李勝勝，馮 青，孫艷妮，李嘯南，曾 鳴

（1.中海油服油田生產(chǎn)研究院，天津 300459；2.廣東南油服務(wù)有限公司天津分公司，天津 300450）

海上油田開發(fā)中，由于儲(chǔ)層原始滲透率低、注入水質(zhì)不達(dá)標(biāo)、礦化度高等原因，普遍存在注水井壓力隨時(shí)間升高，導(dǎo)致注水泵負(fù)荷過大，注水效率降低，高壓欠注等問題，為了解決實(shí)際生產(chǎn)中注水壓力高的問題，一般采用酸化、微壓裂等常規(guī)解堵措施，但這些措施經(jīng)過多輪次之后，儲(chǔ)層可供溶蝕的巖石顆粒越來越少，常規(guī)解堵措施有效期則越來越短[1-6]；再加上此類油藏的泥質(zhì)含量較高易堵塞井筒周圍，導(dǎo)致油井受效明顯下降。通常采取的措施是往地層擠入聚合物類黏土穩(wěn)定劑，但該類措施無法減輕新生黏土發(fā)生膨脹的可能性[7-11]。因此，有必要對(duì)注水井的堵塞機(jī)理及其對(duì)注入過程的影響進(jìn)行研究，并相應(yīng)的提出增注措施。

納米技術(shù)是20 世紀(jì)80 年代末新發(fā)展起來的技術(shù)，主要研究組成尺寸在0.1～100.0 nm 的物質(zhì)體系運(yùn)動(dòng)規(guī)律和相互作用，及其在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的一門嶄新的綜合性科學(xué)技術(shù)。其中納米材料也被用于油田解堵、除垢、減壓增注的運(yùn)用中來，納米技術(shù)運(yùn)用的關(guān)鍵是通過表面改性和表面包覆等手段控制納米材料的表面物理化學(xué)性質(zhì)。納米材料的應(yīng)用主要通過在注入井工作液中添加納米顆粒或納米復(fù)合材料來實(shí)現(xiàn)[12-16]。

針對(duì)以上問題本文研發(fā)了具有長效增注特點(diǎn)的多功能生物納米材料，并開展了生物納米防膨性能、疏水性能以及耐沖刷性能室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，生物納米顆粒具有良好的防膨效果、可以使地層巖石表面潤濕反轉(zhuǎn)以及具備長期增注有效性，可以達(dá)到注水井降壓增注的目的，并應(yīng)用于海上油田三口井，取得了較好效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

蒸餾水、BNP（生物納米增注體系：主要成分為改性納米二氧化硅、生物納米乳化劑以及生物納米活化劑）、KCl（氯化鉀）、NH4Cl（氯化銨）、模擬地層水（20 000 mg/L）、CH3COOH（乙酸）、HCl（鹽酸）、HF（氫氟酸）、CaCl2（氯化鈣）、MgCl2（氯化鎂）、Na2SO4（硫酸鈉）、鈉膨潤土、煤油以及人造均質(zhì)巖心（規(guī)格25 mm×60～80 mm，圓形巖心柱）。

電烘箱（奇聯(lián)電力設(shè)備有限公司）、干燥器、電子天平、具塞刻度試管、燒杯、容量瓶、移液槍、載玻片、ATR-FTIR 紅外光譜儀（賽默飛世爾科技（中國）有限公司）、FEI 掃描電子顯微鏡（日立高新技術(shù)公司）、KRUSS DSA100S 接觸角測(cè)定儀（德國克呂士公司）以及HKY 驅(qū)替流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置（海安縣石油科研儀器有限公司）。

1.2 性能測(cè)定方法

（1）耐沖刷性能：依據(jù)SY/T 5345-2007《巖石中兩相相對(duì)滲透率測(cè)定方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)定；

（2）防膨性能：依據(jù)SY/T 5971-2016《油氣田壓裂酸化及注水用黏土穩(wěn)定劑性能評(píng)價(jià)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)定；

（3）疏水性能：依據(jù)GB/T 36086-2018《納米技術(shù)納米粉體接觸角測(cè)量Washburn 動(dòng)態(tài)壓力法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 防膨性能評(píng)價(jià)

結(jié)合SY/T 5971-2016 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)定各樣品的防膨率，通過靜置黏土礦物沉降到帶刻度的具塞試管底部，讀出各個(gè)試管內(nèi)的黏土礦物的膨脹高度并記錄，并通過以下公式來計(jì)算防膨率：

其中：H1－鈉土在蒸餾水中的膨脹體積，mL；H2－鈉土在防膨劑中的膨脹體積，mL；H3－鈉土在煤油中的膨脹體積，mL。

結(jié)果（見表1，圖1～圖4），分析得出，生物納米顆粒溶液的防膨性能好于其他幾類產(chǎn)品，納米溶液浸泡過的黏土片，阻止水進(jìn)入黏土內(nèi)部，表面形成疏水薄膜，具備較好束膨作用，防膨率達(dá)到90%以上。

表1 幾種防膨劑防膨性能測(cè)定結(jié)果

圖1 黏土分別在水、煤油中浸泡72 h 后的膨脹情況

圖2 黏土分別在BNP、KCl 不同稀釋比例溶液中浸泡72 h 后的膨脹情況

圖3 黏土分別在NH4Cl、乙酸不同稀釋比例溶液中浸泡72 h 后的膨脹情況

圖4 黏土分別在模擬地層水、土酸不同稀釋比例溶液中浸泡72 h 后的膨脹情況

2.2 疏水性能評(píng)價(jià)

將浸泡后的巖樣切片放入BNP 濃度為0.025%、0.05%、0.75%、1%溶液中，密封燒杯后放入55 ℃烘箱中吸附24 h。將吸附后的巖樣切片用水沖刷30 min，在55 ℃高溫下烘干后并用接觸角測(cè)定儀測(cè)量水滴在其表面的接觸角。結(jié)合GB/T 36086-2018 測(cè)定接觸角，記錄數(shù)據(jù)。

由接觸角圖可知結(jié)果（見圖5～圖7），未處理的巖石表現(xiàn)為強(qiáng)水濕，巖石表面粗糙，在毛管力作用水滴在其表面會(huì)很快滲入，只能看到潤濕斑，幾乎沒有任何液體在巖石表面形成可以測(cè)接觸角的液滴。低濃度BNP（0.025%）處理后，巖石表面潤濕性仍為親水，但這時(shí)由于表面吸附有少量的生物納米顆粒，因此巖石表面能有所降低，水滴在其表面不能完全滲入，呈一定角度，但仍表現(xiàn)出親水性。隨顆粒濃度的增大，巖石表面能降低，角度也越來越大，當(dāng)BNP 濃度達(dá)到0.05%時(shí)，巖石表面能低于水，潤濕性接近中性潤濕。濃度大于0.75%時(shí)，巖石表面為油潤濕，但接觸度變化不大，這可能是因?yàn)闈舛壤^續(xù)增大時(shí)，巖石表面吸附生物納米顆粒達(dá)到飽和，顆粒的吸附量不再增加，因此接觸角變化不大。本評(píng)價(jià)過程能證明生物納米顆粒能吸附在巖石表面，將巖石表面由親水轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷苓_(dá)到生物納米增注過程使地層巖石表面潤濕反轉(zhuǎn)的目的。

圖5 吸附不同濃度BNP 的巖心片（從左到右0.025%、0.05%、0.75%、1%）

圖6 吸附不同濃度BNP 的巖心片接觸角測(cè)試（從左到右：空白、0.025%、0.05%、0.75%、1%）

圖7 不同BNP 含量與接觸角變化圖

2.3 耐沖刷性能評(píng)價(jià)

相較于表面活性劑，生物納米顆粒的吸附與巖石表面的持續(xù)時(shí)間更長，其耐沖刷能力體現(xiàn)在，連續(xù)注入模擬地層水沖刷30～50 PV 之后，滲透率保持升高趨勢(shì)，仍具有明顯的提高滲透率的效果（見表2）。

表2 驅(qū)替實(shí)驗(yàn)參數(shù)

Z1 巖心在注入模擬地層水的過程當(dāng)中，初始滲透率穩(wěn)定在4.26 mD，注入3 PV 納米液后，靜置24 h。然后再注入模擬地層水，在注模擬地層水開始的5 PV內(nèi)，滲透率逐漸下降至3.00 mD，可能是巖心膠黏程度大，連通性較差，導(dǎo)致孔喉輕微堵塞所致。隨后連續(xù)注入50 PV 模擬地層水，Z1 巖心的水相滲透率不斷增長，趨于穩(wěn)定4.81 mD，滲透率提高了12.9%。該結(jié)果說明CDS12 吸附性強(qiáng)，附著在巖心表面后不易被水流沖刷而脫附，具有長期有效性（見圖8）。

圖8 Z1 巖心驅(qū)替曲線

Z2 巖心在注入模擬地層水的過程當(dāng)中，水相滲透率隨注入PV 增加而減小，初始滲透率穩(wěn)定在11.06 mD，注入3 PV 納米液后，靜置24 h。然后再注入模擬地層水，在注模擬地層水開始的7.5 PV 內(nèi)，滲透率先下降至9.3 mD。隨后繼續(xù)注入40 PV 模擬地層水，8#巖心的水相滲透率不斷增長，最終穩(wěn)定在14.15 mD，滲透率提高了30.4%。Z2 巖心初始滲透率比Z1 巖心高，遇水黏土膨脹反應(yīng)更強(qiáng)，體現(xiàn)在初始水驅(qū)滲透率下降這一參數(shù)上，再經(jīng)過相同的CDS12 處理后，Z2 巖心的滲透率提升更明顯，說明改性疏水納米SiO2顆粒的增注效果受巖心本身物性的影響，在初始滲透率＞10 mD 的巖心效果更明顯（見圖9）。

圖9 Z2 巖心驅(qū)替曲線

3 現(xiàn)場應(yīng)用情況

海上油田B1、B2、B3 三口井均為注水井，B1 井2016 年8 月開始投注，B2 井2017 年1 月開始投注，B3 井2018 年3 月開始投注，三口井生產(chǎn)存在以下問題：儲(chǔ)層物性差，平均孔隙度17.9%～21.2%，平均滲透率40～70 mD；層內(nèi)非均質(zhì)性強(qiáng)，滲透率級(jí)差大；泥質(zhì)含量重，存在黏土水化膨脹問題；吸水指數(shù)低：1.72～7 m3/（d·MPa）；注入壓力高14.5～16 MPa，注入量31～50 m3/d，達(dá)不到配注量。

2021 年3 月多功能生物納米材料應(yīng)用于B1、B2、B3 三口井，措施后注入壓力平均降低40.6%；視吸水指數(shù)平均提高了4.4 倍；注水量平均提高了2.4 倍；目前平均有效期已達(dá)11 個(gè)月，且至今有效，周邊油井累增油4.9×104m3（見圖10，圖11）。

圖10 措施前、后注入壓力與視吸水指數(shù)變化

圖11 措施前、后注入量變化

該項(xiàng)技術(shù)在海上油田三口井實(shí)施后，起到降壓、增注、防膨等多種功效。研究成果得出，此技術(shù)在中低滲透油田增產(chǎn)增注方面存在良好的前景。

4 結(jié)論

通過多功能生物納米材料性能評(píng)價(jià)研究與現(xiàn)場應(yīng)用，取得一些認(rèn)識(shí)如下：

（1）生物納米材料具有極強(qiáng)的活性，通過競爭吸附，替換掉原先吸附于孔隙內(nèi)砂巖表面的水膜吸附于巖石表面，使其由親水性轉(zhuǎn)變成疏水性，減小注入水流動(dòng)阻力，可以防止黏土礦物裸露。

（2）生物納米集成了增注劑以及防膨劑的顯著優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了注水井降壓增注以及防止黏土膨脹的多重功能，并且具有穩(wěn)定納米覆膜，耐沖刷性強(qiáng)度高，提高了措施有效期。

（3）多功能生物納米材料在現(xiàn)場應(yīng)用取得了良好的措施效果，注入壓力平均下降了40.6%，視吸水指數(shù)平均提高了4.4 倍，注入量平均提高了2.4 倍，改善了儲(chǔ)層的吸水能力。