高 俊，謝傳禮，游少雄，張 航，牟文龍

(1.中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與勘探國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249；2.中國石化勝利油田分公司塔里木分公司；3.中國石油遼河油田分公司茨榆坨采油廠)

納米流體提高稠油采收率實(shí)驗(yàn)分析

高 俊1，謝傳禮1，游少雄2，張 航1，牟文龍3

(1.中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與勘探國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249；2.中國石化勝利油田分公司塔里木分公司；3.中國石油遼河油田分公司茨榆坨采油廠)

通過實(shí)驗(yàn)研究對比了三種納米流體驅(qū)與水驅(qū)對稠油采收率的影響，同時(shí)研究了納米流體對乳液界面張力和黏度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，原油與納米流體的界面張力隨著納米流體的濃度的增加而減小，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%的Al2O3納米流體能顯著降低乳液的黏度，與其它納米流體相比，0.05%的Al2O3納米流體增加的采收率最大。

納米顆粒；提高采收率；界面張力

1 納米顆粒提高稠油采收率原理

利用納米顆粒提高采收率是近年來發(fā)展的一種新的提高采收率技術(shù)，其主要機(jī)理是產(chǎn)生分離壓、改變巖石潤濕性、降低界面張力、降低乳液黏度。

(1)分離壓作用：由于存在布朗運(yùn)動和粒子間的靜電排斥力，當(dāng)粒子尺寸足夠小、數(shù)量足夠多時(shí)，就會產(chǎn)生一個(gè)較強(qiáng)的擴(kuò)散力(最大可達(dá)0.5 MPa)；而固體表面的靜電排斥力存在不平衡現(xiàn)象，導(dǎo)致油相接觸角接近180°，而水相接觸角達(dá)到1°，從而在三相接觸區(qū)形成了一個(gè)楔形結(jié)構(gòu)，這種楔形結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向前推力[1]。納米顆粒體系產(chǎn)生的降低毛細(xì)管壓力、潤濕反轉(zhuǎn)及相滲改變滯后效應(yīng)等輔助作用，可將油、氣、石蠟等從巖石表面剝離下來[2]。

(2)改變巖石潤濕性：添加到注入流體中的納米顆粒能通過改變油藏巖石的潤濕性來提高采收率[3]。

(3)降低界面張力：納米流體注入油藏后，可以使油水的界面張力進(jìn)一步降低，降低孔道對油滴的黏滯阻力，使原油易于剝落和流動，并且在低界面張力作用下，油滴容易變形，從而降低了將其排出孔隙吼道所做的功，增加了它在地層孔隙中的移動速度[4]。

(4)降低乳液黏度：納米顆?？稍谝欢ǔ潭壬辖档腿橐吼ざ?。

2 實(shí)驗(yàn)介紹

本次實(shí)驗(yàn)的主要任務(wù)：研究納米顆粒對乳狀液黏度和界面張力的影響，對比利用納米顆粒進(jìn)行二次驅(qū)油與利用水驅(qū)油對提高采收率的影響。此次實(shí)驗(yàn)是在Osamah等[5]實(shí)驗(yàn)以及已有實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

(1)納米顆粒：選用的納米顆粒包括Al2O3、SiO2、TiO2，納米顆粒性質(zhì)如表1所示。

表1 納米顆粒性質(zhì)

(2)油樣：稠油樣本是從油田采集的，25℃下的樣本密度為0.947 62 g/cm3。

(3)鹽水：用過濾好的地層水配制礦化度為30×10-3的鹽水。

(4)納米流體的配置：將納米顆粒和已經(jīng)處理好的鹽水進(jìn)行混合，分別配制出不同類型質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%、0.05%和0.1%的納米流體。

(5)驅(qū)替巖心：實(shí)驗(yàn)所用巖心編號分別為M、A1、A2、A3，B1、B2、B3，C1、C2、C3。 巖心樣本的平均長度、直徑和孔隙體積分別為6.5 cm、3.8 cm和11.56 cm3。

2.2 實(shí)驗(yàn)流程

巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)的工作流程：第一階段：測量原油與液相(鹽水/納米流體)的界面張力；第二階段：測量加入不同納米流體后原油樣本的黏度；階段三：用三種不同濃度的納米流體和鹽水對巖心進(jìn)行驅(qū)替；階段四：進(jìn)行二次驅(qū)油(二次采油)，用納米流體對第三階段中的實(shí)驗(yàn)巖心進(jìn)行驅(qū)替。

2.3 巖心驅(qū)替裝置和實(shí)驗(yàn)步驟

(1)界面張力的測定。原油和液相(鹽水/納米流體)之間的界面張力通過吊板法界面張力測定系統(tǒng)測定。測量工作是在室溫和壓力為6.2 MPa的條件下進(jìn)行的，該壓力為巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)的平均入口壓力。

(2)乳液黏度的測定。使用電磁黏度計(jì)，在45 ℃的條件下測量納米流體降低乳液黏度的能力。

(3)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)步驟。巖心驅(qū)替裝置見圖1。實(shí)驗(yàn)步驟為：①巖心飽和水：以0.5 cm3/min的排量對巖心進(jìn)行鹽水飽和，同時(shí)巖心的孔隙體積也是在這次過程測量的；②巖心飽和油：以0.5 cm3/min的排量對巖心進(jìn)行油飽和，此時(shí)，巖心被原始含水飽和度和原始含油飽和度所飽和；③使用鹽水和納米流體對巖心進(jìn)行驅(qū)替(三次驅(qū)替)，注入納米流體的速率為0.2 cm3/min，直到?jīng)]有油被排出(注：Vetter等研究了顆粒流速對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響：注入速率越低(≤0.5 cm3/min)，所造成的地層傷害越?。欢€性流速越大，引起的地層傷害會越嚴(yán)重)。因此，此次實(shí)驗(yàn)中注入的納米流體速率為0.2 cm3/min[6]。

圖1 巖心驅(qū)替裝置

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 納米顆粒對界面張力的影響

從平均測量結(jié)果中可以觀察到(圖2)，原油和納米流體之間的界面張力會隨著納米流體濃度的增加而減小。這種界面張力減小現(xiàn)象的主要原因是納米顆粒比表面積的影響[7]。界面張力會隨著納米顆粒的比表面積的增加而減小。

3.2 納米顆粒對乳濁液黏度的影響

圖3為加入納米流體前后的乳濁液黏度測量的結(jié)果。從中可以看出，每一種類型的納米顆粒對乳濁液黏度有著不同的影響。

圖3 納米顆粒對乳液黏度的影響

3.3 納米顆粒對采收率的影響

不同納米流體對提高采收率的影響如表2所示。

表2 巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果

SiO2對采收率的影響：0.01%親水性的SiO2納米流體在巖心A1中提高的采收率最大。Buckley 和Fan認(rèn)為，親水性的SiO2納米顆粒在提高采收率方面表現(xiàn)較好，這是因?yàn)橛H水性的SiO2使得巖石潤濕性改變，并且引起界面張力的減小。界面張力影響毛管壓力、毛管數(shù)和附著力。毛管數(shù)隨著界面張力的減小而增加，因此，采收率也會增加。但是，當(dāng)SiO2濃度增加時(shí)，采收率會略微降低。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是納米顆粒的濃度會增加乳劑的黏度，堵塞孔道，或者兩種都有[8-9]。根據(jù)Hendraningrat等的研究，高濃度的納米顆粒有堵塞孔喉的趨勢，因?yàn)檫@些顆粒的聚合體圍繞在孔隙的周圍，會阻止采收率的增加[10]。

Al2O3對采收率的影響：0.05%的Al2O3納米流體在巖心B2中提高的采收率最大，為7.07%。

TiO2對采收率的影響：在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%和0.05%的TiO2流體驅(qū)替下，巖心C1和C2的采收率增加較小。但是，在巖心C3中，0.1%的納米流體使采收率降低了16.95%，這是因?yàn)楦邼舛燃{米顆粒的注入堵塞了孔隙通道。

4 結(jié)論與認(rèn)識

(1)原油中存在水時(shí)會形成乳劑，導(dǎo)致溶液黏度的增加。在這種乳劑中加入納米流體時(shí)，納米流體能改變?nèi)橐旱酿ざ?，而不同濃度的納米流體對乳液黏度的影響也不同，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%的Al2O3能降低乳劑的黏度，而相同濃度下的TiO2和SiO2納米流體卻增加了乳液黏度。

(2)稠油和納米流體間的界面張力會隨著納米流體濃度的增加而減小。

(3)三種納米流體在合適的濃度下提高采收率的能力高于水驅(qū)提高采收率的能力，因此，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)不同的納米顆粒選擇不同的納米流體濃度進(jìn)行驅(qū)替。

(4)對不同的油藏應(yīng)優(yōu)選納米流體的濃度，否則會破壞地層，降低滲透率和采收率。

(5)根據(jù)前人的實(shí)驗(yàn)研究，不同納米顆粒的分散介質(zhì)對采收率的影響也不同，還需進(jìn)一步驗(yàn)證不同礦化度的分散介質(zhì)對采收率的影響，優(yōu)化分散介質(zhì)，使采收率的增加最大。

(6)此次實(shí)驗(yàn)并不是在油藏條件下進(jìn)行的，因此，需要進(jìn)一步驗(yàn)證納米顆粒在油藏條件下提高采收率的能力。

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編輯：李金華

1673-8217(2015)04-0108-03

2014-12-18

高俊，1985年生，2010年畢業(yè)于長江大學(xué)石油工程專業(yè)，現(xiàn)為中國石油大學(xué)(北京)油氣田開發(fā)專業(yè)在讀碩士研究生。

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