張強，陳士佳，李奇，吳曉燕，張軍輝，劉觀軍，任樹亮

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452；2.海洋石油高效開發(fā)重點實驗室，天津 300452；3.中海油能源發(fā)展股份有限公司提高采收率重點實驗室，天津 300452）

渤海油田探明儲量中55%左右為稠油儲量，其中普通稠油儲量占比51.9%，特稠油儲量占比為3.6%。目前稠油油藏的開發(fā)主要通過冷采降黏和蒸汽熱采等方式開展，但在海上平臺開展冷采和熱采均存在成本高、施工難度大等問題。因此，開展海上油田稠油開采新技術(shù)、新體系的研究，對于海上油田稠油提高采收率具有重要的意義[1-4]。針對渤海某稠油油田儲層高孔、中高滲的特征，地下原油黏度為400 mPa·s，階段開采的含水率已達85%，需要開發(fā)新型適宜稠油油藏開發(fā)的體系，進一步擴大波及、提高洗油效率。納米材料是一種近幾年來新出現(xiàn)的智能材料，受到人們越來越多的關(guān)注[5-7]。在采油領(lǐng)域中，由于其具有獨特的小尺寸、高比表面、表面效應(yīng)強，可以有效的改變巖石的潤濕性，具有獨到的驅(qū)洗效果。

本文選取納米微片作為研究對象，其為一種片狀的納米材料，呈金屬光澤的小顆粒，在油-水界面中易形成面-面的接觸，提高接觸效率。在常規(guī)的措施中，具有潤濕反轉(zhuǎn)、乳化降黏、洗油等性能。室內(nèi)實驗考察了納米微片與目標(biāo)油田的配伍性、界面特性、降黏-乳化性能以及驅(qū)替性能；通過微觀驅(qū)油實驗，評價了納米體系的驅(qū)油效果，分析其在海上油田應(yīng)用的可行性，為海上稠油高效開發(fā)開采提供新思路[8-10]。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

渤海油田稠油油樣，黏度為400 mPa·s（油藏溫度52 ℃）；渤海某油田地層模擬水（礦化度9 200 mg/L），納米微片（片狀黑色納米材料，幾何尺寸60 nm×80 nm×1.2 nm）。

1.2 實驗設(shè)備

DV2T 黏度計，TW20 恒溫水浴，動靜態(tài)光散射儀，接觸角測試儀，ISCO 流量泵；活塞式中間容器（0.2～1 L，工作壓力≤32 MPa），壓力傳感器，30 cm×2.5 cm填砂管（工作壓力≤32 MPa）。

1.3 實驗內(nèi)容

1.3.1 納米微片靜態(tài)性能評價 利用模擬地層水配制不同濃度的納米微片溶液，采用動靜態(tài)光散射儀測試其不同老化時間條件下的粒徑大??；利用接觸角測試儀測試其在油濕界面的潤濕性能；將配制的溶液與原油配制不同含油率的油水混合樣，通過黏度計等測試其乳化降黏性能。

1.3.2 納米微片驅(qū)油性能評價 采用填砂管物理模擬模型為驅(qū)替巖心模型，將經(jīng)過處理后的填砂管模型抽真空后飽和模擬水、模擬油。利用恒速驅(qū)替泵開展水驅(qū)實驗，直至出口端采出液的含水率達到98%停止注入；按照設(shè)計的參數(shù)，注入納米微片溶液后；后續(xù)水驅(qū)至含水率98%停止實驗，計算最終的驅(qū)油采收率，研究納米微片的驅(qū)油效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米微片的靜態(tài)性能評價

2.1.1 分散性能測試 選用納米微片不同濃度的溶液（濃度0.005%、0.010%、0.015%、0.020%）進行分散性能測試，利用動靜態(tài)光散射儀測試其在不同濃度、靜置不同時間后的粒徑分布，見圖1。

圖1 不同濃度的納米微片在不同時間的分散粒徑分布Fig.1 Dispersed particle size distribution of nanosheets with different concentrations at different times

從圖1 可以看出，隨著靜置時間的推移，溶液中的粒徑并未出現(xiàn)大幅度的上升，未出現(xiàn)明顯的聚集，表明體系在溶液中分散性及穩(wěn)定性較好。

2.1.2 界面性能測試 將納米微片注入到經(jīng)過油濕預(yù)處理的毛細(xì)管中，觀察注入前、后油水界面的變化，分析納米材料對油水界面的影響，實驗結(jié)果見圖2。由圖2 可以看出，納米微片的注入，毛細(xì)管表面由油濕界面逐漸向水濕界面改變。

圖2 納米微片對油水界面的影響Fig.2 Influence of nanosheets on oil and water interface

為進一步說明納米微片具備改變油水界面性質(zhì)的特性，進行了接觸角的性能測試。將納米微片溶液滴在經(jīng)過油濕處理的玻璃薄片上，利用接觸角測定儀測試納米微片溶液在油濕玻璃薄片上接觸角的變化；同時測試了在油-水-固條件下，油滴懸浮在納米溶液中，在油濕界面上的變化，實驗結(jié)果見圖3、圖4。

圖3 納米微片潤濕性實驗Fig.3 Wettability experiment of nanosheets

圖4 納米微片液-固-液接觸角測試Fig.4 Liquid-solid-liquid contact angle test of nanosheets

圖3 為液固接觸角的測試，可以看出，初始接觸角為92.67°，表現(xiàn)為油濕界面；隨著老化時間的推移，接觸角變?yōu)?4.92°，變?yōu)樗疂窠缑妗?/p>

圖4 為油-水-固的三相界面接觸角測試，隨著老化時間的推移，油滴與玻璃表面的接觸角逐漸變小?？梢钥闯觯{米微片在油水界面聚集，會不斷的滲透進油滴與巖石的界面中，改變巖石表面的潤濕性，將油滴慢慢的從固體表面剝離。

2.1.3 乳化降黏性能測試 將不同濃度的納米微片溶液與脫水原油（初始黏度400 mPa·s）配制成不同含油率的油水體系，在52 ℃下恒溫30 min，玻璃棒攪拌1 min，測定其在52 ℃下的黏度，實驗結(jié)果見圖5。

圖5 不同條件下的納米微片降黏率Fig.5 Viscosity reduction rate of nanosheets under different conditions

隨著納米微片濃度的增加，降黏率越高，溶液中的含油量越低，降黏率越高；當(dāng)納米微片的濃度大于0.005%時，不同含油率的條件下，降黏率均能達到90%以上，具有較好的降黏性能。

將0.005%的納米微片溶液與脫水原油（初始黏度400 mPa·s）配制成不同含油率的油水體系，置于離心管中，在52 ℃下恒溫30 min 后，手動振蕩100 次后，記錄其破乳的時間，實驗結(jié)果見圖6。

圖6 不同油水比的破乳效率Fig.6 Demulsification efficiency of different oil water ratios

由圖6 可以看出，含油量越少，乳化效果越好，破乳所需時間越長；靜置15 min 后，油水混合液的破乳率均達到85%以上。當(dāng)納米微片體系與原油接觸后，其較強的乳化能力、分散能力會與原油形成納米級的乳狀液分散在溶液中，在初期的微動力條件下形成穩(wěn)定的乳狀液；但納米顆粒會在靜置后從油水界面中不斷的脫離，其形成的乳狀液會不斷破乳分層。

2.2 驅(qū)油效果評價

選取0.005%的納米微片及黏度不同的原油進行巖心動態(tài)驅(qū)替實驗，考察納米微片在不同滲透率下的驅(qū)油效果，實驗結(jié)果見表1。

表1 不同條件下納米微片的驅(qū)油效果Tab.1 Oil displacement effects of nanosheets under different conditions

由表1 可以看出，隨著滲透率的升高，納米微片的提高采收率幅度逐漸下降；與高滲透率的巖心相比，低滲透率的巖心具有更高的比表面積，在低滲透率的巖心中，納米微片與原油具有更長的接觸時間，有效的發(fā)揮其楔形滲透作用，不斷的進入原油與巖石的界面，將原油從巖石表面剝離，有效提高原油采收率。

2.3 納米微片微觀可視化驅(qū)油機理

為了表征納米微片在孔隙中的作用機理，對滲透率為2 500 mD 的微觀模型，以25 μL/min 的注入速率注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.005%的納米微片，實驗結(jié)果見圖7、圖8。

圖7 納米微片的微觀驅(qū)油效果Fig.7 Microscopic oil displacement effect of nanosheets

圖8 納米微片的微觀驅(qū)油機理Fig.8 Microscopic oil displacement mechanism of nanosheets

從圖7 可以看出，水驅(qū)后注入納米微片體系可以有效的動用水驅(qū)未動用的剩余油，較水驅(qū)提高采收率約為12%。從圖8a 可以看出，在納米驅(qū)油體系注入巖心后，在水驅(qū)未動用的部分，油滴會隨著體系的流動而逐漸的聚并，形成油墻，逐漸被驅(qū)替出來。放大局部水驅(qū)驅(qū)替通道。從圖8b 可以看出，較大油滴在納米顆粒的作用下，會分散成小油滴，通過較小的孔道被驅(qū)替出來。

通過納米體系的界面特性與微觀驅(qū)油實驗研究可以看出：納米微片體系改變了巖石表面的潤濕性，從油濕界面變?yōu)樗疂窠缑?，使得油膜在?qū)動力的作用下更易脫離巖石表面；納米顆粒會逐漸滲透至油與巖石的接觸表面，從而形成一個楔形滲透的區(qū)域，在驅(qū)動液的作用下，納米流體會沿著巖石表面楔形區(qū)域擴散，降低油與巖石表面的作用力，從而從巖石表面脫落。

3 結(jié)論

納米微片是一種幾何尺寸60 nm×80 nm×1.2 nm的黑色片狀驅(qū)油體系，其具有良好的分散性能，在30 d的老化實驗中，溶液中的顆粒未發(fā)生明顯的聚集，分散性能較好。

通過對其界面性能分析，其具有較強的親油-親水特性，可以有效的改變界面的潤濕性能，降低巖石孔隙的毛管阻力，使得原油在巖石表面附著力降低，更易被驅(qū)替出來。

該納米微片在水相中分散較為穩(wěn)定，具有較好的較強的油水界面性能，可以有效的降低原油的黏度，其15 min 的破乳率達到85%以上，完全滿足作業(yè)現(xiàn)場產(chǎn)出處理需求。

巖心驅(qū)替實驗表明，低滲較高滲條件更有利于納米微片的功能發(fā)揮，在1 000 mD 的油藏條件下，0.005%的納米微片可以在水驅(qū)基礎(chǔ)上提高采收率12.58%。