王新亮狄勤豐張任良顧春元王掌洪

(1.上海市應用數(shù)學與力學研究所(上海大學),上海 200072;2.上海市力學在能源工程中的應用重點實驗室(上海大學),上海

200072;3.中國石化江蘇油田分公司,江蘇揚州 225009)

?“863”計劃專欄?

疏水納米顆粒在巖心表面的吸附特性試驗研究

王新亮1,2狄勤豐1,2張任良1,2顧春元1,2王掌洪3

(1.上海市應用數(shù)學與力學研究所(上海大學),上海 200072;2.上海市力學在能源工程中的應用重點實驗室(上海大學),上海

200072;3.中國石化江蘇油田分公司,江蘇揚州 225009)

采用納米顆粒吸附法可以在巖心表面構建具有微納米結構的強/超疏水表面,進而在該表面產(chǎn)生水流滑移,從而達到降低水流阻力及注水壓力、增加注水量的目的。研究分析影響納米顆粒在巖心表面吸附效果的主要因素對吸附效果的影響可以指導納米降壓增注材料的開發(fā)和礦場試驗。通過制作納米顆粒吸附巖心片,測試巖心片表面接觸角的大小來分析納米顆粒質量濃度、吸附時間、試驗溫度和p H值等對納米顆粒吸附效果的影響。結果表明,納米顆粒質量濃度、關井時間和試驗溫度都存在使納米顆粒吸附表面的接觸角達到最大的最佳值。堿性環(huán)境對納米顆粒吸附的影響較大,而酸性環(huán)境幾乎沒有影響。

納米顆粒;吸附;疏水表面;影響因素;礦場試驗

注水壓力偏大、注水量嚴重不足經(jīng)常是開發(fā)低滲透和特低滲透油田所面臨的主要問題[1-2]。納米顆粒吸附法降壓減阻技術是一種降低注水壓力、提高注水量的新興技術。但由于對該技術的作用機理研究不夠,使納米顆粒的研發(fā)、納米顆粒分散液的復配,尤其是納米顆粒與地層的匹配性等一系列問題都沒有得到解決,嚴重制約了該技術的推廣和應用。

國內學者通過研究和試驗發(fā)現(xiàn)疏水表面可明顯降低液體流動阻力,且水流在疏水表面可以產(chǎn)生明顯的滑移現(xiàn)象[3-4]。狄勤豐等[5-10]提出了以疏水納米顆粒吸附在巖石微孔道壁面形成疏水性表面并產(chǎn)生水流滑移的降壓增注機理。

筆者基于該作用機理進行了巖心表面的納米顆粒吸附特性研究,通過不同納米顆粒質量濃度、不同浸泡時間、不同試驗溫度和不同p H值的巖心薄片吸附試驗,評價了構建超疏水巖心表面的影響因素,給出了納米顆粒吸附的最佳納米顆粒質量濃度、最佳關井時間等。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗用納米材料為表面改性的白色粉末狀納米SiO2,經(jīng)修飾的納米 SiO2表面存留大量不飽和殘鍵,有良好的疏水性能。試驗用納米樣品分為兩種,樣品 ShuNP2-40的粒徑為 30～40 nm,而樣品ShuNP2-10的粒徑為7～10 nm。經(jīng)透射電鏡觀察(見圖1),納米粉體為非定型結晶態(tài),顆粒分布較均勻,有少量團聚體存在,大部分顆粒呈橢球狀。

1.2 試驗方法

將納米材料加入到精濾柴油中,用乳化機以7 000 r/min的速度攪拌10 min,以確保納米材料能夠均勻分散,打開水浴鍋并設定試驗溫度,將切成薄片并飽和3%NH4Cl水溶液的天然巖心懸掛放入納米顆粒分散液中,并放入水浴鍋中加溫。浸泡一定時間后將巖心切片取出,干燥備用。

圖1 納米樣品的透射電鏡照片

1.3 樣品制備

1.3.1 不同納米顆粒質量濃度時樣品的制備

試驗選用同一油井的天然巖心A切的薄片,用納米粉體ShuNP2-10配制成納米顆粒質量濃度分別為0.5、1.0、1.5、2.0和3.0 g/L的分散液。將巖心薄片放入不同納米顆粒質量濃度的分散液后并一起放入60℃水浴鍋中恒溫浸泡48 h,取出干燥備用。

1.3.2 不同浸泡時間時樣品的制備

試驗選用同一油井的天然巖心A切的薄片,用納米粉體ShuNP2-10配制成納米顆粒質量濃度為1.5 g/L的分散液,將6片巖心薄片放入分散液中并一起放至60℃的水浴鍋中恒溫浸泡,浸泡時間依次為12、18、24、36、48和60 h,取出干燥備用。

1.3.3 不同浸泡溫度時樣品的制備

試驗選用天然巖心A和B切的薄片,用納米粉體ShuNP2-10配制成納米顆粒質量濃度為1.5 g/L的分散液,將4組巖心薄片放入分散液中再分別放在室溫60、75和90℃的水浴鍋中恒溫浸泡48 h,取出干燥備用。

1.3.4 不同p H值環(huán)境時樣品的制備

用納米 ShuNP2-40配制成質量濃度1.5 g/L的油基納米顆粒分散液;巖心片C1-1～C4-1分別用鹽水沾濕,再放入納米顆粒分散液中,浸泡48 h,拿出烘干;巖心C1-2、C2-2分別用10%HCl處理10 min,然后取出放入納米顆粒分散液中,浸泡48 h,拿出烘干;巖心 C3-2、C4-2分別用5%NaOH處理10 min,然后取出放入納米顆粒分散液中,浸泡48 h,取出干燥備用。

1.4 潤濕性測試

采用DSA20光學接觸角測試儀,測試針頭為3μL的疏水針頭,為了確保結果準確,采用連續(xù)拍攝的方法,接觸角取穩(wěn)定的值,每個樣品測3組數(shù)據(jù)然后取其平均值。

2 結果分析與討論

2.1 試驗結果分析

納米顆粒質量濃度分別為0.5、1.0、1.5、2.0和3.0 g/L時,巖心表面接觸角分別為65.93°、101.12°、133.18°、90.22°和56.78°?？梢?不同的納米顆粒質量濃度,同一種巖心的表面接觸角不同,接觸角隨著納米顆粒質量濃度的增大先由小到大,再由大到小,在質量濃度為1.5 g/L時接觸角達到最大。

浸泡時間分別為12、18、24、36、48和60 h時,巖心表面接觸角分別為 22.37°、73.77°、87.53°、113.47°、128.10°和109.32°。由此可見,不同的浸泡時間,巖心片的接觸角也有變化,在浸泡時間為48 h時,接觸角達到最大,當時間繼續(xù)延長時,接觸角又有所減小。

溫度分別為室溫、60、75和90℃時,巖心表面接觸角分別為95.3°、128.1°、118.9°和117.5°?？梢?隨著溫度的升高,巖心表面接觸角同樣是先增后減,由于巖心材料不夠,75℃的巖心選用物性和A巖心接近的B巖心。

根據(jù)p H值的影響試驗,C1-1和C1-2的接觸角分別為119.4°和107.54°,C2-1和C2-2的接觸角分別為110.6°和107.7°,C3-1和C3-2的接觸角分別為109.0°和0°,C4-1和C4-2的接觸角分別為87.2°和0°?？梢钥闯?納米顆粒吸附性能對p H值比較敏感,經(jīng)5%HCl處理過的巖心接觸角的減幅很小,而經(jīng)10%NaOH處理過的巖心變?yōu)橥耆H水,說明堿性環(huán)境對納米顆粒吸附的影響較大,而酸性環(huán)境幾乎沒有影響。

2.2 討論

對于一般巖心,有效巖心微通道的尺寸都在微米級別,因此如果微通道內吸附了過多的納米顆粒,就會出現(xiàn)明顯的堵塞現(xiàn)象。從微流動角度分析,吸附了疏水納米顆粒的微管道壁面會形成水流滑移效應,水流阻力減小,相當于有效管徑變大;但同時納米顆粒自身的尺寸不可忽略,減小了微管的物理管徑,因此只有當吸附了納米顆粒的巖心微通道壁面的表面滑移長度大于管壁吸附的納米顆粒層厚度時,納米顆粒吸附才會起到降壓減阻的效果。

Li Ding等[11]根據(jù)前人的模擬結果給出了圖2所示的固體表面接觸角與滑移長度的擬合曲線。從圖2可以看出,固體表面的滑移長度隨著其表觀接觸角的增大成指數(shù)增長,也就是說固體表面的疏水性越強,產(chǎn)生的滑移長度就越大,水流阻力就越小。

圖2 固體表面接觸角與滑移長度的關系

納米顆粒質量濃度越大,可能產(chǎn)生吸附的納米顆粒就越多,產(chǎn)生多層吸附的可能性就越大,因此納米顆粒質量濃度存在一個最佳吸附值,太小了很難產(chǎn)生疏水表面,太大了又容易堵塞孔徑。同樣,對于浸泡時間來說,時間太短,可能沒有形成有效吸附;而時間越長,孔道表面吸附的納米顆?？赡茌^多,因此也存在一個最佳浸泡時間。在實際礦場試驗中一般要求關井48 h就是基于這一考慮。從前面的測試結果可以看出,所測巖心表面接觸角分別在納米顆粒質量濃度為1.5 g/L和浸泡時間為48 h時達到最大值(分別為133.18°和128.10°),可以認為達到了較好的吸附狀態(tài)。

圖3、4為吸附了納米顆粒的巖心表面的SEM照片。從圖3、4可以看出,巖心表面已經(jīng)看不到巖石本體的特征,取而代之的是致密的納米顆粒吸附層,納米顆粒呈橢球狀,有團聚現(xiàn)象,表面微結構成明顯的三維結構。由于石英、長石表面光滑,殘斷鍵較少,對納米顆粒的吸附力較小,納米顆粒分布較整齊,更傾向于單層吸附;而由于黏土礦物表面比較粗糙,殘斷鍵較多,對納米顆粒的吸附力較大,容易產(chǎn)生多層吸附。

圖3 經(jīng)納米顆粒分散液處理的巖石表面(×10 000)

圖4 經(jīng)納米顆粒分散液處理的巖石表面(×50 000)

對于不同深度的油井,儲層溫度一般存在差異,礦場試驗時可以根據(jù)各種溫度下的試驗結果選擇適合某一溫度的納米材料,以達到最佳效果。而對于礦場試驗中常采用酸化預處理措施則初步解釋為更多的是為了處理微通道入口及孔壁上的沉淀物[12],以確保有較好的吸附表面和入流通道,進一步的結論還有待于進行進一步的研究。

試驗中還發(fā)現(xiàn),對于不同的巖心,同一種納米顆粒吸附的結果有時差異較大,這可以解釋為,各種巖心的滲透性不同,對于滲透性較差的巖心,吸附納米顆粒后巖心孔徑變小,液滴很難進入孔隙而停留在吸附了納米顆粒的巖心表面,從而表現(xiàn)出的接觸角較大;而對于滲透性較好的巖心,盡管吸附了納米顆粒,但是液滴還是可以流入孔隙,從而表觀上表現(xiàn)為較小的接觸角。因此,在確定納米顆粒吸附法降壓減阻效果時不能片面地用巖心吸附片的表面接觸角來描述,而必須結合SEM掃描、室內巖心流動評價試驗進行綜合評價,其中SEM可以確定吸附的狀況,而室內巖心流動評價試驗則能較好地確定納米顆粒在給定儲層中的降壓減阻效果。

3 結 論

1)不同納米顆粒質量濃度和浸泡時間的巖心吸附結果表明,隨納米顆粒質量濃度、浸泡時間的變化,接觸角存在最大值,表現(xiàn)出較好的疏水狀態(tài)。

2)不同溫度的巖心吸附結果表明,隨著溫度的升高,巖心表面接觸角表現(xiàn)為先增大后減小,因此可以根據(jù)儲層溫度選擇合適的納米材料。

3)不同pH值的巖心吸附結果表明,經(jīng)5%HCl處理過的巖心接觸角有很小的降幅,而經(jīng)10%NaOH處理過的巖心變?yōu)閺娪H水,說明堿性環(huán)境對納米顆粒吸附的影響較大,而酸性環(huán)境幾乎沒有影響。

4)吸附了納米顆粒的巖心表面具有了類似荷葉表面的微納米結構,具備了產(chǎn)生疏水滑移的條件。

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[審稿 岳湘安]

Experimental Investigations on Adsorptive Characteristics of Hydrophobic Nanoparticles on Core Surfaces

Wang Xinliang1,2Di Qinfeng1,2Zhang Renliang1,2Gu Chunyuan1,2Wang Zhanghong3
(1.S hanghai Institute of A pplied Mathematics and Mechanics,S hanghai University,S hanghai, 200072,China;2. S hanghai Key L aboratory ofMechanics in Energy and Environment Engineering, S hanghai,200072,China;3.Jiangsu Oilf ield Company,Sinopec,Yangzhou,Jiangsu,225009,China)

Nanoparticles adsorbing method can build micro-and nano-structural strong/super-hydrophobic surfaces on cores,and produce the slip velocity on the surfaces in the purpose of reducing the water resistance and water injection pressure and increasing water injection rate.Studies on the effects of adsorption can guide the development of nano-materials which reduce injection pressure and the field application.Through making nanoparticles absorbing core chips and measuring the contact angles on core surfaces,this paper analyzes the effects of nano-concentration,adsorption time,temperature and pH environment on nanoparticles adsorption.The results show that nanoparticles-mass-concentration,shut-in time and experimental temperature all have optimal value for the maximum contact angle.Alkaline environment has greater impact on the nano-adsorption,while acidic environment has little impact.

nanoparticles;adsorption;hydrophobic surface;influencing factors;field test

book=2010,ebook=108

TE348

A

1001-0890(2010)02-0010-04

2009-10-27;改回日期:2010-01-18

國家高技術研究發(fā)展計劃(“863”計劃)項目“納米顆粒吸附法降低儲層注水壓力技術研究”(編號:2008AA06Z201)、國家自然科學基金“降低石油儲層注水壓力的納米吸附法新技術機理的理論與實驗研究”(編號:50874071)、長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃“面向工程問題的LBM研究”(編號:IRT0844)、中國博士后科學基金“納米顆粒與儲層微孔道有效吸附的微觀作用機制研究”(編號: 20090450687)及上海市科委重點科技攻關計劃“石油儲層微孔道納米降壓增注新技術研究”(編號:071605102)聯(lián)合資助

王新亮(1984—),男,陜西興平人,2007年畢業(yè)于西安科技大學工程力學專業(yè),在讀博士研究生,主要從事石油工程中的力學問題研究。

聯(lián)系方式:(021)56333256,sea-wave007@126.com