張立權(quán)

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部，廣東 湛江 524057)

恩平某油田原油密度為0.919～0.935 g·cm-3，黏度為111.18～277.77 mPa·s，瀝青質(zhì)含量為5.58%，地面原油密度為0.941～0.959 g·cm-3，依據(jù)黏度標(biāo)準(zhǔn)劃分，恩平某油田原油屬于普通稠油。由于稠油開采難度大、成本高，如何降低稠油黏度、改善稠油流動性是目前稠油開采所面臨的主要技術(shù)難題[1]。國內(nèi)外使用的水基鉆井液用降黏劑主要有丹寧類、木質(zhì)素類、聚丙烯酸類等，主要目的是降低鉆井液的黏度，使鉆井液具有較好的流變性能。目前使用的稠油降黏劑均是在完井液或者水中均勻分散后，直接加入到稠油中，而不是直接加入到鉆井液中。作者研制了一種以納米硅為主劑的稠油納米降黏劑MLA，將其加入到水基鉆井液中，室內(nèi)研究其對水基鉆井液流變性能的影響和降黏效果。

1 稠油納米降黏劑的研制及作用機(jī)理

稠油組分異常復(fù)雜，不同油田或者同一油田的不同油藏、同一油層的不同井組、甚至同一井組的不同井段之間組成千差萬別的現(xiàn)象也十分普遍[2-3]。因此，不同稠油對降黏劑的要求也不同，且降黏劑對稠油的選擇性也很強(qiáng)，目前還沒有一種能適用于所有稠油的降黏劑。

瀝青質(zhì)是極性最強(qiáng)的油餾分，含有低比例的脂族/芳族鏈，具有可以自聚集的雜環(huán)原子結(jié)構(gòu)，可形成膠體聚集，從而提高原油黏度[4-5]。由于瀝青質(zhì)極易吸附在油水界面，形成穩(wěn)定的油包水型黏膜從而增大油水界面張力[6-8]。當(dāng)原油以低濃度存在于納米顆粒中時，納米顆粒與瀝青質(zhì)聚集體相互作用，聚集體發(fā)生分解現(xiàn)象，從而改變?yōu)r青質(zhì)膠體結(jié)構(gòu)，原油黏度會顯著降低[9]。針對稠油含有大量膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的特點(diǎn)，以拆散稠油中膠質(zhì)和瀝青質(zhì)重疊堆砌而成的聚集體和減小流動時流體層之間的阻力為出發(fā)點(diǎn)，合成具有極性基團(tuán)的納米硅降黏劑。納米硅具有可反應(yīng)的雙鍵結(jié)構(gòu)，可用于自由基聚合反應(yīng)，而且具有微納米結(jié)構(gòu)的表面容易使流體發(fā)生滑移現(xiàn)象，從而減小流體層相對運(yùn)動時受到的摩擦力[10]。

1.1 試劑與儀器

8 nm SiO2納米顆粒，金谷新材料有限公司；硫酸(分析純)；氫氧化鈉(分析純)；四氫苯酐，北京泰亞杰科技有限公司；三乙醇胺(分析純)；乙醇(分析純)；氟碳表面活性劑，上海修美新材料科技有限公司。

FS-600N型超聲波處理器，上海生析超聲儀器有限公司；BLS-BT型數(shù)顯恒溫磁力加熱攪拌器，常州春秋電子儀器有限公司；TDL-60D型低速臺式離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠；101型電熱鼓風(fēng)干燥箱，北京永光明醫(yī)療儀器有限公司；反應(yīng)釜、調(diào)和釜，湖北創(chuàng)聯(lián)石油科技有限公司；Model TX500C型界面張力儀；布氏黏度計(jì)；接觸角測量儀，上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司。

1.2 稠油納米降黏劑的研制

(1)將8 nm SiO2納米顆粒用0.3%硫酸進(jìn)行酸化，得到pH值為4的溶液；然后用0.3%氫氧化鈉溶液堿化，得到pH值為11的溶液。將堿化后的溶液在室溫下超聲處理3 h，用磁力攪拌器以100 r·min-1攪拌15 h后，于4 500 r·min-1離心30 min。將所得的SiO2納米顆粒噴霧干燥，待用。

(2)將30份(質(zhì)量份，下同)四氫苯酐、35份三乙醇胺和100份水依次加入反應(yīng)釜中，攪拌升溫至90 ℃反應(yīng)3 h；加入混合均勻的45份SiO2納米顆粒和20份乙醇，繼續(xù)升溫至180 ℃反應(yīng)1.5 h，降溫至90 ℃后轉(zhuǎn)入調(diào)和釜，加入20份氟碳表面活性劑，在180 ℃、0.2 MPa下反應(yīng)40 min后，循環(huán)過濾，冷卻至室溫，即得棕色液體狀納米降黏劑MLA。

1.3 稠油納米降黏劑的作用機(jī)理

(1)納米降黏劑MLA中的羧基、氟碳基、納米硅等基團(tuán)不僅能爭奪瀝青質(zhì)聚集體中的金屬離子，導(dǎo)致大分子聚集體的瀝青質(zhì)因失去金屬離子的橋接作用而解體，分子變小，起到分散瀝青質(zhì)的作用；還能形成較強(qiáng)能力的氫鍵，爭奪稠油氫鍵中的氫形成新的氫鍵，導(dǎo)致稠油氫鍵崩解，從而降低稠油黏度。

(2)納米硅表面酸改性會影響分子間的相互作用力，且形成的硅烷醇基納米顆粒和瀝青質(zhì)之間的吸引力較大，納米顆粒的親和力導(dǎo)致瀝青質(zhì)聚集體碎裂[11]，影響其膠體結(jié)構(gòu)和稠油的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而降低稠油黏度。

(3)加入的氟碳表面活性劑能防止水基鉆井液濾液與稠油發(fā)生乳化，能在低油水比情況下，與稠油形成流動性能良好的稠油乳狀液，具有潤濕反轉(zhuǎn)功能。

傳統(tǒng)表面活性劑作稠油降黏劑時，需要在開采時注入大量的水，且形成的乳狀液必須具有一定的穩(wěn)定性，導(dǎo)致開采出的稠油破乳脫水難度加大，處理量增加，開采成本提高。而作者室內(nèi)研制的納米降黏劑可以直接加入到水基鉆井液中使用，無需注水處理。

2 稠油納米降黏劑的性能評價(jià)

2.1 稠油黏度測試

稠油處理方法：(1)加熱脫水法：將恩平區(qū)塊稠油在150 ℃下蒸掉水分；(2)靜置油水分離法：將稠油置于燒杯中靜置分層5 h后，取上層稠油。采用布氏黏度計(jì)分別測試處理后的稠油在20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、75 ℃下的黏度，對比2種處理方法下溫度對稠油黏度的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 溫度對稠油黏度的影響Fig.1 Effect of temperature on viscosity of heavy oil

從圖1可以看出，隨著溫度從20 ℃升至75 ℃，稠油黏度逐漸降低，受溫度影響較大，在模擬恩平地層溫度68.1～75.9 ℃下，加熱脫水的稠油黏度和靜置油水分離的上層稠油黏度非常接近。因此，后續(xù)實(shí)驗(yàn)采用靜置油水分離的上層稠油。

2.2 降黏劑對鉆井液性能的影響

水基鉆井液配方：海水+2.0%搬土漿+0.3%NaOH+0.2%Na2CO3+2.5%防水鎖劑+3.0%流型調(diào)節(jié)劑+2.0%降黏劑+3.5%降失水劑+2.0%封堵劑+3.0%潤滑劑+KCl加重至1.1 g·cm-3，80 ℃老化16 h。按上述配方配制水基鉆井液，分別測定降黏劑為空白、MLA時水基鉆井液的流變性能；取水基鉆井液API濾液，按稠油∶濾液=20∶80(體積比)混合均勻后，采用界面張力儀測定油水界面張力，結(jié)果見表1。

表1 降黏劑對水基鉆井液流變性能的影響及油水界面張力評價(jià)Tab.1 Effect of viscosity reducer on rheological property of water-based drilling fluid and evaluation of oil-water interfacial tension

從表1可以看出，納米降黏劑MLA對水基鉆井液體系的流變性能幾乎無影響，且能大幅降低油水界面張力。

2.3 降黏效果評價(jià)

按含水率5%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%，分別稱取靜置后的上層稠油與蒸餾水或水基鉆井液API濾液于500 mL燒杯中，分別置于40 ℃、75 ℃的恒溫水浴鍋中恒溫1 h；用低速攪拌器攪拌樣品2 min；在20 s內(nèi)迅速采用布氏黏度計(jì)分別測試40 ℃、75 ℃下，不同含水率的稠油與蒸餾水、API濾液乳狀液的黏度μ0、μ。按式(1)計(jì)算降黏劑在水基鉆井液中對稠油乳狀液的降黏率(f，%)：

(1)

降黏劑的降黏效果見圖2。

圖2 降黏劑的降黏效果Fig.2 Viscosity reduction effect of viscosity reducer

從圖2可以看出，含水率對稠油乳狀液的黏度及穩(wěn)定性有明顯的影響。在同一含水率條件下，溫度升高有利于水包油型乳狀液的形成，在稠油乳狀液含水率為20%時，75 ℃下降黏率高達(dá)60%以上，表明納米降黏劑MLA在水基鉆井液中能有效降低稠油乳狀液黏度。當(dāng)含水率為30%～50%時，納米降黏劑MLA對稠油乳狀液的降黏效果呈下降趨勢，可能是由于油水分離導(dǎo)致的。

2.4 潤濕性能評價(jià)

液體對固體表面的潤濕情況可以通過直接測定接觸角來評價(jià)，測定方法：(1)配制水基鉆井液，75 ℃老化16 h后分別取API濾液20 mL；(2)取2塊恩平區(qū)塊處理后的光滑巖芯于恒溫箱中75 ℃烘干，用清水(空白樣)、加量3%MLA的鉆井液濾液(對比樣)分別浸泡恩平巖芯2 h后，置于恒溫箱中75 ℃烘干；(3)在巖芯表面滴一滴水(蒸餾水)或油(恩平區(qū)塊稠油)，采用接觸角測量儀測定潤濕角，結(jié)果見圖3。

a.空白樣-水相 b.對比樣-水相 c.空白樣-油相 d.對比樣-油相圖3 降黏劑對巖芯潤濕性能的影響Fig.3 Effect of viscosity reducer on wettability of core

從圖3可以看出，以恩平巖芯為載體時，對比樣表面水相鋪展在巖芯上，與巖芯的接觸角比空白樣小很多，說明含有納米降黏劑MLA的水基鉆井液API濾液對恩平巖芯具有較好的潤濕作用；通過對比油相在空白樣和對比樣上的接觸角可知，含有納米降黏劑MLA的水基鉆井液API濾液增強(qiáng)了巖石的親水性能，由于表面活性劑潤濕降黏與吸附降黏的協(xié)同作用，有助于油相流動，達(dá)到了降黏效果。

3 結(jié)論

(1)稠油脫水后，溫度對稠油黏度的影響較大，隨著溫度的升高，稠油黏度明顯降低。

(2)室內(nèi)研制了一種納米硅為主劑的水基鉆井液用稠油納米降黏劑MLA，其對鉆井液的流變性能無影響，稠油含水率為20%時，75 ℃下降黏率高達(dá)60%以上，降黏效果較好，且能提高恩平巖芯的潤濕性能。

(3)通過在水基鉆井液中添加納米降黏劑來改善稠油流動阻力，為稠油開采提供了新思路。