙體積從0.3PV 增加到0.6PV 時(shí)，SiO2納米粉體驅(qū)油采收率顯著提高；當(dāng)注入孔體積從0.6PV 增加到1PV 時(shí)，SiO2納米粉體驅(qū)油采收率增長(zhǎng)緩慢，因此選擇0.6PV 作為最佳注入孔容。減壓速率隨PV 注入量的變化曲線也呈現(xiàn)出相同的規(guī)律。

圖4 不同濃度SiO2 納米粉體的回收率與PV 值的關(guān)系Fig. 4 The relationship between the recovery rate of SiO2nanopowders of different concentrations and the PV value

圖5 不同濃度 SiO2 納米粉體減壓速率與PV 值的關(guān)系Fig. 5 The relationship between the decompression rate of SiO2nanopowders with different concentrations and the PV value

將進(jìn)樣孔體積定為0.6PV，通過實(shí)驗(yàn)得到了不同濃度SiO2納米粉體下的采收率變化曲線，如圖6 所示。可以看出，當(dāng)SiO2納米粉體濃度逐漸增大時(shí)，SiO2納米粉體驅(qū)油采收率也逐漸提高。當(dāng)濃度增加到0.5%時(shí)，回收率的提高速度減慢，因此選擇0.5%作為該體系的最佳注入濃度。

圖6 注入0.6PV SiO2 納米粉體時(shí)提高采收率與濃度的關(guān)系Fig.6 The relationship between improve ment of oil recovery and concentration

4 納米SiO2 粉體減壓增注現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

延邊油田具有低滲、低孔、儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)的特點(diǎn)。隨著長(zhǎng)期注水開發(fā)，注水井注水能力差，注水壓力高，注水遞減快。其中許多在破裂壓力下仍不能滿足注入要求。為提高注水開發(fā)效果，在延邊油田開展了納米SiO2粉體減壓增注試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，先對(duì)井筒進(jìn)行清洗，保證井筒清潔，然后向儲(chǔ)層注入清洗劑，去除井筒附近的堵塞物和污染物，使納米SiO2粉體在巖石表面易于吸附。最后注入SiO2納米粉體混合物，用清水代替。

通過對(duì)延邊油田21 口注水井進(jìn)行納米粉體處理，實(shí)現(xiàn)了成功率和處理效率均達(dá)到100%，平均單井注水壓力降低0.84MPa，平均單井增注19.1m3/d。100 天內(nèi)累計(jì)增注40110m3。

5 結(jié)論

（1）納米SiO2粉體減壓增注的主要機(jī)理是改變巖石表面的潤(rùn)濕性，使巖石表面的潤(rùn)濕性由親水性轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷裕糠治皆趲r石表面的水包水膜被部分排出。它能有效地?cái)U(kuò)大孔隙半徑，降低注入水通過孔隙的流動(dòng)阻力，使注入水流動(dòng)平穩(wěn)，提高了水的相對(duì)滲透率。

（2）納米SiO2粉體驅(qū)油的采收率和減壓率隨PV值的增加而增大。選擇0.6PV 為最佳注入孔體積，0.5%為最佳注入濃度。相應(yīng)提高采收率和減壓率分別為6.84%和52.78%。

（3）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，納米SiO2粉體增注技術(shù)可以提高低滲透油田注水井的吸水能力，降低注水壓力。因此，這是解決低滲透油田注水問題最有效的方法。