一種新型納米材料室內(nèi)實驗研究與現(xiàn)場應(yīng)用

顧津龍，張 寧，李嘯南，馮 青，李勝勝，孫艷妮

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300459；2.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459；3.中海油服油田生產(chǎn)研究院，天津 300450）

由于傳統(tǒng)的提高采收率技術(shù)存在問題，一些石油開采領(lǐng)域的研究者將目光投向了納米材料。納米顆粒（NP）作為一種解決尚未解決的挑戰(zhàn)提供了新途徑。以納米顆粒作為介質(zhì)注入地下，與傳統(tǒng)的EOR 工藝中所使用的氣驅(qū)、水驅(qū)和化學驅(qū)相比，納米顆粒顯示出一些不同尋常的優(yōu)勢性能。

1 納米材料特性及增注效果實驗研究

1.1 納米材料特性

近年來，以納米SiO2微球顆粒為對象，發(fā)展起來的表面修飾技術(shù)引起了研究者們的極大興趣，這是因為對于顆粒尺寸小至納米微米級的SiO2顆粒來說，其表面存在大量的不飽和殘鍵和不同狀態(tài)的硅羥基，因缺失氧原子而偏離了穩(wěn)定狀態(tài)的硅氧結(jié)構(gòu)，使得粒子表面能增加，處于熱力學非穩(wěn)定狀態(tài)，具有較高的化學活性[1]。

1.1.1 比表面增大效應(yīng) 納米顆粒具有非常高的比表面積。由于納米顆粒的粒徑極小，納米顆粒具有非常高的表面積與體積比。納米顆粒極大的比表面積增加了其表面原子所占的比例。隨著粒子粒徑減小，而表面積增加的概念（見圖1）。在圖1 中，樣品的質(zhì)量和體積都是相同的，但顆粒的粒徑越小會有更高的比表面積。

圖1 高比表面積比納米顆粒原理圖Fig.1 A schematic diagram with high surface to volume ratio

1.1.2 表面吸附效應(yīng) 對于注水井及近井地帶，隨著注入水長年累月的沖刷，儲層巖石表面親水性增強，水流阻力不斷增大，導致注水泵壓升高。

納米表面吸附效應(yīng)指的是，由于納米SiO2極大的比表面積、存在大量不飽和鍵，因此具有極強的吸附性。因此可以利用納米材料具有極強的活性，通過競爭吸附，替換掉原先吸附于孔隙內(nèi)砂巖表面的水膜吸附于巖石表面，使其由親水性轉(zhuǎn)變成疏水性，并減小注入水流動阻力，達到降壓增注的目的。

1.1.3 納米速度滑移效應(yīng) 納米材料減小水流阻力，降壓增注的核心機理是納米量級結(jié)構(gòu)表面的速度滑移效應(yīng)。但對于微納米級尺度的液體流動，由于流體系統(tǒng)極大的表面積/體積比，使固體表面作用成為影響液體流動的主導因素，多孔介質(zhì)流動通道的直徑越小，孔壁與流體之間的接觸面越大，而納米流體在微孔道中流動時，納米顆粒與微孔道壁面間的相互作用力遠遠大于宏觀尺寸孔道[1]。

速度滑移現(xiàn)象和流體與固體表面的勢能作用或浸潤性密切相關(guān)，液體在疏水性固體表面的流動存在明顯的滑移，而在親水性表面可能表現(xiàn)為無滑移甚至“負滑移”。由于超疏水固體表面的低表面能效應(yīng)，能夠明顯降低流體對非潤濕固體表面的黏滯力。所以說，水流在儲層孔壁表面發(fā)生滑移效應(yīng)，那么水流阻力將降低，注水壓力隨之下降。

1.2 納米增注效果實驗研究

1.2.1 目標儲層水樣分析 目標油藏水樣一共有兩個，分別是目標油田注水井水樣和海水水樣。對水樣進行了離子、堿度、全鹽度、礦化度的檢測，結(jié)果（見表1）。

表1 目標油田水樣分析Tab.1 Water sample analysis of target oilfield

K1-A 注入水與海水水樣很接近，僅在硫酸根與碳酸氫根濃度上有一定的區(qū)別。對于納米增注而言，絕大部分礦場上需要用到純水來配制納米分散液，因為納米在水中分散屬于膠體分散體系，體系中的離子濃度對于膠體的穩(wěn)定性有很大的影響。因此揭示注入水水質(zhì)特點對于納米解堵增注很有必要。

總體來說目標油藏注入水水質(zhì)與海水水質(zhì)較為接近，因為海水中硫酸根濃度較高，因此在兩個水樣中，硫酸根離子濃度需要有一定的控制，硫酸根離子地層中遇到鈣、鎂離子時很容易形成難溶物質(zhì)，造成地層堵塞。因此控制諸如水中的硫酸根離子濃度也十分必要。

1.2.2 流體配伍性實驗 本次實驗采用K 油田注入水與納米增注劑配制成混合溶液，將配制好的溶液在120 ℃下放置48 h 后，將放置后的溶液與初始溶液進行對比（見圖2），發(fā)現(xiàn)納米體系與注入水配伍性較好，無分層、沉淀。

圖2 注入水與納米藥劑配伍性評價（混合前、混合48 h 后）Fig.2 Compatibility evaluation of injected water and nano drug（before and after mixing for 48 h）

1.2.3 納米降壓增注效果實驗評價 采用巖心模擬增注實驗評價納米降壓增注效果，驅(qū)替過程中不同驅(qū)替介質(zhì)的驅(qū)替壓力壓差（見表2）。

表2 巖心驅(qū)替過程各驅(qū)替介質(zhì)時穩(wěn)定壓差Tab.2 Stable pressure difference of each displacement medium in core displacement process

納米藥劑處理前后，通過驅(qū)替過程的壓差值計算巖心滲透率。

式中：qw-流體流量，mL/s；μw-流體黏度，mPa·s；L-巖心長度，cm；A-巖心截面積，cm2；P2、P1-驅(qū)替過程中進口、出口的壓力，MPa；Kwe-巖心有效滲透率，mD。

通過以上的數(shù)據(jù)以及公式得到巖心原始滲透率為7.85 mD，納米溶液處理后，巖心滲透率為29.33 mD。巖心滲透率得到大幅度提高，得到的認識如下：

（1）巖心為人造巖心，其中黏土礦物含量為3%左右，在巖心模擬實驗條件下，該巖心用模擬地層水飽和模擬水驅(qū)過程，雖然黏土礦物有膨脹，但是這一膨脹效應(yīng)在第一次用清水驅(qū)替時達到最大，因此這時計算的巖心滲透率較低。

（2）第二次水驅(qū)過程因為疏水性納米顆粒在巖石多孔介質(zhì)壁面上吸附形成疏水膜。同時在納米乳狀液中復配有黏土防膨劑，因此第二次水驅(qū)過程巖心滲透率大大提高。

由納米溶液巖心模擬增注過程壓力變化圖可知，納米溶液注入前后，模擬地層水注入壓力有效幅度降低，降低率為28.6%，而清水的注入壓力降低了68.3%。這一實驗結(jié)果說明，納米疏水膜的形成減少了水流的阻力，起到了降壓增注效果，同時對于巖石孔隙的黏土礦物起到很好的防膨作用。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

納米增注技術(shù)在渤海低滲K 油田A 井進行了礦場試驗，目標儲層泥質(zhì)含量高，從增注措施前、后注入壓力及注水量變化（見圖3、圖4）可知，注入壓力由措施前18 MPa 降低至措施后的4.2 MPa，注水量由措施前的117 m3/d 增加至195 m3/d。統(tǒng)計受益油井產(chǎn)油量變化可知，日產(chǎn)油量升高，受益井含水下降24%，累增油2 795 t。

圖3 措施前、后注入壓力變化Fig.3 Injection pressure changes before and after the construction

圖4 措施前、后日注水量變化Fig.4 Injection rate changes before and after the construction

該項技術(shù)在K 油田A 井實施后，起到降壓、增注等多種功效。研究結(jié)果表明，該技術(shù)在低滲透油田增產(chǎn)增注方面應(yīng)用前景十分廣闊。

3 結(jié)論

通過納米增注技術(shù)的研究與現(xiàn)場應(yīng)用，取得一些認識如下：

（1）納米材料具有常規(guī)化學藥劑不具備的特性，納米顆粒表面存在大量的不飽和殘鍵和不同狀態(tài)的硅羥基，使得不同功能官能團接枝賦予納米顆粒不同的特性，如比表面增大效應(yīng)、表面吸附效應(yīng)、納米速度滑移效應(yīng)等。

（2）通過室內(nèi)實驗結(jié)果表明，納米材料與海上油田儲層具有很好的流體配伍性，降低流體的滲流阻力，使得原始滲透率由7.85 mD 上升到29.33 mD；對于存在黏土礦物較重的儲層，納米材料能在多孔介質(zhì)內(nèi)壁上形成疏水性覆膜，能夠抑制黏土水化膨脹，防止顆粒運移造成儲層堵塞。

（3）納米技術(shù)在現(xiàn)場應(yīng)用取得了良好的措施效果，注入壓力下降77%，注入量提高67%，改善了儲層的吸水能力。