GX-S型納米驅(qū)油劑的性能評價(jià)研究

劉 璐，唐 凡，徐春梅，王 慶，李 輝，姚瑞清

1西北大學(xué)化工學(xué)院 2中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院 3中國石油長慶油田分公司第六采氣廠 4陜西省石油化工學(xué)院

0 引言

鄂爾多斯盆地是典型的低滲透油藏的地區(qū)，且該地區(qū)目前儲(chǔ)量占比大[1]，是國內(nèi)油田穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的主戰(zhàn)場之一。由于該地區(qū)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，平均孔隙度只有10%左右、滲透率低于0.1 μm2[2]，致使開采難度大、水驅(qū)油效率低、開采成本高[3-4]。為此圍繞低滲透油藏的特點(diǎn)這些年以來人們開發(fā)了許多新的采油技術(shù)，而利用納米驅(qū)油劑提高采收率就是一種新的采油技術(shù)。

納米技術(shù)是一種新型產(chǎn)業(yè)，近些年來逐漸應(yīng)用在材料和制備、微電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)、醫(yī)學(xué)、航天航空、能源開采方面等各個(gè)行業(yè)[5-6]。其主要作用機(jī)理就是在一些溶液中加入納米顆粒作為驅(qū)油劑，一是相對于常規(guī)使用的表面活性劑其更能降低表面張力；二是由于其具有粒徑小，對于隙度小的低滲透油田其可以進(jìn)入一些更細(xì)小的孔道從而擴(kuò)大波及體積，從而可達(dá)到提高采出率目的；三是納米類驅(qū)油劑在油田的應(yīng)用不僅可以提高采收率，而且還具有增注、降壓的作用以及來源清潔和成本低的優(yōu)點(diǎn)[7-10]。基于上述原因，本文對自主開發(fā)的GX-S型納米驅(qū)油劑的粒徑改變[11]、降低界面張力[12-13]、改變巖石潤濕性[14]、吸附量[15]以及降低毛細(xì)管力[16-17]性能進(jìn)行了分析評價(jià)，重點(diǎn)對其驅(qū)油效果進(jìn)行研究，為該驅(qū)油劑在油田中進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供可靠的依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器及材料

克呂士接觸角測量儀，德國；FA2104S電子天平，上海精科天平廠；TG16G離心機(jī)，東晟儀器工廠，TX500C型懸滴界面張力儀，美國CNG公司；721型紫外分光光度計(jì)，上海光學(xué)儀器廠；馬爾文納米粒度及電位分析儀，英國馬爾文儀器有限公司。

GX-S納米驅(qū)油劑，自制；硫酸鈉、氯化鈉、氯化鎂、碳酸氫鈉、氯化鈣，分析純，山東德彥化工有限公司；模擬原油，中國中燃化工石油有限公司；人造巖心，0.5～2 mD，西安天鴻儀器儀表有限公司。

1.2 室內(nèi)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)驅(qū)替裝置流程見圖1。

圖1 LDY-Ⅲ型多功能巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置驅(qū)替實(shí)驗(yàn)流程圖

該裝置研究了不同礦化度、濃度、模擬地層溫度以及注入量下巖心對采收率的影響。實(shí)驗(yàn)時(shí)先對篩選的巖心進(jìn)行飽和油處理，測量巖心的含油飽和度；再進(jìn)行一次水驅(qū)、納米智能驅(qū)油劑驅(qū)以及二次水驅(qū)。

2 結(jié)果與討論

2.1 性能測定

2.1.1 粒徑測定

利用納米粒度及電位分析儀驅(qū)油劑產(chǎn)品原液進(jìn)行粒徑分布測定，室溫下稱取20 g白油于100 mL燒杯中，滴入樣品0.2 g，攪拌15 min后超聲分散5 min，測量其60 ℃下的粒徑分布，結(jié)果表明GX-S型納米驅(qū)油劑孔徑較小，范圍在28.5～54.5 nm，整體保持在100 nm以下。

2.1.2 界面張力測定

根據(jù)SY/T 5370—2018《表面及界面張力測定方法》中方法，采用旋轉(zhuǎn)液滴法測定60 ℃下納米驅(qū)油劑與模擬原油的界面張力。結(jié)果表明 GX-S型納米驅(qū)油劑接觸時(shí)間和驅(qū)油劑質(zhì)量濃度均會(huì)影響界面張力值。隨著質(zhì)量濃度的增大，驅(qū)油劑分散液界面張力逐漸減小，最低可降至0.981 mN/m左右。

2.1.3 接觸角測定

根據(jù)SY/T 5153—2017《油藏巖石潤濕性測定方法》，采用接觸角法進(jìn)行潤濕性測定。配制不同質(zhì)量濃度GX-S型納米驅(qū)油劑分散液，60 ℃下，與模擬原油以1∶1的體積比進(jìn)行混合，測量驅(qū)油劑分散液與模擬原油的接觸角。結(jié)果顯示隨著納米驅(qū)油劑分散液濃度的增加，接觸角均逐漸增大，這表明該驅(qū)油劑可改變巖石表面潤濕性，可將其從親水性改為疏水性。這是由于納米驅(qū)油劑的疏水端可以吸附在巖心的表面，由于極性一致，使得巖心表面油膜能優(yōu)先與分散液中親油基團(tuán)結(jié)合，使得接觸角增大，潤濕性逐漸發(fā)生改變。

2.1.4 吸附量測量

根據(jù)SY/T 6424—2014《復(fù)合驅(qū)油體系性能測試方法》，通過測定吸附前后吸附量的變化來衡量其吸附作用。在溫度60 ℃下，納米驅(qū)油劑吸附作用研究結(jié)果表明：隨著納米驅(qū)油劑分散液質(zhì)量濃度的增加，其吸附量逐漸增大，但其增加趨勢趨于平緩。

2.1.5 毛細(xì)管力分析

采用自主搭建的毛細(xì)作用分析系統(tǒng)進(jìn)行毛管阻力研究，主要由注入系統(tǒng)、毛細(xì)管束模型、顯微觀察系統(tǒng)、計(jì)量系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)五部分組成，在線模擬油藏真實(shí)狀況條件下研究的毛細(xì)阻力。結(jié)果顯示毛管壓力隨GX-S型納米驅(qū)油劑分散液質(zhì)量濃度的增大，其啟動(dòng)壓力梯度逐漸減小，后趨于平緩。啟動(dòng)壓力越少說明該驅(qū)油劑注入毛細(xì)管時(shí)的毛細(xì)阻力越小，注入能力越強(qiáng)。

2.2 驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 不同礦化度對采收率影響研究

在濃度為0.3 wt%、注入量0.3 PV、模擬地層溫度60 ℃條件下，選擇氣測滲透率相近的巖心A-2、A-2-9、A-4、A-4-9、A-3-9及A-3，探索注入不同地層水礦化度對驅(qū)油效果影響研究，結(jié)果見表1。

表1 不同地層水礦化度對驅(qū)油效果影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，在水驅(qū)油基礎(chǔ)上，注入納米驅(qū)油劑分散液后采收率均有不同程度的提高。但隨著注入地層水礦化度增大，采收率提高幅度逐漸平緩。這是由于納米驅(qū)油劑分散液中分子鏈呈負(fù)電，與驅(qū)替液中陽離子發(fā)生中和反應(yīng)，隨著注入地層水的礦化度越大，驅(qū)替液中陰陽離子的含量越多，中和反應(yīng)效果逐漸減弱，所以提高采收率幅度逐漸減小。根據(jù)本研究區(qū)塊地層水礦化度，本實(shí)驗(yàn)選用礦化度為30 000 mg/L地層水。通過記錄壓力及采出液量等數(shù)據(jù)來分析驅(qū)替過程，借助核磁共振 T2譜技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測驅(qū)替過程中不同孔隙中油的驅(qū)替規(guī)律和剩余油分布特征，在微觀程度上分析巖心內(nèi)部變化，其驅(qū)替曲線見圖2，核磁圖譜見圖3。

圖2 30 000 mg/L礦化度下驅(qū)替曲線

圖3 30 000 mg/L礦化度下核磁圖譜

由圖2可知，注入納米驅(qū)油劑分散液后，注入壓力由0.30 MPa升至0.33 MPa，壓力略呈上升趨勢，這是由于在波及更小的巖心孔隙通道時(shí)需要克服更大的阻力。在T2圖譜中，弛豫時(shí)間長短與巖心孔隙大小相對應(yīng)，弛豫時(shí)間越短則孔隙越小。在30 000 mg/L礦化度驅(qū)替實(shí)驗(yàn)中，飽和進(jìn)巖心的油主要集中在弛豫時(shí)間為0.14～1 930 ms的孔隙范圍內(nèi)。水驅(qū)油階段，弛豫時(shí)間為49～1 115 ms 之間孔隙內(nèi)的油被水部分驅(qū)出，部分殘余油受到水驅(qū)牽引作用發(fā)生了二次運(yùn)移，進(jìn)入到弛豫時(shí)間為0.43～3.22 ms的小孔隙中。在注入納米驅(qū)油劑后，曲線整體向左平移，即向小孔隙方向運(yùn)移，表明納米驅(qū)油劑可以在模擬地層水驅(qū)替平衡的基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)大巖心小孔隙的波及體積，同時(shí)，小孔隙內(nèi)信號幅度下降，表明驅(qū)油劑將該通道的油驅(qū)出。

2.2.2 不同濃度對驅(qū)油率影響研究

在注入量0.3 PV、模擬地層溫度60 ℃、30 000 mg/L礦化度下條件下，選擇氣測滲透率相近的巖心A-1、A-1-9、A-5、A-5-9、A-6及A-6-9，進(jìn)行不同驅(qū)油劑分散液濃度對驅(qū)油效果影響研究，結(jié)果見表2。

從表2可知，隨著驅(qū)油劑分散液注入濃度增大，采收率提高幅度先逐漸增大后趨于穩(wěn)定。在一定濃度范圍內(nèi)，由于GX-S型納米驅(qū)油劑分散液濃度增大，其活性物密度也越大，油水界面處張力降低、巖心潤濕性改變以及油水界面處吸附量增加，所以采出率提高幅度逐漸增大。但濃度過大時(shí)，驅(qū)油劑顆粒在油水界面處吸附逐漸減少，并不利于驅(qū)油效果的提升，所以采出率的提高幅度趨于穩(wěn)定。基于以上研究，本實(shí)驗(yàn)優(yōu)選質(zhì)量濃度為0.3 wt%。通過記錄壓力及采出液量等數(shù)據(jù)來分析驅(qū)替過程，借助核磁共振 T2譜技術(shù)觀察質(zhì)量濃度0.3 wt%的驅(qū)替液注入巖心后不同孔隙中油的驅(qū)替規(guī)律和剩余油分布特征及注入壓力和采收率的變化，結(jié)果見圖4～圖5。

表2 不同濃度對驅(qū)油效果影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4 0.3wt%濃度下驅(qū)替曲線

由圖4可知，隨著驅(qū)油劑分散液注入，壓力和采收率都會(huì)有所增大，而且驅(qū)油劑注入壓力高于水注入壓力是由于驅(qū)油劑可以更好的降低毛細(xì)管力，波及更小的空間。在核磁圖譜中注入GX-S型納米驅(qū)油劑分散液后，劑驅(qū)油曲線整體向左平移，即向小孔隙方向運(yùn)移。這表明納米驅(qū)油劑的加入，可以使界面張力降低、巖心表面潤濕性改變促進(jìn)殘余油的驅(qū)替。綜上所述，GX-S型納米驅(qū)油劑可以在模擬地層水驅(qū)替平衡的基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)大巖心的波及體積以及提高采出率。

2.2.3 不同溫度對采收率影響研究

在濃度0.3 wt%、礦化度30 000 mg/L、注入量0.3 PV條件下，選擇氣測滲透率相近的巖心A-8-9、A-2-9、A-8、A-2、A-7及A-7-9號，探索不同溫度對驅(qū)油率影響，結(jié)果見表3。由表3可知，驅(qū)替過程中注入不同濃度納米驅(qū)油劑分散液后其采收率提高幅度呈現(xiàn)先升高后降低趨勢。這是由于溫度不僅影響驅(qū)油劑分散液的黏度、流動(dòng)性及活性等，也影響巖心中油水的黏度比和水/油流度比。溫度升高，油水黏度比降低，有利于流體流動(dòng)，流度越大，流動(dòng)能力越強(qiáng)，流體流動(dòng)波及體積增大，有利于油采出。當(dāng)溫度升高至70 ℃時(shí)，其采收率提高幅度已增至11.25%，表明納米智能驅(qū)油劑在較高溫度下更有利于其發(fā)揮作用，所以70 ℃是一種理想溫度。通過記錄壓力及采出液量等數(shù)據(jù)來分析驅(qū)替過程，在70 ℃下借助核磁共振 T2譜技術(shù)驅(qū)替液注入巖心后不同孔隙中油的驅(qū)替規(guī)律和剩余油分布特征及注入壓力和采收率的變化，結(jié)果見圖6～圖7。

表3 不同溫度對驅(qū)油效果影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖6可知，注入納米驅(qū)油劑分散液后，注水壓力逐漸升高。70 ℃條件下，在T2圖譜中水驅(qū)油后弛豫時(shí)間為103～774.26 ms之間大孔隙內(nèi)的油被水部分驅(qū)出。同時(shí)，弛豫時(shí)間為0.62～5.57 ms小孔隙中的油被水帶到弛豫時(shí)間為5.57～28.86 ms的中間孔隙中。部分油受到水驅(qū)牽引作用發(fā)生了二次運(yùn)移，被水帶到弛豫時(shí)間為46.69～71.97 ms的孔隙中，在劑驅(qū)油階段，大孔隙主峰略微向左移動(dòng)，

圖6 70 ℃下驅(qū)替曲線

弛豫時(shí)間為5.57～28.86 ms的中間孔隙的油被流體大部分帶出，小部分運(yùn)移到弛豫時(shí)間為0.62～5.57 ms小孔隙中。這是由于溫度影響驅(qū)油劑分散液的黏度，溫度升高，黏度下降，驅(qū)油劑分散液減弱水分子間相互作用力的方法，是通過注“小分子”水來降低孔隙注入阻力，使原來注不進(jìn)水的孔隙變成可以注入水，大幅度增加波及體積。在水驅(qū)與劑驅(qū)共同作用，將孔道中的油帶出從而提高采出率。

3 結(jié)論

(1)GX-S型納米驅(qū)油劑理化參數(shù)檢測結(jié)果表明，開發(fā)的驅(qū)油劑在降低界面張力、改變巖石潤濕性、提高界面的吸附能力以及降低毛細(xì)管力時(shí)都表現(xiàn)出良好的性能，可以有效地提高驅(qū)替效率，說明該驅(qū)油劑具有良好的驅(qū)油性能和特征。

(2)室內(nèi)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果表明，在礦化度為30 000 mg/L、模擬地層溫度70 ℃下，當(dāng)GX-S型納米驅(qū)油劑分散液質(zhì)量濃度為0.3 wt%時(shí)，比單純的水驅(qū)采收率可提高11.25%。說明該驅(qū)油劑在低滲透油藏驅(qū)油領(lǐng)域有著良好的使用前景。