多功能生物納米材料性能評價研究與現場應用

李勝勝，馮 青，孫艷妮，李嘯南，曾 鳴

（1.中海油服油田生產研究院，天津 300459；2.廣東南油服務有限公司天津分公司，天津 300450）

海上油田開發中，由于儲層原始滲透率低、注入水質不達標、礦化度高等原因，普遍存在注水井壓力隨時間升高，導致注水泵負荷過大，注水效率降低，高壓欠注等問題，為了解決實際生產中注水壓力高的問題，一般采用酸化、微壓裂等常規解堵措施，但這些措施經過多輪次之后，儲層可供溶蝕的巖石顆粒越來越少，常規解堵措施有效期則越來越短[1-6]；再加上此類油藏的泥質含量較高易堵塞井筒周圍，導致油井受效明顯下降。通常采取的措施是往地層擠入聚合物類黏土穩定劑，但該類措施無法減輕新生黏土發生膨脹的可能性[7-11]。因此，有必要對注水井的堵塞機理及其對注入過程的影響進行研究，并相應的提出增注措施。

納米技術是20 世紀80 年代末新發展起來的技術，主要研究組成尺寸在0.1～100.0 nm 的物質體系運動規律和相互作用，及其在各個領域應用的一門嶄新的綜合性科學技術。其中納米材料也被用于油田解堵、除垢、減壓增注的運用中來，納米技術運用的關鍵是通過表面改性和表面包覆等手段控制納米材料的表面物理化學性質。納米材料的應用主要通過在注入井工作液中添加納米顆粒或納米復合材料來實現[12-16]。

針對以上問題本文研發了具有長效增注特點的多功能生物納米材料，并開展了生物納米防膨性能、疏水性能以及耐沖刷性能室內實驗研究，結果表明，生物納米顆粒具有良好的防膨效果、可以使地層巖石表面潤濕反轉以及具備長期增注有效性，可以達到注水井降壓增注的目的，并應用于海上油田三口井，取得了較好效果。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

蒸餾水、BNP（生物納米增注體系：主要成分為改性納米二氧化硅、生物納米乳化劑以及生物納米活化劑）、KCl（氯化鉀）、NH4Cl（氯化銨）、模擬地層水（20 000 mg/L）、CH3COOH（乙酸）、HCl（鹽酸）、HF（氫氟酸）、CaCl2（氯化鈣）、MgCl2（氯化鎂）、Na2SO4（硫酸鈉）、鈉膨潤土、煤油以及人造均質巖心（規格25 mm×60～80 mm，圓形巖心柱）。

電烘箱（奇聯電力設備有限公司）、干燥器、電子天平、具塞刻度試管、燒杯、容量瓶、移液槍、載玻片、ATR-FTIR 紅外光譜儀（賽默飛世爾科技（中國）有限公司）、FEI 掃描電子顯微鏡（日立高新技術公司）、KRUSS DSA100S 接觸角測定儀（德國克呂士公司）以及HKY 驅替流動實驗裝置（海安縣石油科研儀器有限公司）。

1.2 性能測定方法

（1）耐沖刷性能：依據SY/T 5345-2007《巖石中兩相相對滲透率測定方法》標準進行測定；

（2）防膨性能：依據SY/T 5971-2016《油氣田壓裂酸化及注水用黏土穩定劑性能評價方法》標準進行測定；

（3）疏水性能：依據GB/T 36086-2018《納米技術納米粉體接觸角測量Washburn 動態壓力法》標準進行測定。

2 結果與討論

2.1 防膨性能評價

結合SY/T 5971-2016 標準進行測定各樣品的防膨率，通過靜置黏土礦物沉降到帶刻度的具塞試管底部，讀出各個試管內的黏土礦物的膨脹高度并記錄，并通過以下公式來計算防膨率：

其中：H1－鈉土在蒸餾水中的膨脹體積，mL；H2－鈉土在防膨劑中的膨脹體積，mL；H3－鈉土在煤油中的膨脹體積，mL。

結果（見表1，圖1～圖4），分析得出，生物納米顆粒溶液的防膨性能好于其他幾類產品，納米溶液浸泡過的黏土片，阻止水進入黏土內部，表面形成疏水薄膜，具備較好束膨作用，防膨率達到90%以上。

表1 幾種防膨劑防膨性能測定結果

圖1 黏土分別在水、煤油中浸泡72 h 后的膨脹情況

圖2 黏土分別在BNP、KCl 不同稀釋比例溶液中浸泡72 h 后的膨脹情況

圖3 黏土分別在NH4Cl、乙酸不同稀釋比例溶液中浸泡72 h 后的膨脹情況

圖4 黏土分別在模擬地層水、土酸不同稀釋比例溶液中浸泡72 h 后的膨脹情況

2.2 疏水性能評價

將浸泡后的巖樣切片放入BNP 濃度為0.025%、0.05%、0.75%、1%溶液中，密封燒杯后放入55 ℃烘箱中吸附24 h。將吸附后的巖樣切片用水沖刷30 min，在55 ℃高溫下烘干后并用接觸角測定儀測量水滴在其表面的接觸角。結合GB/T 36086-2018 測定接觸角，記錄數據。

由接觸角圖可知結果（見圖5～圖7），未處理的巖石表現為強水濕，巖石表面粗糙，在毛管力作用水滴在其表面會很快滲入，只能看到潤濕斑，幾乎沒有任何液體在巖石表面形成可以測接觸角的液滴。低濃度BNP（0.025%）處理后，巖石表面潤濕性仍為親水，但這時由于表面吸附有少量的生物納米顆粒，因此巖石表面能有所降低，水滴在其表面不能完全滲入，呈一定角度，但仍表現出親水性。隨顆粒濃度的增大，巖石表面能降低，角度也越來越大，當BNP 濃度達到0.05%時，巖石表面能低于水，潤濕性接近中性潤濕。濃度大于0.75%時，巖石表面為油潤濕，但接觸度變化不大，這可能是因為濃度繼續增大時，巖石表面吸附生物納米顆粒達到飽和，顆粒的吸附量不再增加，因此接觸角變化不大。本評價過程能證明生物納米顆粒能吸附在巖石表面，將巖石表面由親水轉變為疏水，能達到生物納米增注過程使地層巖石表面潤濕反轉的目的。

圖5 吸附不同濃度BNP 的巖心片（從左到右0.025%、0.05%、0.75%、1%）

圖6 吸附不同濃度BNP 的巖心片接觸角測試（從左到右：空白、0.025%、0.05%、0.75%、1%）

圖7 不同BNP 含量與接觸角變化圖

2.3 耐沖刷性能評價

相較于表面活性劑，生物納米顆粒的吸附與巖石表面的持續時間更長，其耐沖刷能力體現在，連續注入模擬地層水沖刷30～50 PV 之后，滲透率保持升高趨勢，仍具有明顯的提高滲透率的效果（見表2）。

表2 驅替實驗參數

Z1 巖心在注入模擬地層水的過程當中，初始滲透率穩定在4.26 mD，注入3 PV 納米液后，靜置24 h。然后再注入模擬地層水，在注模擬地層水開始的5 PV內，滲透率逐漸下降至3.00 mD，可能是巖心膠黏程度大，連通性較差，導致孔喉輕微堵塞所致。隨后連續注入50 PV 模擬地層水，Z1 巖心的水相滲透率不斷增長，趨于穩定4.81 mD，滲透率提高了12.9%。該結果說明CDS12 吸附性強，附著在巖心表面后不易被水流沖刷而脫附，具有長期有效性（見圖8）。

圖8 Z1 巖心驅替曲線

Z2 巖心在注入模擬地層水的過程當中，水相滲透率隨注入PV 增加而減小，初始滲透率穩定在11.06 mD，注入3 PV 納米液后，靜置24 h。然后再注入模擬地層水，在注模擬地層水開始的7.5 PV 內，滲透率先下降至9.3 mD。隨后繼續注入40 PV 模擬地層水，8#巖心的水相滲透率不斷增長，最終穩定在14.15 mD，滲透率提高了30.4%。Z2 巖心初始滲透率比Z1 巖心高，遇水黏土膨脹反應更強，體現在初始水驅滲透率下降這一參數上，再經過相同的CDS12 處理后，Z2 巖心的滲透率提升更明顯，說明改性疏水納米SiO2顆粒的增注效果受巖心本身物性的影響，在初始滲透率＞10 mD 的巖心效果更明顯（見圖9）。

圖9 Z2 巖心驅替曲線

3 現場應用情況

海上油田B1、B2、B3 三口井均為注水井，B1 井2016 年8 月開始投注，B2 井2017 年1 月開始投注，B3 井2018 年3 月開始投注，三口井生產存在以下問題：儲層物性差，平均孔隙度17.9%～21.2%，平均滲透率40～70 mD；層內非均質性強，滲透率級差大；泥質含量重，存在黏土水化膨脹問題；吸水指數低：1.72～7 m3/（d·MPa）；注入壓力高14.5～16 MPa，注入量31～50 m3/d，達不到配注量。

2021 年3 月多功能生物納米材料應用于B1、B2、B3 三口井，措施后注入壓力平均降低40.6%；視吸水指數平均提高了4.4 倍；注水量平均提高了2.4 倍；目前平均有效期已達11 個月，且至今有效，周邊油井累增油4.9×104m3（見圖10，圖11）。

圖10 措施前、后注入壓力與視吸水指數變化

圖11 措施前、后注入量變化

該項技術在海上油田三口井實施后，起到降壓、增注、防膨等多種功效。研究成果得出，此技術在中低滲透油田增產增注方面存在良好的前景。

4 結論

通過多功能生物納米材料性能評價研究與現場應用，取得一些認識如下：

（1）生物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砂巖表面的水膜吸附于巖石表面，使其由親水性轉變成疏水性，減小注入水流動阻力，可以防止黏土礦物裸露。

（2）生物納米集成了增注劑以及防膨劑的顯著優勢，實現了注水井降壓增注以及防止黏土膨脹的多重功能，并且具有穩定納米覆膜，耐沖刷性強度高，提高了措施有效期。

（3）多功能生物納米材料在現場應用取得了良好的措施效果，注入壓力平均下降了40.6%，視吸水指數平均提高了4.4 倍，注入量平均提高了2.4 倍，改善了儲層的吸水能力。