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        致密油藏納米微乳液性能評(píng)價(jià)與驅(qū)油機(jī)理分析*

        2022-07-04 07:28:54趙雅潔侯吉瑞肖立曉劉彥伯
        油田化學(xué) 2022年2期
        關(guān)鍵詞:界面

        趙雅潔,侯吉瑞,屈 鳴,肖立曉,劉彥伯

        (中國石油大學(xué)(北京)非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院,中國石油大學(xué)(北京)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249)

        致密油藏的滲透率小于1×10-3μm2,孔隙度低于10%,主要分布在我國華東地區(qū)、華北地區(qū)、中原地區(qū)以及東北地區(qū),資源非常豐富,勘探開發(fā)前景良好[1-2]。與常規(guī)油藏相比,致密油藏具有油藏巖性過密、孔隙度和滲透率極低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn),使其在開采過程中存在很大的困難[3]。我國致密油藏的開發(fā)相對(duì)于其他國家發(fā)展較晚,且由于我國致密油以陸相沉積環(huán)境為主,與其他國家的致密油藏環(huán)境特點(diǎn)相差較大,因此其他國家開采技術(shù)的可借鑒性十分有限,導(dǎo)致我國致密油藏開發(fā)面臨更大的挑戰(zhàn)[4-6]。自發(fā)滲吸作為致密油藏中一種重要的開發(fā)機(jī)理,對(duì)致密油藏提高采收率具有重大意義,因此提高自發(fā)滲吸采收率可以顯著提高致密油藏的采收率[7-9]。表面活性劑作為提高采收率的常用化學(xué)藥劑,通過降低油水界面張力、改變巖石表面潤濕性、乳化分散油滴等作用提高致密油藏的滲吸采收率[10]。但是,表面活性劑容易吸附于巖石表面,大粒徑尺寸的表面活性劑分子無法進(jìn)入致密油藏孔喉,表面活性劑耐溫抗鹽性能不足,穩(wěn)定性較差,導(dǎo)致其在高溫高鹽、致密等苛刻油藏條件下無法滿足強(qiáng)化采油的使用要求。因此,研究用于提高致密油藏自發(fā)滲吸采收率的新型驅(qū)替劑成為石油領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

        隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展,納米材料提高致密油藏采收率的研究日益深入。近年來,納米微乳液由于納米尺寸粒徑、大比表面積和高表面活性等優(yōu)良性能,廣泛用于提高致密油藏采收率。納米微乳液簡稱“微乳液”或是“納米乳液”,是由油相、水相、表面活性劑和助表面活性劑組成的具有自發(fā)乳化性能、各向同性、透明或半透明,熱力學(xué)穩(wěn)定的多組分分散體系[11-12]。目前,納米乳液的制備方法主要分為高能乳化法和低能乳化法。低能乳化法分為相轉(zhuǎn)變組分法(PIC)、相轉(zhuǎn)變溫度法(PIT)和微乳液稀釋法[13]。本文通過微乳液稀釋法制得新型納米微乳液驅(qū)油劑,通過靜態(tài)自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)納米微乳液自發(fā)滲吸提高采收率效果,并結(jié)合納米微乳液的靜態(tài)性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步探究納米微乳液的驅(qū)油機(jī)理。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 材料與儀器

        環(huán)辛烷、乙二醇、三乙醇胺、二甲基硅油,分析純,上海麥克林生化科技有限公司;脂肪醇聚氧乙烯醚類乳化劑,濟(jì)南潤昌化工有限公司;去離子水;大慶油田現(xiàn)場地層原油,含62.41%飽和分、15.45%芳香分、11.09%膠質(zhì)、0.64%瀝青質(zhì);大慶油田天然露頭巖心,含29%石英砂、29%鉀長石、10%斜長石、2.4%高嶺土、0.99%伊利石、0.06%蒙脫石、1.55%綠泥石、2%碳酸鹽,巖心參數(shù)如表1所示。

        表1 巖心參數(shù)

        納米激光粒度和Zata電位分析儀,馬爾文帕納科公司;SVT-20 界面張力儀,北京奧德利諾儀器有限公司;YIKE-360A 接觸角測定儀,承德易科實(shí)驗(yàn)儀器廠;Amott滲吸瓶,成都禹道商貿(mào)有限公司。

        1.2 實(shí)驗(yàn)方法

        (1)納米微乳液的制備

        將環(huán)辛烷、乳化劑、乙二醇、三乙醇胺及去離子水以一定的比例加入燒杯中,用玻璃棒攪拌使其混合均勻,制得以有機(jī)相為內(nèi)相、表面活性劑為殼膜的納米微乳液濃縮液。分別取0.05、0.1、0.3、0.5 mL的微乳液用去離子水稀釋為100 mL的溶液,得到體積分?jǐn)?shù)分別為0.05%、0.1%、0.3%和0.5%的納米微乳液,對(duì)納米微乳液進(jìn)行性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)和自發(fā)滲吸驅(qū)油實(shí)驗(yàn)。

        (2)納米微乳液的性能評(píng)價(jià)

        利用納米激光粒度和Zata 電位分析儀測定不同濃度納米微乳液的粒徑分布,分析納米微乳液的粒徑分布情況。利用界面張力儀測定不同濃度納米微乳液與原油之間的界面張力。將玻璃毛細(xì)管用蒸餾水潤洗2~3 次,然后用納米乳液潤洗,將納米微乳液加入玻璃毛細(xì)管中,用微量注射器注入2 μL 油樣,不要產(chǎn)生氣泡,保持轉(zhuǎn)速6000 r/min,測量納米微乳液與原油之間的界面張力隨時(shí)間的變化。

        (3)潤濕角的測定

        通過測定去離子水與不同狀態(tài)下石英片之間的接觸角來判定不同濃度下納米乳液的潤濕反轉(zhuǎn)能力。將石英片用1%HCl 浸泡4 h,洗去石英片表面的雜質(zhì),再將石英片用蒸餾水清洗至中性放入45 ℃烘箱中烘干。將烘干后的石英片浸泡于二甲基硅中,并在65 ℃的烘箱內(nèi)老化3 d。將老化后的石英片用煤油洗凈烘干,在65 ℃的納米微乳液中浸泡2 d。測定改性前后石英片-水-空氣之間的三相接觸角(多次測量求平均值)。

        (4)納米微乳液自發(fā)滲吸驅(qū)油實(shí)驗(yàn)

        采用體積法測定納米微乳液的自發(fā)滲吸采收率[14]。測量巖心的干重、直徑和長度,將測試的巖心抽真空,在30 MPa 壓力下加壓飽和原油,然后置于60 ℃烘箱內(nèi)老化7 d。取出老化巖心,將巖心表面擦拭干凈后稱重,放入烘箱中烘干再次稱量巖心質(zhì)量。兩者相差不大的巖心可以用作自發(fā)滲吸驅(qū)油實(shí)驗(yàn)。將巖心放入裝有不同濃度納米微乳液的滲吸瓶中,再放入烘箱內(nèi),納米微乳液自發(fā)滲吸到巖石的孔隙中置換出原油,通過滲吸瓶刻度讀出滲吸置換的原油體積,記錄采出油體積隨時(shí)間的變化。按式(1)計(jì)算自發(fā)滲吸采收率E(多次實(shí)驗(yàn)求平均值)。

        其中,V—自發(fā)滲吸采出油體積,mL;ρ—原油的密度,g/cm3;m1—飽和原油后巖心的質(zhì)量,g;m2—巖心干重,g。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 納米微乳液的形態(tài)

        隨著納米微乳液濃度的增加,澄清度降低。0.5%的納米微乳液出現(xiàn)渾濁,高溫穩(wěn)定性較差。將0.05%、0.1%、0.3%的納米微乳液置于90 ℃烘箱內(nèi)3 d,溶液一直保持澄清透明的狀態(tài),說明此濃度下的納米微乳液有較好的高溫穩(wěn)定性。

        2.2 納米微乳液的性能評(píng)價(jià)

        2.2.1 粒徑

        不同濃度納米微乳液的粒徑分布如圖1 所示。納米微乳液的粒徑主要分布在10 nm 左右,隨著濃度的增加粒徑稍有增加。這是由于液滴一直在做布朗運(yùn)動(dòng),隨著濃度的增加納米粒子數(shù)量隨之增加,納米粒子更容易發(fā)生碰撞使小液滴之間發(fā)生聚結(jié)導(dǎo)致粒徑增大。納米微乳液的粒徑達(dá)到極小納米級(jí)別,能順利進(jìn)入致密油藏中的微小孔隙,擴(kuò)大波及體積,進(jìn)一步提高采收率。

        圖1 不同濃度納米微乳液的粒徑分布圖

        2.2.2 界面張力

        不同濃度納米微乳液與原油間的界面張力隨時(shí)間的變化如圖2所示。當(dāng)納米微乳液的濃度恒定時(shí),隨著時(shí)間的增加,界面張力迅速降低并逐漸穩(wěn)定,達(dá)到界面張力平衡值的時(shí)間隨納米微乳液的濃度增加而減小。不同濃度納米微乳液與原油之間的界面張力相差較小,0.05%、0.1%、0.3%納米微乳液與原油之間的界面張力最終穩(wěn)定在4.02、3.65、3.56 mN/m。納米微乳液中存在大量的以表面活性劑和助表面活性劑作為外殼、油相作為內(nèi)核的膠束,能降低油水之間的界面能,從而降低界面張力。油水界面張力的降低意味著納米微乳液能克服原油間的內(nèi)聚力,將大油滴乳化分散成小油滴,降低賈敏效應(yīng),從而提高原油流經(jīng)孔喉的通過率。

        圖2 不同濃度納米微乳液與原油間的界面張力隨時(shí)間的變化

        2.2.3 潤濕性

        用硅油改性后的石英片與去離子水之間的接觸角約為135°。用不同濃度的納米微乳液浸泡后,石英片的潤濕性發(fā)生改變。由表2 可見,水浸泡后的石英片為中性潤濕,而經(jīng)納米微乳液浸泡后的石英片呈現(xiàn)親水性。其中,0.3%納米微乳液的潤濕反轉(zhuǎn)效果最好。實(shí)驗(yàn)表明,納米微乳液的潤濕反轉(zhuǎn)作用明顯,可將油濕表面轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)水濕表面;納米微乳液的濃度越高,潤濕反轉(zhuǎn)能力越強(qiáng)。潤濕性的改變降低了原油在油藏中的黏附功,使原油更易從地層表面洗脫。

        2.3 納米微乳液的自發(fā)滲吸驅(qū)油效果

        將飽和原油的巖心放入0.3%納米微乳液中浸泡,在滲吸過程中油滴從巖心的頂端和側(cè)面析出,析出的小油滴顆粒較小且分布集中。小油滴逐漸匯聚成大油滴,由于油水密度和重力差異離開巖心表面。

        在65 ℃下,巖心在不同濃度納米微乳液與配液用水中的自發(fā)滲吸采收率如表3 所示。由表可見,自發(fā)滲吸采收率隨微乳液濃度的增加逐漸增大。巖心在0.3%納米微乳液的滲吸采收率可達(dá)43.2%,約為水的2.4倍。巖心在不同濃度納米微乳液與配液用水的自發(fā)滲吸采收率隨時(shí)間的變化如圖3 所示。由圖3 可見,納米微乳液縮短了達(dá)到自發(fā)滲吸平衡所需要的時(shí)間。在配液用水中達(dá)到平衡的時(shí)間約為60 h,而在納米微乳液中達(dá)到平衡的時(shí)間約為40 h。

        不同溫度下,巖心在0.3%納米微乳液中的滲吸采收率隨時(shí)間的變化如圖4 所示。30、45、65 ℃下納米微乳液的滲吸采收率分別為40.18%、41.58%、43.40%。隨著溫度的升高,巖心在納米微乳液中的滲吸采收率增加,但增幅較小。溫度的升高縮短了納米微乳液達(dá)到滲吸平衡所需要的時(shí)間。這是由于隨著溫度的升高,原油黏度降低,同時(shí)巖石本身的性質(zhì)受到影響。一方面溫度升高巖心的潤濕系數(shù)增大,親水性增強(qiáng),有利于滲吸的進(jìn)行;另一方面,溫度的升高使巖心孔喉表面的液膜厚度減小,孔喉有效半徑增大,降低了滲吸前期納米微乳液的滲吸阻力,減少了滲吸平衡所需要的時(shí)間。

        圖4 不同溫度下巖心在納米微乳液中的滲吸采收率隨時(shí)間的變化

        2.4 納米微乳液提高自發(fā)滲吸采收率機(jī)理

        在致密油藏自發(fā)滲吸過程中,主要作用力為毛細(xì)管力和重力。姚同玉等[15]發(fā)現(xiàn)重力和毛細(xì)管力雖然是滲吸驅(qū)油的必要條件,但并不能決定滲吸作用是否發(fā)生。除考慮重力和毛細(xì)管力,還應(yīng)考慮潤濕性的影響,因此對(duì)滲吸判別方程進(jìn)行了修正,見式(2)。

        其中,NB-1—滲吸機(jī)理判別參數(shù);θ—潤濕角,°;σ—油水界面張力,mN/m;—多孔介質(zhì)的孔隙度,%;K—多孔介質(zhì)的滲透率,μm2;Δρ—油水密度差,g/cm3;g—重力加速度,m/s2;H—多孔介質(zhì)的高度,cm;C—與多孔介質(zhì)幾何尺寸有關(guān)的常數(shù),圓形毛管的C為0.4。

        如果在自發(fā)滲吸過程中只受毛細(xì)管力控制,則發(fā)生的是逆向滲吸;如果滲吸過程只受重力控制,則發(fā)生的是順向滲吸[16]。當(dāng)NB-1>5時(shí),巖心的自發(fā)滲吸主要由毛細(xì)管力控制;NB-1<1 時(shí),巖心的自發(fā)滲吸主要由重力控制;當(dāng)1≤NB-1≤5時(shí),巖心的滲吸既受毛細(xì)管力控制也受重力的控制[17]。僅依靠某一作用力發(fā)揮作用無法大幅度提高采收率,只有毛細(xì)管力與重力協(xié)同作用才能最大程度提高采收率[18]。0.05%、0.1%、0.3%納米微乳液的NB-1分別為2.91、2.72和3.38。滲吸過程由毛細(xì)管力和重力共同發(fā)揮作用,逆向滲吸和順向滲吸同時(shí)進(jìn)行,這與自發(fā)滲吸過程中油滴從巖心頂部和巖心側(cè)部析出相符。

        在進(jìn)行自發(fā)滲吸采油時(shí),巖石親水性越強(qiáng),水濕指數(shù)越高,毛細(xì)管力驅(qū)動(dòng)效果越強(qiáng),水驅(qū)替出的油就越多,滲吸采收率越高[19]。因此,自發(fā)滲吸驅(qū)油調(diào)整巖石的潤濕性尤為重要。界面張力的減小對(duì)自發(fā)滲吸具有雙重作用。一方面,界面張力的降低可使黏附功減小,提高洗油效率;另一方面,過低的界面張力會(huì)導(dǎo)致低毛細(xì)管力,自發(fā)滲吸過程中無法提供足夠的驅(qū)動(dòng)力,不利于液體在致密油藏中的自發(fā)滲吸。因此,在選擇提高自發(fā)滲吸效果的驅(qū)油劑體系時(shí),在滿足低界面張力的前提下,應(yīng)同時(shí)關(guān)注驅(qū)油劑對(duì)巖石表面潤濕性的改善能力。納米微乳液具有良好的潤濕反轉(zhuǎn)能力,能將油濕表面轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)水濕表面,可以將原本的毛管阻力轉(zhuǎn)換為驅(qū)油動(dòng)力。巖石潤濕性的改變可以阻止已經(jīng)從壁面上剝離的油再一次黏附在巖石表面,大大提高自發(fā)滲吸采收率。除此之外,納米微乳液能適當(dāng)降低油水界面張力,提供自發(fā)滲吸的動(dòng)力,在一定程度上改善原油流動(dòng)能力,使原油更易變形,減少賈敏效應(yīng),提高自發(fā)滲吸采收率。

        3 結(jié)論

        納米微乳液粒徑尺寸小,具有良好的穩(wěn)定性、潤濕反轉(zhuǎn)能力及適度低的界面張力。良好的穩(wěn)定性可以保證納米微乳液在條件苛刻的致密油藏中穩(wěn)定存在進(jìn)而發(fā)揮作用;極小的粒徑尺寸可以使納米微乳液順利進(jìn)入致密油藏的細(xì)小孔喉,擴(kuò)大波及體積;良好的潤濕反轉(zhuǎn)能力可以將油藏中的油濕表面反轉(zhuǎn)為強(qiáng)水濕表面,使毛細(xì)管力由驅(qū)油阻力轉(zhuǎn)換為自發(fā)滲吸動(dòng)力;適度低的界面張力,一方面為自發(fā)滲吸提供了驅(qū)動(dòng)力,另一方面改變了原油的流動(dòng)能力,可以驅(qū)動(dòng)更多殘余油,進(jìn)一步提高自發(fā)滲吸采收率。在納米微乳液提高致密油藏自發(fā)滲吸采收率的過程中,潤濕性的改變比低界面張力具有更重要的作用。致密油藏自發(fā)滲吸提高采收率應(yīng)同時(shí)重點(diǎn)關(guān)注潤濕反轉(zhuǎn)能力,而不應(yīng)單單追求超低界面張力。

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