2-D智能納米黑卡在低滲透油藏中的驅(qū)油性能評價*

楊景斌 ，侯吉瑞，屈 鳴，聞宇晨，梁 拓，吳偉鵬，趙夢丹，楊二龍

（1.中國石油大學(xué)（北京）非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院，北京 102249；2.中國石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點實驗室，北京 102249；3.東北石油大學(xué)教育部提高油氣采收率重點實驗室，黑龍江大慶 163318）

中國的低滲透油氣資源豐富，其中低滲透油藏油氣地質(zhì)儲量約占總油氣儲量的50%，分布廣，儲量大。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和研究的逐步深入，低滲透油氣開采儲量在我國的總開采量中所占的比重也在逐年上升［1-2］。但是由于低滲透油藏巖石埋藏致密、孔喉狹小、滲透性差等特點，常規(guī)油氣開采技術(shù)在低滲透油氣藏中難以起到較好的效果。水驅(qū)洗油效率低，波及體積小，注入壓力高；特低和超低滲油藏更是由于滲透率低，毛細(xì)管阻力大，常規(guī)注入也非常困難［3］。因此，開展低滲透油藏開采新技術(shù)的研究，探索低滲透油藏提高采收率的新方向具有重大的戰(zhàn)略意義［4-6］。

納米顆粒能有效降低界面張力，改變巖石潤濕性，可在一定程度上提高洗油效率［7-8］。SiO2納米顆粒因其表面效應(yīng)強，與驅(qū)替流體相容性好，相關(guān)的降壓增注技術(shù)已取得了一定的效果和研究認(rèn)識，并在油田現(xiàn)場開展了初步的試驗［9-12］。隨著新型納米技術(shù)的不斷發(fā)展和成功應(yīng)用，越來越多的納米材料和驅(qū)油技術(shù)被應(yīng)用于提高原油采收率［13-15］。中國石油大學(xué)（北京）自主研發(fā)的片狀新型納米材料的微觀形態(tài)類似“黑色卡片”。它不同于現(xiàn)有球狀納米材料與油水界面的“點-面”接觸［16］，而是與油水界面形成“面-面”接觸，效率高，用量少，界面作用極強，可充分發(fā)揮智能找油功能。其配伍性好，能在地層水、原油、土酸、聚合物、活性水、壓裂液以及多種有機溶劑中均勻分散，耐酸、耐堿，耐溫（300℃）、耐鹽（礦化度30×104mg/L）［17］。在油田常用措施工藝中，可發(fā)揮潤濕反轉(zhuǎn)、乳化、降黏、降低界面張力、洗油、穩(wěn)泡、降壓增注等多重功效［18-19］。納米片與殘余油滴表面持續(xù)接觸，對油滴的運移產(chǎn)生“潤滑效應(yīng)”，相當(dāng)于給油滴安裝“滑輪”，提高了原油的流動能力，有利于將原油從巖石表面剝離，因此，命名為“2-D智能納米黑卡”。本文使用一維低滲透巖心開展了2-D智能納米黑卡的驅(qū)替研究。通過改變宏觀實驗條件［20］，評價不同注入?yún)?shù)對2-D 智能納米黑卡提高原油采收率的影響，系統(tǒng)研究了2-D 智能納米黑卡在低滲透油藏中的注入性能，并分析探討了2-D 智能納米黑卡的驅(qū)油機理，為納米材料在油田開發(fā)中的應(yīng)用提供了一定的技術(shù)參考。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

實驗用驅(qū)替流體為中國石油大學(xué)（北京）自主研發(fā)的片狀新型納米材料—2-D 智能納米黑卡，其是由過渡金屬礦物在高壓微型反應(yīng)釜中反應(yīng)，經(jīng)冷卻、分離后制備而成，2-D智能納米黑卡溶液是由固體黑卡和地層水按照一定的比例混合，在超聲波作用下震蕩30 min后配制成的懸浮液；大慶油田取樣原油，25℃下的黏度分別為25 mPa·s和100 mPa·s；冀東油田高24 塊原油，黏度為15 Pa·s（室溫，后同）；遼河油田月東B島稠油，黏度為13160 mPa·s；塔河油田超稠油，黏度1800 Pa·s；大慶油田模擬地層水，25℃下的黏度為1.0 mPa·s、密度為1.0 g/mL［10］，礦化度7148.80 mg/L，離子組成（mg/L）為：Ca2+14.85、Mg2+14.96、K++Na+2426.21、CO32-197.66、HCO3-2160.08、Cl-2281.84、SO42-53.20；實驗用巖心為露頭圓柱巖心，長100 mm、直徑25 mm，滲透率為2.5×10-3數(shù)2500×10-3μm2。

圖1 巖心驅(qū)替實驗流程圖

SIGMA 500 掃描電子顯微鏡（SEM），德國卡爾蔡司公司；Dimension FastScan 原子力顯微鏡（AFM），美國Bruker 公司；DV2T 黏度計，美國Brookfield 公司；實驗設(shè)備主要包括：流量泵（工作壓力0數(shù)30 MPa，流速范圍0.01數(shù)200.00 mL/min）、活塞式中間容器（0.5數(shù)2 L，工作壓力≤32 MPa）、壓力監(jiān)測設(shè)備及壓力數(shù)據(jù)存儲記錄軟件（北京昆侖海岸傳感技術(shù)有限公司）、采出液計量裝置、巖心夾持器和六通閥等［21］。巖心驅(qū)替實驗流程圖見圖1。

1.2 實驗方法

（1）實驗步驟：①將巖心驅(qū)替裝置抽真空后，飽和模擬地層水，測定巖心的孔隙體積并計算孔隙度，以恒定的速率注入模擬地層水，記錄穩(wěn)定時的注水壓力并計算巖心滲透率［22-23］；②恒速條件下將巖心飽和模擬油，并恒溫靜置兩天進(jìn)行老化；③開展巖心水驅(qū)實驗，從注入端注入模擬地層水，直至出口端采出液中的含水率達(dá)到98%時停止注入；④按照設(shè)計的不同實驗參數(shù)注入2-D智能納米黑卡溶液，研究2-D智能納米黑卡溶液的驅(qū)油效果。

（2）巖心驅(qū)替實驗方案：①設(shè)計巖心滲透率分別為2.5×10-3、25×10-3、250×10-3、2500×10-3μm2，研究巖心滲透率的影響［13］；②設(shè)計黑卡質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.005%、0.01%，研究黑卡濃度的影響；③設(shè)計原油黏度分別為25 mPa·s（25℃）、100 mPa·s（25℃），研究原油黏度的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 2-D智能納米黑卡靜態(tài)性能

2.1.1 粒徑測定及微觀結(jié)構(gòu)

片狀新型納米材料2-D智能納米黑卡是一種黑色粉末狀固體，表面呈現(xiàn)金屬光澤。用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察顆粒的微觀結(jié)構(gòu)并結(jié)合原子力顯微鏡（AFM）分析顆粒的尺寸。由圖2 可見，片狀2-D 智能納米黑卡面積約60 nm×80 nm。由圖3 AFM 照片以及測試區(qū)域納米片的相應(yīng)高度分布可見，2-D 智能納米黑卡平均厚度約為1.2 nm，即片狀2-D 智能納米黑卡的尺寸約為60 nm×80 nm×1.2 nm。

圖2 2-D智能黑卡實物照片

圖3 2-D智能黑卡AFM照片（a）及納米片高度分布圖（b）

2.1.2 潤濕性

液體在與固體接觸時沿固體表面擴展的現(xiàn)象稱為液體潤濕固體［24-25］，通常用接觸角來反映潤濕的程度。在液、固、氣三相的交界處作液體表面的切線與固體表面的切線，兩切線通過液體內(nèi)部所成的夾角θ即稱為接觸角。通過測量蒸餾水滴在片狀2-D智能納米黑卡上的靜態(tài)接觸角來評價其潤濕性能。實驗結(jié)果表明，將5 μL蒸餾水滴在片狀2-D智能納米黑卡上的靜態(tài)接觸角為91°。根據(jù)接觸角與潤濕性的關(guān)系可知，當(dāng)接觸角等于90°時，呈現(xiàn)中性潤濕狀態(tài)，因此片狀2-D 智能納米黑卡具有中性濕潤的特性。這說明片狀2-D 智能納米黑卡在油/水中具有兩親的潛力，能夠?qū)崿F(xiàn)強親油-親水性質(zhì)，隨注水井注入油藏后發(fā)揮“智能找油”的功能，在離散化的油水界面形成穩(wěn)定的吸附層，實現(xiàn)油藏降黏效果。

2.1.3 界面性質(zhì)

將片狀2-D智能納米黑卡注入油/水中，觀察其注入前、后油/水界面的變化，分析片狀2-D 智能納米黑卡對油/水界面性能的影響，實驗結(jié)果如圖4所示。由圖4（a）可見，在高界面張力作用下油/水間出現(xiàn)了凹液面。由圖4（b）可見，將片狀2-D 智能納米黑卡慢慢注入油/水后，納米片吸附在油水界面上，極少量納米片沉淀在底部。黑卡密度為4.8 g/cm3，這說明片狀2-D 智能納米黑卡具有極強的親油-親水性質(zhì)，油/水間的界面張力降低，使得油/水間的凹液面轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫妫?6］。另外，當(dāng)加入的片狀2-D 智能納米黑卡過量時（圖4（c）），納米片會大量吸附于油水界面上，吸附厚度達(dá)到3 mm，沒有因密度遠(yuǎn)大于水而沉淀，這種強界面吸附有利于改善油水界面的性質(zhì)，實現(xiàn)“自動找油”。為進(jìn)一步研究片狀2-D 智能納米黑卡對油/水界面性能的影響，分別將片狀2-D 智能納米黑卡從油相和水相中注入，觀察對油/水界面的影響。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，從油相中注入片狀2-D智能納米黑卡和從水相中注入的結(jié)果相同。注入過量的片狀2-D 智能納米黑卡最終都會吸附在油/水界面上，改善油/水界面的性質(zhì)，從而使得油濕表面變?yōu)橹行詽駶櫋?-D智能納米黑卡在油水界面之間形成2-D 納米片吸附層，降低界面張力至0.04 mN/m。不同于表面活性劑的兩親分子單層吸附，2-D納米片在油水界面呈面狀、多層吸附［27］。

圖4 2-D智能納米黑卡對油/水界面性能的影響

2.1.4 分散穩(wěn)定性

選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.005%的高濃縮片狀2-D 智能納米黑卡進(jìn)行分散穩(wěn)定性的評價。常溫下靜置溶液30 d無明顯沉降。將片狀2-D智能納米黑卡溶液運輸至塔河油田井場，稀釋500數(shù)1000 倍，輕微攪拌后即可形成穩(wěn)定分散溶液。實驗結(jié)果表明，0.005%的片狀2-D智能納米黑卡可均一、穩(wěn)定分散在水相中。

2.1.5 乳化降黏性

將0.005%的2-D 智能納米黑卡溶液以質(zhì)量比3∶7與冀東稠油（黏度15 Pa·s）混合，在室溫下用攪拌機將其混合均勻，用黏度計（6 r/min、室溫）測得混合物的黏度為6 mPa·s，降黏率達(dá)到99.9%；將0.005%的2-D智能納米黑卡溶液以質(zhì)量比3∶7與遼河油田月東B 島稠油混合攪拌均勻后，常溫下黏度由13160 mPa·s 降至7 mPa·s，降黏率達(dá)到99.9%。片狀2-D 智能納米黑卡體系對冀東油田稠油、遼河油田稠油乳化降黏后的微觀圖像見圖5。由圖可見，2-D 智能納米黑卡與原油接觸后，原油發(fā)生乳化，形成穩(wěn)定的納米級乳狀液，從而起到降低原油黏度的效果。塔河油田超稠油（1800 Pa·s）常溫下為固體，按照質(zhì)量比1∶1 加入2-D 智能納米黑卡溶液，黏度降至20 Pa·s。原油黏度的降低，可改善水油流度比，提高最終采收率。

圖5 納米黑卡體系對稠油乳化降黏后的微觀圖像

2.2 驅(qū)油效果

通過改變實驗參數(shù)進(jìn)行一維巖心驅(qū)替實驗，考察巖心滲透率、黑卡濃度以及原油黏度對2-D 智能納米黑卡溶液驅(qū)油效果的影響，研究2-D 智能納米黑卡的最佳注入?yún)?shù)。

2.2.1 巖心滲透率的影響

選取0.005%的2-D 智能納米黑卡溶液及黏度為25、100 mPa·s的原油進(jìn)行巖心驅(qū)替實驗，巖心滲透率對納米黑卡溶液驅(qū)油效果的影響見表1。在原油黏度相同的條件下，隨巖心滲透率增加，納米黑卡溶液驅(qū)的采收率增幅先增加后降低，采收率增幅在11%數(shù)19%之間。巖心滲透率為25×10-3μm2時，納米黑卡溶液的驅(qū)油效果最好，最高采收率增幅為18.10%。與高滲透性巖心相比，低滲透性巖心具有更高的比表面積，因此在低滲透巖心中黑卡與油的接觸時間更長，可以從孔隙表面解吸更多的油［24］。因此，選取滲透率為25×10-3μm2的巖心進(jìn)一步研究2-D智能納米黑卡溶液體系在多孔介質(zhì)中的流動特征和驅(qū)油效果。

表1 巖心滲透率對0.005%納米黑卡溶液驅(qū)油效果的影響

在滲透率為25×10-3μm2的巖心中，水驅(qū)到6 PV時注入0.005%2-D智能納米黑卡溶液，納米黑卡注入前后的注入壓力變化見圖6。從壓力曲線看，在水驅(qū)油階段，注入壓力先上升后下降，當(dāng)注入1.2 PV水時，注入壓力上升到最高值，達(dá)到1.2 MPa。隨后由于巖心中的油不斷地被采出，注入壓力迅速下降，最終由于水突破效應(yīng)導(dǎo)致注入壓力趨于平穩(wěn)；當(dāng)注入納米黑卡溶液后，黑卡溶液在孔喉較小的區(qū)域形成臨時堵塞效應(yīng)，注入壓力先有小幅增加，后迅速下降。在驅(qū)替實驗過程中，由于黑卡和油的相互作用在兩相界面上產(chǎn)生了滲透壓，促使油形成楔形形狀，同時滲透壓在該界面處產(chǎn)生額外的壓力，從而使黑卡流體在楔形區(qū)域中向前運動，然后在大量液體的壓力驅(qū)動下，黑卡流體能沿著表面擴散從而使巖心中的油滴脫落。另外，2-D 智能納米黑卡的中性潤濕性質(zhì)也可降低巖心的毛細(xì)管力，有利于驅(qū)替剩余油。由此可見，2-D 智能納米黑卡具有降低注入壓力的效果［11-12］。

2.2.2 納米黑卡濃度的影響

0.01%的2-D 智能納米黑卡溶液對巖心的驅(qū)油效果見表2。當(dāng)原油黏度為25、100 mPa·s 時，2-D智能納米黑卡體系在巖心滲透率為25×10-3μm2時的驅(qū)油效果最佳，采收率增幅分別為18.76%和17.06%。與表1 中2-D 智能納米黑卡質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.005%時相比，黑卡質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%的驅(qū)油效果略好。這是由于水驅(qū)過程中出現(xiàn)的黏性指進(jìn)效應(yīng)，使得油/水界面產(chǎn)生了沿著壁面的高界面張力油膜。隨著2-D 智能納米黑卡溶液的注入，納米黑卡吸附于巖石表面，并將巖石表面的潤濕性從油潤濕改變?yōu)橹行詽駶?，從而使得油膜脫離壁面，然后在黑卡流體的回旋式流動效應(yīng)下，剩余油滴聚并，形成近活塞驅(qū)替，從而將脫離出的油驅(qū)替出來，增加了原油的采收率［16-18］。

圖6 注入2-D智能納米黑卡溶液前后的壓力變化

表2 0.01% 2-D智能納米黑卡溶液的驅(qū)油效果

在巖心滲透率為25×10-3μm2的巖心驅(qū)替模型中，不同黑卡濃度下的采出程度不同。在原油黏度為25 mPa·s 的條件下，當(dāng)黑卡質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.005%時，水驅(qū)采收率為52.35%，最終采收率為70.45%；當(dāng)黑卡質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%時，水驅(qū)采收率為51.3%，最終采收率為70.06%。0.005%和0.01%2-D智能納米黑卡體系的采收率增幅分別為18.10%和18.76%。在原油黏度為100 mPa·s 的條件下，當(dāng)黑卡質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.005%時，水驅(qū)采收率為47.5%，最終采收率為63.75%；當(dāng)黑卡質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%時，水驅(qū)采收率為47.21%，最終采收率為64.27%。0.005%和0.01%2-D智能納米黑卡體系的采收率增幅分別為16.25%和17.06%。與黑卡加量為0.005%相比，0.01%的納米黑卡體系驅(qū)油效果略好，但考慮到材料成本及經(jīng)濟效益等方面的因素，2-D 智能納米黑卡溶液適宜的加量為0.005%。

2.2.3 原油黏度的影響

由表2可見，2-D智能納米黑卡體系在低黏度油（25 mPa·s）下的水驅(qū)采收率為51.30%，最終采收率為70.06%，采收率增幅為18.76%；在高黏度油（100 mPa·s）下的水驅(qū)采收率為47.21%，最終采收率為64.27%，采收率增幅為17.06%。2-D 智能納米黑卡在低黏度油和高黏度油的驅(qū)替中均可以發(fā)揮重要作用，但在低黏度油（25 mPa·s）驅(qū)替中采收率增幅大，驅(qū)油效果較好。這主要是由于黑卡更易與低黏度油表面接觸，在兩相界面上產(chǎn)生表面張力梯度，從而形成微觀回旋式流動，導(dǎo)致油和黑卡溶液界面附近呈現(xiàn)出對流的流動現(xiàn)象［28］。2-D智能納米黑卡的微觀回旋式流動有利于提高驅(qū)替效率，能使黑卡與剩余油滴表面持續(xù)接觸，對油滴的運移產(chǎn)生“潤滑效應(yīng)”，類似于給油滴安裝“滑輪”，提高原油的流動能力，有利于將附近的微小剩余油滴聚集在一起，在對流作用的驅(qū)動下將其采出。

綜上，通過對巖心驅(qū)油實驗結(jié)果的分析，2-D智能納米黑卡在滲透率為25×10-3μm2的巖心驅(qū)替模型、25 mPa·s的原油黏度和0.005%的黑卡加量下取得了較好的驅(qū)油效果。

3 結(jié)論

2-D智能納米黑卡作為納米尺度下的一種驅(qū)油用體系，能改變巖石潤濕性，降低毛管阻力，將油膜從巖石表面剝離，2D納米片具有強親油-親水性質(zhì)，在水相中均一、穩(wěn)定分散，能很好地降低油水界面張力，在離散化的油水界面形成穩(wěn)定的吸附層，乳化降黏效果較好；隨注水井注入油藏后發(fā)揮“智能找油”功能，可應(yīng)用于低滲透油藏，提高驅(qū)油效率。

巖心滲透率、原油黏度、2-D智能納米黑卡溶液濃度對驅(qū)油效果均有影響。2-D智能納米黑卡溶液具有降壓增注的效果，在巖心滲透率為25×10-3μm2、黑卡加量為0.005%、原油黏度為25 mPa·s 時，2-D智能納米黑卡溶液能發(fā)揮較好的驅(qū)油效果。