水基納米流體交替注氣提高油濕碳酸鹽巖油藏采收率的實驗研究

張鳳博，趙之晗，宋世豪

（1 延長油田股份有限公司下寺灣采油廠，陜西延安716100；2 河北雄安華油清潔能源有限公司，河北任丘062552；3西北大學，陜西西安716900）

隨著現有油田的產量開始下降，提高采收率至關重要。許多油田被廢棄，剩余油飽和度超過30%。將回收率提高幾個百分點，可能會帶來數十億美元的額外利潤。強化采油技術，即三次采油，旨在提高二次采油基準線以上的石油采收率。因此，如何從成熟油田中開采出更多的原油，已成為石油工程界的一個熱門話題[1]。二氧化碳驅油是一種雙贏的策略，因為它可以提高石油回收率，同時減少二氧化碳排放到大氣中[1-2]。廉價和多余的溫室二氧化碳氣體可以被捕獲，然后注入油藏，以提高采收率。傳統的水驅或氣驅方法的困難和限制，如不適當的流動率和注入流體的早期指進，導致了水交替注氣（WAG）的發明，作為這兩種方法的組合[3-4]。由于注入氣體的粘度相對較低，注入氣體和油之間的流度比非常不利，非常不利的流度比會導致粘性指進和掃掠效率降低。WAG工藝就是為了解決這個問題而開發的[5]。在WAG工藝中，較高的氣體微觀驅替效率與較好的水宏觀波及效率相結合，有助于顯著提高普通注水工藝的增產效果。結果表明，注入氣體與水交替流動的流動性小于注入氣體單獨流動的流動性，從而提高了流動性比[6-8]。

1 試驗裝置和程序

通過多次線性巖心驅油試驗，比較了不同提高采收率方法的采收率。巖心注水裝置包括泵、巖心夾持器、背壓系統、壓力計和用于數據采集和過程控制的計算機系統。注入系統包括一個流體輸送泵，用于通過活塞室以所需速率將各種注入流體注入巖心。一個帶有橡膠套的巖心夾持器被用來固定巖心。將巖心夾持器置于恒溫烘箱中，以將巖心保持在貯存器溫度。壓力計用于測量堆芯流體的入口/出口壓力。堆芯通過施加三軸應力進行填充和限制。油和水通過背壓調節器（BPR）排放并輸送至分離器。在校準管中收集油和水，并測量油和水的量。同時，用煤氣表測量出口煤氣。

在X'Pert飛利浦X射線衍射儀上，利用Cu/Ka輻射對巖芯樣品進行了X射線衍射（XRD）分析，X射線管的工作電壓為40kV、電流30mA。利用KYKY-EM3200型掃描電鏡，定性研究了驅油實驗中SiO2納米粒子在孔隙表面的吸附行為。

2 結果與討論

驅油實驗主要分為兩個步驟：水交替注氣（WAG）和納米流體交替注氣（NWAG）。僅對于第一個巖芯樣品，進行了四次運行：水、CO2氣體、WAG和NWAG注入。每次運行時，測量回收率與注入孔隙體積的關系。測量了產水量、產氣量和壓差。

2.1 實驗1

進行了四種不同的注入方案：水、CO2氣體、WAG、NWAG注入。實驗溫度為50℃，初始注射壓力為800psi（5.52MPa）。水/納米水注入速率為8cc/h，每次注入1.32cc（0.2孔體積）水。注氣速率為15cc/h，每個循環注入0.66cc（0.1孔體積）的CO2。在該巖芯樣品中使用SiO2-1進行實驗。比較了不同方法的回收率，結果見表1。回收率與注入孔隙體積的關系如圖1所示。

表1 1#巖心不同提高采收率方法的采收率比較Table 1 Comparison of different EOR methods in core 1#

圖1 1號巖芯水、氣、WAG和NWAG注入采收率與注入孔隙體積的比較Fig .1 Comparison of water, gas, WAG and NWAG injection recovery and injection pore volume in core 1

從表1和圖1可以清楚地看出，在四種不同類型的提高采收率策略中，NWAG的采收率最高，其次是WAG和注水工藝，石油采收率差異非常小。最低采收率為CO2注入。實驗在低于CO2和油的最小混相壓力的壓力下進行。油氣相互作用的非混相機理解釋了注CO2采收率低的原因。進行了一系列實驗和表征（界面張力測量、接觸角和SEM圖像），以解釋在NWAG實驗中由于納米顆粒的存在而顯著提高的回收率。

了解納米流體驅油過程中的潤濕性行為至關重要，因為它影響許多重要的儲層性質，如相對滲透率特征、孔隙網絡中流體（烴和水相）的分布以及開采過程中的流體流動。潤濕性變化是納米提高采收率過程中的一種驅油機理。接觸角是測量表面潤濕性最常用的方法，也是測量儲層潤濕性的一種方法。

2.2 實驗2

實驗考察兩種不同的注入方案：WAG和NWAG。實驗溫度為50℃，初始注射壓力為800psi（5.52MPa）。水/納米水注入速率為8cc/h，每個循環注入2.5cc（0.2孔體積）的水。注氣速率為15cc/h，每個循環注入1.32cc（0.1孔體積）的CO2。為了研究納米顆粒的大小對回收率的影響，在本試驗中，納米顆粒的大小在30～40 nm之間。結果見表2。表2結果表明，較小的納米粒子比較大的納米粒子提供更好的回收率。由于碳酸鹽巖的非均質性和空間變異性，較小的顆粒可以通過多孔介質向深層運移。因此，納米顆粒對多孔介質體積的影響更大，從而提高了回收率。

表2 納米尺寸對回收率的影響Table 2 Effect of nano size on recovery

圖2比較了兩種方法的回收率。結果表明，與第一次實驗結果相似，NWAG注入的采收率高于WAG注入的采收率。然而，提高采收率約為11.4%，NWAG和WAG注入采收率之間的差異比巖芯1的差異小約10.5%。這可能是因為納米顆粒的大小發生了變化。通過改變巖石的潤濕性和IFT還原性，使SiO2納米粉體粒徑減小，可以深入低滲透巖石，提高采收率。孔徑越小，毛管壓力越高，通過降低界面張力和改變潤濕性，容易產生毛管壓力圈閉的油。

圖2 2號巖心WAG和NWAG注入采收率與注入孔隙體積的比較Fig . 2 Comparison of WAG and NWAG injection recovery and injection pore volume in core 2

圖3顯示了納米顆粒在巖芯2的入口、中部和末端的沉積和吸附。通過對巖心1和巖心2的SEM圖像進行比較，發現通過巖心1可以觀察到較好的納米顆粒分布和吸附，說明潤濕性變化較好。接觸角測量結果也證實了這一問題。此外，從核1和核2的SEM圖像可以明顯看出，SiO2納米顆粒在流體相中聚集，但是SiO2-2納米顆粒聚集的尺寸比SiO2-1納米顆粒聚集的尺寸大。粒徑較大的納米顆粒可能聚集到比孔大的尺寸，這導致聚集的顆粒不能進入芯2中的小尺寸孔。所以2號巖芯的回收率比1號巖芯低。

圖3 2 #巖芯不同部分表面SEM圖像Fig. 3 SEM images of different parts of core 2#

2.3 實驗3

為了研究不同巖石類型對NWAG驅油效果的影響，對孔隙度高于巖心1的高滲透碳酸鹽巖儲層進行了兩種不同注入方式（WAG、NWAG注入）。實驗溫度為50℃，初始注射壓力為800psi（5.52MPa）。水/納米水注入速率為8cc/h，每循環注入3.5cc（0.2孔體積）水/納米流體。注氣速率為15cc/h，每個循環注入1.75cc（0.1孔體積）的CO2。所用納米顆粒的大小與核1（11～14 nm）相同。

結果表明，在我們的實驗條件和實驗材料中，NWAG在低滲透巖心樣品中有較好的回收率。在小孔隙中，毛管壓力較高，因此我們推測，通過降低界面張力和改變潤濕性，可能會產生一些被毛管壓力捕獲的油。當巖石處于水濕狀態時，毛管壓力梯度導致石油流出，水進入死端孔隙通道。此外，毛細力使水在低滲透性孔隙通道中向前移動更快，而水在高滲透性孔隙通道中移動緩慢。此外，通過對巖心1和巖心3的接觸角測量結果進行比較，發現巖心1的潤濕性變化較好，我們推測，由于上述機制，NWAG在低滲透巖石中表現更好。

比較了兩種不同方法的回收率，結果見表3。回收率與注入孔隙體積的關系如圖4所示。注入流體的粘度是可能影響石油采收率的另一個參數。測定了含0.1%(質量分數）11～14 nm納米顆粒的純水和納米流體的粘度。結果表明，在20℃、800psi（5.52MPa）條件下，納米流體的粘度由純水的0.999cp提高到1.18cp。增加粘度和改變潤濕性會影響粘滯力和毛細管力，增加毛細管數，從而提高采收率。實驗結果表明，潤濕性的改變是主要的機理。此外，由于粘度增加，NWAG注入時沿巖心的壓差增加，這導致入口壓力增加，特別是在納米流體注入循環中。

圖4 3#巖心WAG和NWAG注入采收率與注入孔隙體積的比較Fig.4 Comparison of WAG and NWAG injection recovery and injection pore volume in core 3#

表3 巖芯3#中WAG和NWAG的回收率比較Table 3 Comparison of recovery rates of WAG and NWAG in core 3 #

二氧化硅納米顆粒進入巖芯孔隙后，由于二氧化硅表面的高活性、高能狀態，其表面原子的高度不穩定性以及納米顆粒的大比表面積，這些納米顆粒吸附在巖石孔隙表面，巖石表面的潤濕性由油濕變為強水濕。納米顆粒被定位并吸附在油水界面上，使油水兩相間的摩擦力減小，界面張力減小，被毛細管壓力捕獲的油被釋放。

3 結論

采用納米水交替注氣（NWAG）作為一種新的、具有潛在可行性的方法來提高油濕碳酸鹽巖油藏的采收率，巖心驅油試驗的主要結論如下：（1）在水相中加入納米顆粒比WAG驅具有更好的采收率；（2）納米顆粒吸附在巖石表面，使巖石的潤濕性由油濕變為強水濕；（3）納米顆粒位于油水界面，降低了油水界面張力；（4）滲透率較低的巖心樣品的采收率高于滲透率較高的巖心樣品；（5）由于碳酸鹽巖的非均質性和空間變異性，較小的納米顆粒尺寸具有更好的回收率，因為較小的顆粒可以更好地通過多孔介質。因此，更小的納米顆粒尺寸導致更大的石油回收率。