納米微片在海上稠油開(kāi)采中的應(yīng)用可行性實(shí)驗(yàn)研究

張強(qiáng)，陳士佳，李奇，吳曉燕，張軍輝，劉觀軍，任樹(shù)亮

（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 300452；2.海洋石油高效開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300452；3.中海油能源發(fā)展股份有限公司提高采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300452）

渤海油田探明儲(chǔ)量中55%左右為稠油儲(chǔ)量，其中普通稠油儲(chǔ)量占比51.9%，特稠油儲(chǔ)量占比為3.6%。目前稠油油藏的開(kāi)發(fā)主要通過(guò)冷采降黏和蒸汽熱采等方式開(kāi)展，但在海上平臺(tái)開(kāi)展冷采和熱采均存在成本高、施工難度大等問(wèn)題。因此，開(kāi)展海上油田稠油開(kāi)采新技術(shù)、新體系的研究，對(duì)于海上油田稠油提高采收率具有重要的意義[1-4]。針對(duì)渤海某稠油油田儲(chǔ)層高孔、中高滲的特征，地下原油黏度為400 mPa·s，階段開(kāi)采的含水率已達(dá)85%，需要開(kāi)發(fā)新型適宜稠油油藏開(kāi)發(fā)的體系，進(jìn)一步擴(kuò)大波及、提高洗油效率。納米材料是一種近幾年來(lái)新出現(xiàn)的智能材料，受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注[5-7]。在采油領(lǐng)域中，由于其具有獨(dú)特的小尺寸、高比表面、表面效應(yīng)強(qiáng)，可以有效的改變巖石的潤(rùn)濕性，具有獨(dú)到的驅(qū)洗效果。

本文選取納米微片作為研究對(duì)象，其為一種片狀的納米材料，呈金屬光澤的小顆粒，在油-水界面中易形成面-面的接觸，提高接觸效率。在常規(guī)的措施中，具有潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)、乳化降黏、洗油等性能。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)考察了納米微片與目標(biāo)油田的配伍性、界面特性、降黏-乳化性能以及驅(qū)替性能；通過(guò)微觀驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)了納米體系的驅(qū)油效果，分析其在海上油田應(yīng)用的可行性，為海上稠油高效開(kāi)發(fā)開(kāi)采提供新思路[8-10]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

渤海油田稠油油樣，黏度為400 mPa·s（油藏溫度52 ℃）；渤海某油田地層模擬水（礦化度9 200 mg/L），納米微片（片狀黑色納米材料，幾何尺寸60 nm×80 nm×1.2 nm）。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

DV2T 黏度計(jì)，TW20 恒溫水浴，動(dòng)靜態(tài)光散射儀，接觸角測(cè)試儀，ISCO 流量泵；活塞式中間容器（0.2～1 L，工作壓力≤32 MPa），壓力傳感器，30 cm×2.5 cm填砂管（工作壓力≤32 MPa）。

1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.3.1 納米微片靜態(tài)性能評(píng)價(jià) 利用模擬地層水配制不同濃度的納米微片溶液，采用動(dòng)靜態(tài)光散射儀測(cè)試其不同老化時(shí)間條件下的粒徑大小；利用接觸角測(cè)試儀測(cè)試其在油濕界面的潤(rùn)濕性能；將配制的溶液與原油配制不同含油率的油水混合樣，通過(guò)黏度計(jì)等測(cè)試其乳化降黏性能。

1.3.2 納米微片驅(qū)油性能評(píng)價(jià) 采用填砂管物理模擬模型為驅(qū)替巖心模型，將經(jīng)過(guò)處理后的填砂管模型抽真空后飽和模擬水、模擬油。利用恒速驅(qū)替泵開(kāi)展水驅(qū)實(shí)驗(yàn)，直至出口端采出液的含水率達(dá)到98%停止注入；按照設(shè)計(jì)的參數(shù)，注入納米微片溶液后；后續(xù)水驅(qū)至含水率98%停止實(shí)驗(yàn)，計(jì)算最終的驅(qū)油采收率，研究納米微片的驅(qū)油效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米微片的靜態(tài)性能評(píng)價(jià)

2.1.1 分散性能測(cè)試 選用納米微片不同濃度的溶液（濃度0.005%、0.010%、0.015%、0.020%）進(jìn)行分散性能測(cè)試，利用動(dòng)靜態(tài)光散射儀測(cè)試其在不同濃度、靜置不同時(shí)間后的粒徑分布，見(jiàn)圖1。

圖1 不同濃度的納米微片在不同時(shí)間的分散粒徑分布Fig.1 Dispersed particle size distribution of nanosheets with different concentrations at different times

從圖1 可以看出，隨著靜置時(shí)間的推移，溶液中的粒徑并未出現(xiàn)大幅度的上升，未出現(xiàn)明顯的聚集，表明體系在溶液中分散性及穩(wěn)定性較好。

2.1.2 界面性能測(cè)試 將納米微片注入到經(jīng)過(guò)油濕預(yù)處理的毛細(xì)管中，觀察注入前、后油水界面的變化，分析納米材料對(duì)油水界面的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2 可以看出，納米微片的注入，毛細(xì)管表面由油濕界面逐漸向水濕界面改變。

圖2 納米微片對(duì)油水界面的影響Fig.2 Influence of nanosheets on oil and water interface

為進(jìn)一步說(shuō)明納米微片具備改變油水界面性質(zhì)的特性，進(jìn)行了接觸角的性能測(cè)試。將納米微片溶液滴在經(jīng)過(guò)油濕處理的玻璃薄片上，利用接觸角測(cè)定儀測(cè)試納米微片溶液在油濕玻璃薄片上接觸角的變化；同時(shí)測(cè)試了在油-水-固條件下，油滴懸浮在納米溶液中，在油濕界面上的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 納米微片潤(rùn)濕性實(shí)驗(yàn)Fig.3 Wettability experiment of nanosheets

圖4 納米微片液-固-液接觸角測(cè)試Fig.4 Liquid-solid-liquid contact angle test of nanosheets

圖3 為液固接觸角的測(cè)試，可以看出，初始接觸角為92.67°，表現(xiàn)為油濕界面；隨著老化時(shí)間的推移，接觸角變?yōu)?4.92°，變?yōu)樗疂窠缑妗?/p>

圖4 為油-水-固的三相界面接觸角測(cè)試，隨著老化時(shí)間的推移，油滴與玻璃表面的接觸角逐漸變小?？梢钥闯觯{米微片在油水界面聚集，會(huì)不斷的滲透進(jìn)油滴與巖石的界面中，改變巖石表面的潤(rùn)濕性，將油滴慢慢的從固體表面剝離。

2.1.3 乳化降黏性能測(cè)試 將不同濃度的納米微片溶液與脫水原油（初始黏度400 mPa·s）配制成不同含油率的油水體系，在52 ℃下恒溫30 min，玻璃棒攪拌1 min，測(cè)定其在52 ℃下的黏度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 不同條件下的納米微片降黏率Fig.5 Viscosity reduction rate of nanosheets under different conditions

隨著納米微片濃度的增加，降黏率越高，溶液中的含油量越低，降黏率越高；當(dāng)納米微片的濃度大于0.005%時(shí)，不同含油率的條件下，降黏率均能達(dá)到90%以上，具有較好的降黏性能。

將0.005%的納米微片溶液與脫水原油（初始黏度400 mPa·s）配制成不同含油率的油水體系，置于離心管中，在52 ℃下恒溫30 min 后，手動(dòng)振蕩100 次后，記錄其破乳的時(shí)間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 不同油水比的破乳效率Fig.6 Demulsification efficiency of different oil water ratios

由圖6 可以看出，含油量越少，乳化效果越好，破乳所需時(shí)間越長(zhǎng)；靜置15 min 后，油水混合液的破乳率均達(dá)到85%以上。當(dāng)納米微片體系與原油接觸后，其較強(qiáng)的乳化能力、分散能力會(huì)與原油形成納米級(jí)的乳狀液分散在溶液中，在初期的微動(dòng)力條件下形成穩(wěn)定的乳狀液；但納米顆粒會(huì)在靜置后從油水界面中不斷的脫離，其形成的乳狀液會(huì)不斷破乳分層。

2.2 驅(qū)油效果評(píng)價(jià)

選取0.005%的納米微片及黏度不同的原油進(jìn)行巖心動(dòng)態(tài)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，考察納米微片在不同滲透率下的驅(qū)油效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同條件下納米微片的驅(qū)油效果Tab.1 Oil displacement effects of nanosheets under different conditions

由表1 可以看出，隨著滲透率的升高，納米微片的提高采收率幅度逐漸下降；與高滲透率的巖心相比，低滲透率的巖心具有更高的比表面積，在低滲透率的巖心中，納米微片與原油具有更長(zhǎng)的接觸時(shí)間，有效的發(fā)揮其楔形滲透作用，不斷的進(jìn)入原油與巖石的界面，將原油從巖石表面剝離，有效提高原油采收率。

2.3 納米微片微觀可視化驅(qū)油機(jī)理

為了表征納米微片在孔隙中的作用機(jī)理，對(duì)滲透率為2 500 mD 的微觀模型，以25 μL/min 的注入速率注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.005%的納米微片，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 納米微片的微觀驅(qū)油效果Fig.7 Microscopic oil displacement effect of nanosheets

圖8 納米微片的微觀驅(qū)油機(jī)理Fig.8 Microscopic oil displacement mechanism of nanosheets

從圖7 可以看出，水驅(qū)后注入納米微片體系可以有效的動(dòng)用水驅(qū)未動(dòng)用的剩余油，較水驅(qū)提高采收率約為12%。從圖8a 可以看出，在納米驅(qū)油體系注入巖心后，在水驅(qū)未動(dòng)用的部分，油滴會(huì)隨著體系的流動(dòng)而逐漸的聚并，形成油墻，逐漸被驅(qū)替出來(lái)。放大局部水驅(qū)驅(qū)替通道。從圖8b 可以看出，較大油滴在納米顆粒的作用下，會(huì)分散成小油滴，通過(guò)較小的孔道被驅(qū)替出來(lái)。

通過(guò)納米體系的界面特性與微觀驅(qū)油實(shí)驗(yàn)研究可以看出：納米微片體系改變了巖石表面的潤(rùn)濕性，從油濕界面變?yōu)樗疂窠缑?，使得油膜在?qū)動(dòng)力的作用下更易脫離巖石表面；納米顆粒會(huì)逐漸滲透至油與巖石的接觸表面，從而形成一個(gè)楔形滲透的區(qū)域，在驅(qū)動(dòng)液的作用下，納米流體會(huì)沿著巖石表面楔形區(qū)域擴(kuò)散，降低油與巖石表面的作用力，從而從巖石表面脫落。

3 結(jié)論

納米微片是一種幾何尺寸60 nm×80 nm×1.2 nm的黑色片狀驅(qū)油體系，其具有良好的分散性能，在30 d的老化實(shí)驗(yàn)中，溶液中的顆粒未發(fā)生明顯的聚集，分散性能較好。

通過(guò)對(duì)其界面性能分析，其具有較強(qiáng)的親油-親水特性，可以有效的改變界面的潤(rùn)濕性能，降低巖石孔隙的毛管阻力，使得原油在巖石表面附著力降低，更易被驅(qū)替出來(lái)。

該納米微片在水相中分散較為穩(wěn)定，具有較好的較強(qiáng)的油水界面性能，可以有效的降低原油的黏度，其15 min 的破乳率達(dá)到85%以上，完全滿足作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)出處理需求。

巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)表明，低滲較高滲條件更有利于納米微片的功能發(fā)揮，在1 000 mD 的油藏條件下，0.005%的納米微片可以在水驅(qū)基礎(chǔ)上提高采收率12.58%。