在致密油藏中納米乳液靜態(tài)吸附及滲吸驅(qū)油性能實(shí)驗(yàn)研究

汪杰，羅旭，曾建國，江厚順，賀東洋

1.非常規(guī)油氣省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心(長江大學(xué))，湖北 武漢 430100 2.長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100 3.油氣鉆采工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長江大學(xué))，湖北 武漢 430100 4.中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司，北京 100028 5.中國石油集團(tuán)測井有限公司制造公司，陜西 西安 710005

隨著能源需求的日益加劇，常規(guī)油氣資源無法滿足科技發(fā)展的需求，非常規(guī)油氣資源的大規(guī)模開發(fā)逐漸彌補(bǔ)能源需求短缺的問題[1-2]，致密油藏作為非常規(guī)油氣藏主要資源來源，其開發(fā)受到高度重視[3-4]。致密儲層主要特征表現(xiàn)在孔喉細(xì)小、滲透率低、毛細(xì)管力作用顯著等，其中毛細(xì)管力是靜態(tài)滲吸主要驅(qū)動力。因此，如何降低微納米孔喉中油氣滲流阻力、同時在開發(fā)過程中有效補(bǔ)充儲層能量是致密油藏實(shí)現(xiàn)長期高效開采的關(guān)鍵所在[5-9]。

近年來，利用毛細(xì)管力滲吸作用提高低滲透油藏采收率已成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)之一[10-12]。其作用原理主要是通過在注入水或壓裂液中添加納米乳液，將油相潤濕的儲層改性為水相潤濕，水濕表面的致密儲層中，借助儲層微納米孔喉自發(fā)滲吸毛細(xì)管力作用，注入水或壓裂液中的水相可通過滲吸的方式自發(fā)進(jìn)入致密儲層基質(zhì)置換原油，從而提高油井產(chǎn)量。眾多學(xué)者對于油藏中的滲吸現(xiàn)象開展了大量理論和實(shí)驗(yàn)研究，主要包括：①不同類型納米乳液與儲層巖石、流體相互作用機(jī)理，包括納米乳液降低原油表界面張力，提高注入水的注入能力，增加原油的乳化性能，改善巖石表面的潤濕性等；②納米乳液滲吸驅(qū)油的效果評價，包括宏觀上提高注入水滲吸驅(qū)油效果，以及微觀上改善致密孔喉中大小孔的油水分布等；③納米乳液滲吸作用效果的影響因素等3個方面，包括礦化度、溫度、滲透率、納米乳液中表面活性劑種類、原油組成和巖性等因素對納米乳液滲吸驅(qū)油效果的影響，這些研究為人們認(rèn)識納米乳液滲吸驅(qū)油效果的作用機(jī)理提供了有力的支撐[12-15]。研究表明，納米乳液在儲層巖石表面的吸附性能是影響其潤濕改性效果的關(guān)鍵因素，但相關(guān)研究并未見諸多報道。此外，為了確保納米乳液在致密油藏中具有較好的滲吸驅(qū)油效果，需要明確影響其作用效果的主要因素。通過紫外分光光度計，研究不同粒徑的天然砂巖與頁巖巖粉對納米乳液的靜態(tài)吸附性能；并通過滲吸驅(qū)油實(shí)驗(yàn)研究各種因素影響下納米乳液滲吸驅(qū)油規(guī)律，最終確定影響納米乳液滲吸驅(qū)油效果的主要因素，為提高致密油藏開采效果提供一定的理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

天然致密砂巖、頁巖的巖粉與巖心，其中不同目數(shù)的巖粉獲取方法如下：將洗油干燥后的砂巖、頁巖分別粉碎成粉末，用振動篩分選出40～80、80～100、100～200目的巖粉以備用。物性特征如表1所示。實(shí)驗(yàn)流體的配制，用20 000 mg/L NaCl、KCl與去離子水溶液配制成模擬地層水。納米乳液試劑類型，包括納米乳液A(陰離子納米乳液-乙氧基化烷基硫酸鈉)、B(陽離子納米乳液-十二烷基二甲基叔胺)、C(陰非離子納米乳液-聚氧乙烯醚和烯烴磺酸鈉的混合物)，分別用模擬地層水配制質(zhì)量濃度為1 000、2 000、3 000、5 000、8 000、10 000 mg/L的納米乳液溶液。

表1 巖心物性特征

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

紫外分光光度計，精密電子天平，離心機(jī)，真空飽和裝置，恒壓恒速泵，管線，滲吸瓶，氣體滲透率測量儀，氣體孔隙度測量儀，巖心夾持器，手搖環(huán)壓泵，中間容器及玻璃儀器等。

1.3 靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)設(shè)計

納米乳液水溶液在致密儲層孔喉中運(yùn)移時，其主要成分在儲層巖石表面產(chǎn)生吸附并改變其潤濕性，但同時降低了溶液中納米乳液的有效成分，影響納米乳液的深部作用效果[16]。因此，納米乳液在儲層巖石表面的吸附性能，對其作用效果直觀重要。納米乳液在巖粉表面的靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)包括標(biāo)準(zhǔn)曲線測試和納米乳液在不同目數(shù)和種類的巖粉表面吸附量測試。

納米乳液分光光度值標(biāo)準(zhǔn)曲線的測定：用紫外分光光度計測量質(zhì)量濃度為1 000、2 000、3 000、5 000、8 000、10 000 mg/L的納米乳液水溶液的吸光度，建立納米乳液分光光度值標(biāo)準(zhǔn)曲線。

納米乳液在巖石表面的靜態(tài)吸附性能測試：以砂巖為例，將不同目數(shù)的砂巖巖粉充分干燥，40～80、80～100、100～200目的巖粉各取1.0 g裝入不同西林瓶內(nèi)，按照固液比1∶20取一定量5 000 mg/L的納米乳液溶液倒入裝有巖粉的西林瓶內(nèi)，振蕩待其充分反應(yīng)，用離心機(jī)分離固液，分別在0.5、2、6、12、24、36、48、72 h時，取上層清液測量吸光度，將所測量的分光光度值對照標(biāo)準(zhǔn)曲線，計算吸附一定時間后的溶液中納米乳液的濃度，并帶入公式(1)計算單位質(zhì)量的砂巖表面納米乳液的靜態(tài)吸附量[16]。同樣步驟計算頁巖表面納米乳液的吸附量。

(1)

式中：ε為靜態(tài)吸附量，mg/g；V為納米乳液體系總體積，L；ρ1為納米乳液體系初始質(zhì)量濃度，mg/L；ρ2為納米乳液體系吸附平衡質(zhì)量濃度，mg/L；m為巖粉質(zhì)量，g。

1.3 自發(fā)滲吸及巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)設(shè)計

滲吸驅(qū)油實(shí)驗(yàn)：滲吸實(shí)驗(yàn)為體積法，可以直觀地看到滲吸驅(qū)油過程及驅(qū)油量。以砂巖為例，選擇物性參數(shù)相近的砂巖巖心進(jìn)行滲吸實(shí)驗(yàn)。將充分干燥的砂巖巖心放入真空飽和裝置中飽和原油，記錄飽和原油體積，再將巖心放入滲吸瓶中，通過恒壓恒速泵把溶液注入滲吸瓶中，記錄滲吸驅(qū)油量繪制滲吸曲線。通過正交實(shí)驗(yàn)改變溫度、巖心長度、納米乳液的濃度、納米乳液種類等研究影響納米乳液滲吸驅(qū)油的主控因素。頁巖滲吸實(shí)驗(yàn)方法與砂巖一致。

巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)：選擇孔滲相近的砂巖巖心進(jìn)行驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。將砂巖巖心放入真空飽和裝置中飽和原油，并記錄飽和原油體積，將飽和后的砂巖巖心放入巖心夾持器內(nèi)，施加2 MPa的環(huán)壓，使用配制的模擬地層水進(jìn)行驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，記錄出口端出油量；等出口端不再出油時仍持續(xù)驅(qū)替一段時間，然后換納米乳液溶液驅(qū)替，記錄端口出油量繪制成曲線。

2 結(jié)果與分析

2.1 納米乳液在巖粉表面靜態(tài)吸附性能的影響因素

如圖1所示，分別測定了3種類型的納米乳液在不同質(zhì)量濃度下的標(biāo)準(zhǔn)吸光度。在進(jìn)行不同質(zhì)量濃度的納米乳液巖粉浸泡實(shí)驗(yàn)時，通過與對應(yīng)種類的納米乳液標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行比對，計算納米乳液在巖粉表面的靜態(tài)吸附量，用于判斷納米乳液的吸附性能。

圖1 納米乳液標(biāo)準(zhǔn)吸光度曲線Fig.1 Standard absorbance curve of nano emulsion

2.1.1 巖粉目數(shù)及類型

巖粉目數(shù)的大小對其比表面影響較大，巖粉目數(shù)越大，對應(yīng)的比表面越大，對納米乳液的吸附量越多。此外，巖粉目數(shù)越大，單位質(zhì)量含有的巖粉數(shù)量越多，同樣會增加對納米乳液的吸附量。如圖2(a)和圖2(b)所示，100～200目的砂巖巖粉對納米乳液A的吸附量為21.5 mg/g；80～100目的砂巖巖粉對納米乳液A的吸附量為12.68 mg/g；40～80目的砂巖巖粉對納米乳液A的吸附量為5.8 mg/g。100～200目的巖粉對納米乳液A的吸附量最多，幾乎是40～80目巖粉的3～4倍左右。說明巖粉目數(shù)越大，巖粉比表面越大，與納米乳液接觸面積越大，吸附量越高。目前致密油藏主要包括頁巖和砂巖兩種類型，為了確定納米乳液在兩種類型的致密油藏中的吸附性能，對比了圖2(a)和圖2(b)中5 000 mg/L的納米乳液A對砂巖和頁巖的吸附量實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，相同浸泡時間和目數(shù)時，納米乳液在致密砂巖巖粉的表面吸附量低于頁巖巖粉，說明頁巖對納米乳液的吸附強(qiáng)度高于砂巖。分析認(rèn)為，這主要是由于頁巖中黏土礦物含量及成分比致密砂巖復(fù)雜，對納米乳液的吸附作用更強(qiáng)，這將不利于納米乳液在頁巖儲層中的深部運(yùn)移與吸附作用。

圖2 巖粉對納米乳液A的吸附量 Fig.2 Adsorption capacity of rock powder on nano emulsion A

2.1.2 納米乳液的類型

為了篩選適用于提高致密油藏采收率的納米乳液體系，分別測試了納米乳液A、B、C 3種類型的納米乳液(5 000 mg/L)對砂巖巖粉和頁巖巖粉的吸附性能，對比圖2、圖3和圖4中3種目數(shù)兩種類型的巖粉吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知(以砂巖為例)，3種目數(shù)砂巖巖粉對納米乳液A的最終吸附量分別為5.8、12.68、21.5 mg/g；對納米乳液B的最終吸附量分別為16.31、23.58、31.25 mg/g；對納米乳液C的最終吸附量分別為5.12、10.39、16.11 mg/g。說明巖粉對納米乳液B的吸附性能高于對納米乳液A、C的吸附性能。在巖石表面具有較低的吸附性能，是納米乳液能夠進(jìn)入儲層深部仍然含有有效成分并起到潤濕改性效果的關(guān)鍵，因此在具有相同改性效果的前提下，優(yōu)先選用具有低吸附量的納米乳液A或C作為滲吸驅(qū)油溶液的主要添加劑，但最終需要結(jié)合滲吸及驅(qū)替結(jié)果對兩種納米乳液A和C進(jìn)行優(yōu)選。

圖3 巖粉對納米乳液B的吸附量 Fig.3 Adsorption capacity of rock powder on nano emulsion B

圖4 巖粉對納米乳液C的吸附量 Fig.4 Adsorption capacity of rock powder on nano emulsion C

2.2 納米乳液滲吸驅(qū)油性能的影響因素分析

2.2.1 納米乳液類型

選用滲透率和孔隙度較為接近的砂巖巖心進(jìn)行納米乳液(5 000 mg/L)自發(fā)滲吸驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。當(dāng)采用模擬地層水進(jìn)行滲吸驅(qū)油時，砂巖巖心滲吸采出程度為13.22%；納米乳液A滲吸驅(qū)油時，砂巖巖心滲吸采出程度為23.49%；納米乳液B滲吸驅(qū)油時，砂巖巖心滲吸采出程度為17.47%；納米乳液C滲吸驅(qū)油時，砂巖巖心滲吸采出程度為27.57%。對比結(jié)果可知，模擬地層水的滲吸驅(qū)油效率最低，而納米乳液A比B的滲吸驅(qū)油率高6.02%，納米乳液C比B的滲吸驅(qū)油率高10.10%。說明加入納米乳液，能有效提高巖心滲吸驅(qū)油的速率及采出程度，且3種納米乳液中，C的滲吸驅(qū)油效果最好。分析認(rèn)為，納米乳液的加入，降低了液體間的界面張力，改變了巖石表面的潤濕性，將滲吸毛細(xì)管阻力轉(zhuǎn)換為毛細(xì)管動力，提高了溶液的滲吸驅(qū)油效率。

圖5 不同化學(xué)劑類型的滲吸采出程度(5 000 mg/L)Fig.5 The recovery degree of imbibition of different chemicalagent types (5 000 mg/L)

2.2.2 納米活性劑質(zhì)量濃度

圖6為納米乳液隨著質(zhì)量濃度變化時砂巖巖心中的滲吸驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)納米乳液A的質(zhì)量濃度為5 000 mg/L時，浸泡初期的納米乳液滲吸驅(qū)油速率最快，最終采出程度最高為23.51%；納米乳液A的質(zhì)量濃度為2 000 mg/L時，前期滲吸驅(qū)油速率最慢，最終采出程度最低為16.48%。說明納米乳液質(zhì)量濃度增加時，溶液的滲吸驅(qū)油速度和最終采出程度均在一定程度內(nèi)增加。這主要是由于溶液中納米乳液質(zhì)量濃度增加的過程中，單位質(zhì)量的溶液中有效含量增加，可加速納米乳液在巖石表面的吸附及潤濕改性效果，以及深部運(yùn)移時的有效含量高，提高了溶液的滲吸驅(qū)油速度及最終采出程度。

圖6 不同質(zhì)量濃度的納米乳液A滲吸驅(qū)油結(jié)果Fig.6 Oil recovery efficiency results of nano emulsion A withdifferent mass concentrations

2.2.3 巖心種類

選用納米乳液A和B配制成質(zhì)量濃度為5 000 mg/L的溶液，對比2種類型的納米乳液在致密砂巖和頁巖中的滲吸驅(qū)油效果，結(jié)果如圖7所示。頁巖1、頁巖2、砂巖2和砂巖3的滲透率分別為0.31、0.34、2.07、3.04 mD，對應(yīng)的滲吸驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，采用納米乳液A時，頁巖2和砂巖2的滲吸驅(qū)油效率分別為6.18%、23.51%；采用納米乳液B時，頁巖1和砂巖3的滲吸驅(qū)油效率分別為4.31%、17.47%。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，納米乳液對砂巖的滲吸驅(qū)油效率遠(yuǎn)高于頁巖巖心，除了巖性對滲吸驅(qū)油效率的影響以外，滲透率對滲吸驅(qū)油效率的影響同樣至關(guān)重要。

圖7 不同類型巖心的滲吸采出程度(5 000 mg/L)Fig.7 The recovery degree of imbibition extractionfor different core types (5 000 mg/L)

2.2.4 溫度

不同溫度環(huán)境下，納米乳液的活性不一致，與原油形成乳化的效果也存在明顯差異，同樣影響滲吸驅(qū)油效率。圖8為25、50、75 ℃時巖心的滲吸驅(qū)油曲線。根據(jù)結(jié)果可知，當(dāng)溫度為25 ℃時，砂巖2初期滲吸速率最慢，最終的采出程度也最低，為23.51%；溫度為50 ℃時，砂巖7最終采出程度為28.02%；滲吸溫度為75 ℃時，砂巖8初期滲吸速率最快，最終的采出程度也最高，為31.49%。結(jié)果表明，溫度范圍在25～75 ℃時，滲吸驅(qū)油效率隨溫度增加而提高。溫度由25 ℃提升至50 ℃，最終采出程度提高了4.41%；溫度由50 ℃提升至75 ℃，最終采出程度提高了3.47%。

圖8 不同溫度下的滲吸采出程度Fig.8 The recovery degree of imbibition extractionunder different temperatures

2.2.5 巖心長度

納米乳液在巖石表面吸附的過程中，單位體積的溶液中納米乳液的有效含量減少，剩余溶液在巖石表面的吸附潤濕改性能力會降低。巖心長度是考察納米乳液是否具有深部作用能力的關(guān)鍵。圖9為巖心長度分別為5.45、3.12 cm的兩塊砂巖巖心滲吸驅(qū)油效率曲線圖。由圖可以看出，砂巖9前期滲吸驅(qū)油速率更快，最終采出率為14.68%；砂巖10滲吸驅(qū)油速率更低，最終采出程度為13.19%。這主要是短巖心中滲吸阻力相對較小，納米乳液更容易進(jìn)入巖心中，且一段時間后，浸泡長巖心的溶液中納米乳液的有效含量低于短巖心，最終導(dǎo)致短巖心的滲吸驅(qū)油速率和采出程度更高。

圖9 不同巖心長度的滲吸采出程度Fig.9 The recovery degree of imbibition extractionfor different core lengths

2.2.6 納米乳液滲吸驅(qū)油性能影響的主要因素確定

對比影響納米乳液作用效果的不同因素可知，納米乳液的種類、質(zhì)量濃度和巖性等是影響其作用效果的主要因素。在相同實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)納米乳液種類變化時，納米乳液A比B的滲吸驅(qū)油效率高6.02%，納米乳液C比B的滲吸驅(qū)油效率高10.10%；當(dāng)納米乳液質(zhì)量濃度范圍在2 000～5 000 mg/L時，納米乳液濃度越高，巖心滲吸效率越高，相差達(dá)7.03%以上；受巖性和滲透率的影響，納米乳液在致密砂巖中的滲吸驅(qū)油效率遠(yuǎn)高于頁巖巖心。溫度和巖心長度同樣會影響納米乳液滲吸驅(qū)油效率。當(dāng)溫度由25 ℃提升至50 ℃，最終采出程度提高4.41%；當(dāng)溫度由50 ℃提升至75 ℃，最終采出程度提高3.47%，增幅逐漸變緩。短巖心滲吸驅(qū)油效率高于長巖心。這主要是由于巖心淺表面的滲吸阻力要小于深部，原油更容易被置換出來，所以巖心越短滲吸驅(qū)油效率反而越高。

2.3 納米乳液動態(tài)驅(qū)油效果評價

為了進(jìn)一步模擬現(xiàn)場施工過程中，納米乳液水溶液注入過程中的滲吸驅(qū)油效果，分別選用滲透率接近的砂巖11、12和13進(jìn)行驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中，首先采用模擬地層水，以注入速度0.1 mL/min的恒流模式驅(qū)替飽和原油后的巖心，待驅(qū)油效率達(dá)到動態(tài)平衡后，改用納米乳液水溶液驅(qū)替至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同類型的納米乳液驅(qū)替曲線(5 000 mg/L)Fig.10 Displacement curves of different types of nano emulsion (5 000 mg/L)

從圖10可以看出地層水驅(qū)前期驅(qū)油速率極快，注液量達(dá)到0.6 PV時，驅(qū)替采出程度趨于平衡，直至出口不再出油，在注液量到達(dá)2 PV時停止地層水驅(qū)，改用納米乳液水溶液驅(qū)油。地層水驅(qū)的最終采出程度分別為21.45%、22.43%、23.33%；納米乳液A溶液驅(qū)替后最終采出程度為30.43%，增幅為8.98%；納米乳液B溶液的最終采出程度為26.67%，增幅為4.24%；納米乳液C最終采出程度為32.78%，增幅為9.45%。動態(tài)驅(qū)替效果顯示，納米乳液C具有相對較好的驅(qū)油效果。

3 結(jié)論

1)不同目數(shù)的巖粉對納米乳液的吸附性能不同，巖粉目數(shù)越大，比面積越大，吸附量越高；頁巖巖粉對納米乳液的吸附性能高于砂巖對納米乳液的吸附性能；巖粉對納米乳液的吸附性能受納米乳液類型的影響，砂巖巖粉和頁巖對納米乳液B的吸附量最高。

2)加入納米乳液，可以降低液體間的界面張力，改變巖石表面的潤濕性，能有效提高滲吸驅(qū)油效率。對比影響納米乳液作用效果的不同因素可知，納米乳液的種類、質(zhì)量濃度和巖性是影響其作用效果的主要因素。在相同實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)納米乳液種類變化時，納米乳液A比B的滲吸驅(qū)油效率高6.02%，納米乳液C比B的滲吸驅(qū)油效率高10.10%；當(dāng)納米乳液質(zhì)量濃度范圍在2 000～5 000 mg/L時，納米乳液質(zhì)量濃度越高，巖心滲吸效率越高，相差達(dá)7.03%以上；受巖性和滲透率的影響，納米乳液在致密砂巖中的滲吸驅(qū)油效率遠(yuǎn)高于頁巖巖心。

3)溫度和巖心長度同樣會影響納米乳液滲吸驅(qū)油效率。當(dāng)溫度由25 ℃提升至50 ℃，最終采出程度提高4.41%；溫度由50 ℃提升至75 ℃，最終采出程度提高3.47%，增幅逐漸變緩。短巖心滲吸驅(qū)油效率高于長巖心。這主要是由于巖心淺表面的滲吸阻力要小于深部，原油更容易被置換出來，所以巖心越短滲吸驅(qū)油效率反而越高。

4)動態(tài)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用地層水驅(qū)后，陰非離子型納米乳液C具有較好的提高采收率效果，增幅達(dá)9.45%，其次為陰離子型納米乳液A，增幅為8.98%，而陽離子納米乳液B的效果最差，增幅為4.24%。