納米聚硅材料降壓效果實(shí)驗(yàn)研究

黃貴花，楊文博，賈紅娟

(延長(zhǎng)油田股份有限公司 勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)研究中心，陜西 延安 716001)

0 引言

目前我國(guó)大部分低滲透油田都進(jìn)入到開(kāi)發(fā)中后期, 由于油藏物性條件差, 導(dǎo)致注水開(kāi)發(fā)難度逐年增大, 注入壓力偏高, 注水井注入量較低, 嚴(yán)重制約了油田的發(fā)展[1]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者有針對(duì)性地開(kāi)展了大量水井降壓增注研究工作, 形成了系列降壓增注工藝技術(shù), 概括起來(lái)主要有化學(xué)降壓增注技術(shù)、物理降壓增注技術(shù)以及物理+化學(xué)復(fù)合降壓增注技術(shù), 但都不同程度的存在環(huán)境污染、成本高等問(wèn)題, 效果并不理想[2-4]。納米聚硅材料作為一項(xiàng)新興的無(wú)污染材料，為解決這一問(wèn)題提供了新的思路。在合適的溶液中，納米聚硅材料能夠迅速均勻分散并懸浮，納米聚硅乳液注入地層后遇鹽破乳，納米聚硅顆粒從乳液中釋放出來(lái)，進(jìn)入巖石孔隙后，吸附于巖石孔隙內(nèi)表面，驅(qū)趕走水化膜[5-7]。由于納米微粒的表面效應(yīng)，納米粒子表現(xiàn)為強(qiáng)憎水，當(dāng)吸附在巖石表面后，會(huì)排斥巖石孔隙表面的水，使巖石潤(rùn)濕性發(fā)生改變，由親水性轉(zhuǎn)變成親油性，進(jìn)而提高水相的相對(duì)滲透率，使得注水井注入壓力降低，注入量升高[8-10]。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料準(zhǔn)備

選取納米聚硅材料(納米聚硅顆粒主劑A及輔劑B)；NaOH堿片；選取長(zhǎng)2.5～9.0 cm、直徑2.5 cm且經(jīng)過(guò)洗油、洗鹽、飽和過(guò)后的天然巖心；蒸餾水、乙醇、氯化銨(分析級(jí))；DSA25接觸角測(cè)定儀，美國(guó)ISCO驅(qū)替泵及其他巖心流動(dòng)性驅(qū)替相關(guān)實(shí)驗(yàn)器材，如圖1所示。

圖1 美國(guó)ISCO泵實(shí)物圖Fig.1 Physical picture of ISCO pump in USA

1.2 納米聚硅液制備

在1 L蒸餾水中加入NaOH堿片1.2 g，邊攪拌邊升溫至50 ℃后加入0.7 g輔劑B，待攪拌均勻，再加入1.8 g納米聚硅顆粒主劑A，繼續(xù)攪拌升溫直至80 ℃以上，待到溶液變?yōu)槌吻逋该鳎鋮s后即可完成納米聚硅乳液的配制。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1.3.1 潤(rùn)濕角的測(cè)量

1)取4塊天然巖樣并切片，將其放在60 ℃以下1∶1乙醇和水的混合溶液中浸泡1 h以上，取出烘干。將切片巖樣放置在DSA25接觸角測(cè)定儀上，測(cè)量純水在其表面的接觸角為處理前接觸角；

2)將上述4塊切片巖樣放在經(jīng)過(guò)破乳后的納米聚硅乳液里浸泡48 h后，使切片巖樣充分吸附納米聚硅顆粒，用牙刷將巖心片表面刷凈，測(cè)量水滴在吸附了納米聚硅顆粒后的切片巖樣表面的接觸角為處理后的接觸角。

1.3.2 納米聚硅材料降壓效果室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

1)在恒溫箱升溫至50 ℃的實(shí)驗(yàn)條件下，用3%氯化銨鹽水驅(qū)替巖心，記錄不同注入孔隙體積倍數(shù)和入口端壓力；

2)當(dāng)注入50倍孔隙體積后，注入1.0倍孔隙體積倍數(shù)自來(lái)水作為隔離液，注入0.18%納米聚硅乳液1.0～1.5倍孔隙體積倍數(shù)，關(guān)閉巖心兩端的閥門，將溫度升至70 ℃并放置72 h，待納米聚硅乳液破乳后納米聚硅顆粒咐附在巖樣孔隙壁面；

3)清洗注水管線及巖心端面，用3%氯化銨鹽水驅(qū)替巖心至壓力穩(wěn)定，同時(shí)記錄不同驅(qū)替孔隙體積倍數(shù)和入口端壓力，分析比較注入納米聚硅材料前后入口端壓力的變化情況。

2 結(jié)果分析

2.1 納米聚硅材料對(duì)巖樣的親油性分析

低滲透油藏受長(zhǎng)期注水影響，液流對(duì)注水井近井地帶的機(jī)械沖刷作用不斷增強(qiáng)，注入水長(zhǎng)期沖洗油藏巖石表面，使巖石表面油濕部位吸附的油膜脫落，巖石的宏觀潤(rùn)濕性轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性。未經(jīng)納米聚硅材料處理前，為了模擬注水井注水開(kāi)發(fā)中后期地層的潤(rùn)濕性，4塊巖樣經(jīng)過(guò)處理后都恢復(fù)成了實(shí)時(shí)巖石本身的親水特性，潤(rùn)濕接觸角都小于45°，如圖2所示。

圖2 巖樣切片納米處理前潤(rùn)濕性測(cè)定圖像Fig.2 The image of wettability measurement of rock sample slice before nano-processing

為研究納米聚硅材料對(duì)巖石潤(rùn)濕性的影響，對(duì)4塊巖樣進(jìn)行納米乳液浸泡處理，并測(cè)量水滴在吸附了納米聚硅顆粒后的切片巖樣表面的接觸角，如圖3所示。可以看出，4塊切片巖樣經(jīng)納米聚硅乳液浸泡處理后潤(rùn)濕接觸角均有不同的改變(95.35°～140.65°)，平均潤(rùn)濕接觸角為117.96°，如表1所示。

圖3 巖樣切片納米處理后潤(rùn)濕性測(cè)定圖像Fig.3 The image of wettability determination of rock sample slices after nano-processing

表1 潤(rùn)濕性測(cè)量

由表1可以看出，4種不同滲透率水平的巖樣，經(jīng)過(guò)納米聚硅材料處理后，潤(rùn)濕接觸角均發(fā)生較大改變，表現(xiàn)出隨著滲透率的減小，潤(rùn)濕角變化值增大的趨勢(shì)，潤(rùn)濕接觸角平均變化值為89.61°。依據(jù)表2所示[11]潤(rùn)濕性分類標(biāo)準(zhǔn)，納米聚硅體系具有潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)的作用，能將巖樣從親水性向親油性轉(zhuǎn)變，進(jìn)而減小孔隙縮徑產(chǎn)生的滲透率傷害。

表2 潤(rùn)濕性分類表Table 2 Classification of wettability

2.2 納米聚硅材料降壓增注實(shí)驗(yàn)效果分析

為研究納米聚硅材料對(duì)巖樣的降壓效果，選取了6塊不同物性的巖心做納米聚硅材料降壓增注實(shí)驗(yàn)，以注入倍數(shù)為橫坐標(biāo)、注入壓力為縱坐標(biāo)，繪制納米材料處理前后的注入倍數(shù)與注入壓力的曲線圖，如圖4所示。

圖4 納米聚硅材料降壓效果前后對(duì)比圖Fig.4 Comparison of depressurization effect of nano-polysilicon

通過(guò)圖4可以看出，納米聚硅材料對(duì)不同滲透率水平的巖樣具有不同的降壓效果，其中對(duì)YC-8巖樣的降壓效果最明顯，降壓幅度為36.5%，對(duì)YC-10巖樣沒(méi)有明顯的降壓效果。對(duì)納米聚硅材料處理前后的巖樣的降壓實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算得到不同物性條件巖樣的降壓幅度，如表4所示。

表4 納米聚硅材料降壓效果統(tǒng)計(jì)表

對(duì)比分析圖4和表4可以看出，滲透率為1.51×10-3～5.14×10-3μm2的巖樣納米聚硅材料降壓效果較好，其中滲透率為2.63×10-3μm2時(shí)效果最好。對(duì)滲透率為8.86×10-3μm2的巖樣作用效果較低，同時(shí)該材料不適用于滲透率低于0.56×10-3μm2的巖樣。其中最高降壓幅度36.5%，最低降壓幅度1.69%，平均降壓幅度22.16%。若僅考慮作用效果較好的巖樣的降壓效果時(shí)，則平均降壓幅度為27.7%，變化為18.2%～36.5%。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明納米聚硅材料可以降低注水井注入壓力，但具有一定的有效性和適用性。在長(zhǎng)期的注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中，孔隙壁面吸附有一定厚度的水膜，占據(jù)一定的孔隙截面。但滲透率高于8.86×10-3μm2的滲透性較好的巖樣整體上具有孔隙及孔喉較大、連通性好的特點(diǎn)，與孔隙截面相比，吸附水膜的縮徑作用對(duì)流體的限、阻流作用有限。當(dāng)納米聚硅材料注入地層后，雖然也能降低吸附水膜，但對(duì)液流的流動(dòng)能力改善幅度不大，故納米聚硅顆粒對(duì)滲透性較好巖樣的降壓效果一般[12-13]。

對(duì)于滲透率低于0.56×10-3μm2的巖樣來(lái)說(shuō)，其孔隙結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，孔隙及孔喉細(xì)小，連通性較差，孔隙迂曲度大。受制于復(fù)雜孔隙通道，納米聚硅顆粒在巖樣中的流動(dòng)能力和流動(dòng)范圍受限，容易發(fā)生團(tuán)聚并在喉道處堆積造成堵塞，引起注入壓力上升[14-16]，因此納米聚硅材料對(duì)該類巖樣的降壓效果不明顯。

只有對(duì)于滲透率為1.51×10-3～5.14×10-3μm2的巖樣，其大中孔隙及孔喉偏多，連通性較好，潤(rùn)濕性總體偏親水，納米聚硅顆粒對(duì)吸附水膜去除作用明顯，故對(duì)壓力降低的影響較大。

3 結(jié)論

1)納米聚硅材料具有潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)的作用，能將巖樣的親水性轉(zhuǎn)變?yōu)橛H油性。

2)對(duì)6塊巖樣開(kāi)展了納米聚硅材料降壓效果的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，結(jié)果表明該材料可以較好地降低注水壓力，但具有一定的有效性(有效率為83.3%)和適用性。對(duì)滲透率為1.51×10-3～5.14×10-3μm2的巖樣作用效果較好，對(duì)滲透率為8.86×10-3μm2的巖樣作用效果較低，同時(shí)該材料不適用于滲透率低于0.56×10-3μm2的巖樣。僅考慮降壓有效的巖樣時(shí)，該材料的平均降壓幅度為22.16%，變化為1.69%～36.5%。

3)納米聚硅顆粒經(jīng)配制成為納米聚硅乳液后，注入0.18%納米聚硅乳液1.0～1.5倍孔隙體積倍數(shù)，可以對(duì)注入儲(chǔ)層起到潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn)或改善的作用，增強(qiáng)儲(chǔ)層巖石的親油性并降低吸附水膜，擴(kuò)大孔隙的有效流動(dòng)半徑，降低流動(dòng)阻力。