諶鵬飛

中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部 河北 燕郊 065201

油氣資源儲(chǔ)存在埋藏?cái)?shù)千米的地下巖石的孔隙和裂縫中，儲(chǔ)存油氣的巖石必須具備一定的孔隙度和滲透性，孔隙度和滲透性直接決定了巖層儲(chǔ)存油氣的數(shù)量和油氣的產(chǎn)能。目前發(fā)現(xiàn)的主要油氣巖石儲(chǔ)層有砂巖儲(chǔ)層、碳酸鹽儲(chǔ)層、火山巖儲(chǔ)層、結(jié)晶巖儲(chǔ)層和泥質(zhì)巖儲(chǔ)層，這些巖石儲(chǔ)層都有良好的孔隙度和滲透性。在油氣圈閉儲(chǔ)層中，除油氣資源外，也含有地層水，當(dāng)水和巖石接觸，能夠?qū)r石中的油驅(qū)趕出來(lái)，該巖石具有親水特征。當(dāng)油和巖石表面接觸，油進(jìn)入巖石孔隙而將水?dāng)D出，則該巖石具有親油特征。巖石的親水和親油特征，決定了油、氣、水三相流體在巖石孔隙中的分布，也直接決定著油氣田的開(kāi)采方式和油層采收率。地層巖石的親水和親油性可以通過(guò)潤(rùn)濕角θ來(lái)進(jìn)行判定。當(dāng)θ<90o時(shí)，巖石可以被水潤(rùn)濕，即巖石表現(xiàn)出親水性，水更容易在巖石表面流動(dòng)，可以理解為水平鋪在巖石上，形成一層1-100nm的“水膜”[1]；當(dāng)θ=90o時(shí)，油、水潤(rùn)濕巖石的能力相當(dāng)，即巖石既不親水也不親油，表現(xiàn)為中性潤(rùn)濕；當(dāng)θ>90o時(shí)，巖石能夠被油潤(rùn)濕，即巖石表現(xiàn)為親油性，油更容易在巖石表面吸附和流動(dòng)，這可以理解為油平鋪在巖石上，形成一層“油膜”。另外，由Brown和Fatt等人提出的分潤(rùn)濕性，巖石的不同部位，表現(xiàn)為不同的潤(rùn)濕傾向[2]。

地層巖石的潤(rùn)濕性并不是固定不變，它會(huì)隨著其他物質(zhì)如表面活性劑的加入導(dǎo)致巖石表面的潤(rùn)濕性發(fā)生變化，即潤(rùn)濕角θ改變，發(fā)生潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)。其作用機(jī)理是表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)是兩親結(jié)構(gòu)，一端為極性親水基團(tuán)，另一端為非極性疏水基團(tuán)（親油性）。由于巖石表面是水潤(rùn)濕，而水是強(qiáng)極性分子，根據(jù)相似相容原理，極性基團(tuán)之間相互自發(fā)吸附，固液界面張力顯著降低，而其非極性疏水基團(tuán)與極性水分子排斥而離開(kāi)水，使疏水基團(tuán)（親油性）朝上，(見(jiàn)圖1)，發(fā)生潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)，巖石表面呈親油性。反之亦然，如果巖石表面是油潤(rùn)濕，也會(huì)隨著表面活性劑的加入導(dǎo)致潤(rùn)濕發(fā)生反轉(zhuǎn)，呈水潤(rùn)濕性。一旦發(fā)生潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)，仍然采取之前的驅(qū)油方式，則會(huì)導(dǎo)致采收率下降。因此，在西馬某井經(jīng)過(guò)近7年的生產(chǎn)后，于2022年3月中旬進(jìn)行修井作業(yè)。重新投產(chǎn)后，甲方懷疑修井液成分中可能含有某種表面活性劑物質(zhì)，在和地層發(fā)生接觸后，導(dǎo)致巖石表面的原始親水潤(rùn)濕性質(zhì)發(fā)生改變，采用注水驅(qū)油后，產(chǎn)量開(kāi)始不穩(wěn)并有下降趨勢(shì)。針對(duì)作業(yè)者的擔(dān)憂，設(shè)計(jì)了一系列修井液的潤(rùn)濕角測(cè)試實(shí)驗(yàn)，并用德國(guó)Kruss Gmbh潤(rùn)濕角測(cè)定儀進(jìn)行潤(rùn)濕角測(cè)定，判定潤(rùn)濕角θ是否大于90o。

圖1 潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn)

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)方案

在該井使用的修井液中，使用了NaCL加重的封隔液和HEC堵漏液，其中封隔液的設(shè)計(jì)比重為1.08g/cm3，后由于該井嚴(yán)重漏失，在井控安全范圍內(nèi)，降低封隔液的比重為1.03g/cm3，并在泥漿池中配置HEC堵漏液泵入井下進(jìn)行堵漏。在有HEC堵漏液堵漏情況下，該井總共漏失封隔液358m3。因此，針對(duì)作業(yè)者懷疑的儲(chǔ)層巖石表面潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了兩個(gè)針對(duì)封隔液和HEC堵漏液潤(rùn)濕角的測(cè)定實(shí)驗(yàn)。即：定性試驗(yàn)和定量實(shí)驗(yàn)。定性實(shí)驗(yàn)從觀察者肉眼的角度初步篩查潤(rùn)濕性是否發(fā)生了反轉(zhuǎn)。而定量實(shí)驗(yàn)利用德國(guó)Kruss Gmbh潤(rùn)濕角測(cè)定儀進(jìn)行潤(rùn)濕角數(shù)據(jù)測(cè)定，通過(guò)附著功W的大小判定是否發(fā)生了潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)。

1.1.1 定性實(shí)驗(yàn)方案-接觸角觀察

（1）空白實(shí)驗(yàn)，a）在88℃下，用人工地層水浸泡和地層物性相似的400MD沙盤(pán)24小時(shí)；b）在浸泡后的沙盤(pán)上分別滴入蒸餾水和原油，觀察沙盤(pán)表面的液滴形狀。

（2）a）在88℃下，用人工地層水浸泡400MD沙盤(pán)24小時(shí)；b）將浸泡過(guò)24小時(shí)人工地層水的沙盤(pán)放入HEC堵漏液中，在88℃下，再次浸泡24小時(shí)；c）取出浸泡后的沙盤(pán)，并分別滴入蒸餾水和原油，觀察沙盤(pán)表面的液滴形狀變化。

（3）：a)在88℃下，用人工地層水浸泡400MD沙盤(pán)24小時(shí)；b）將浸泡過(guò)24小時(shí)人工地層水的沙盤(pán)放入封隔液中，在88℃下，再次浸泡24小時(shí)；c）取出浸泡后的沙盤(pán)，并分別滴入蒸餾水和原油，觀察沙盤(pán)表面的液滴形狀變化。

1.1.2 定量實(shí)驗(yàn)方案-接觸角測(cè)定

采用取自作業(yè)者巖芯庫(kù)1645.57m的K10.1地層真實(shí)巖芯進(jìn)行接觸角測(cè)定，測(cè)試方法如下：

（1）稱量干燥巖芯重量M1；

（2）浸泡在人工地層水中，利用超聲波處理巖芯6分鐘，直到巖芯起泡消失，稱量浸泡后的巖芯質(zhì)量M2；小心移動(dòng)該巖芯到接觸角測(cè)定儀上，進(jìn)行潤(rùn)濕角θ1測(cè)定。測(cè)量后，稱重；

（3）繼續(xù)浸泡該巖芯在HEC堵漏液中，超聲波處理6分鐘，稱重M3，取出該巖芯，放在潤(rùn)濕角測(cè)定儀上測(cè)定θ2。測(cè)量后，稱重；

（4）稱重后，取出巖芯，放在人工地層水中浸泡，超聲波處理巖芯6分鐘，稱重。在50℃條件下，烘干5分鐘，并利用惰性氣體氮?dú)獯蹈蓭r芯，稱重M4；

（5）取出巖芯，放在封隔液中浸泡，超聲波處理巖芯6分鐘，稱重M5。將巖芯放在潤(rùn)濕角測(cè)定儀下，測(cè)量潤(rùn)濕角θ3；測(cè)量后，稱重；

（6）取下巖芯，放在地層水浸泡，超聲波處理6分鐘，稱重M6。后再50℃烘干5分鐘，并用氮?dú)獯蹈?，稱重。

1.2 修井液配方

封隔液配方： NaCL鹽水+0.5%殺菌劑PFBIO+1.2%除氧劑PF-OSY 1+0.5%防腐劑PF-COR FILM-W+3%潤(rùn)滑劑Radiagreen EME salt。

HEC堵漏液配方：NaCL鹽水+1.2%羥乙基纖維素PF-HEC。

人工地層水配方如表1所示。

表1 人工地層水配方

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)三組定性實(shí)驗(yàn)后，從圖2、圖3和圖4中可以看出，空白實(shí)驗(yàn)中，加入蒸餾水后（藍(lán)色示蹤劑），潤(rùn)濕角θ為0，沙盤(pán)表面完全潤(rùn)濕。滴入原油后，潤(rùn)濕角θ小于90度。當(dāng)該沙盤(pán)浸泡HEC堵漏液和氯化鈉封隔液后，通過(guò)肉眼觀察，水滴和油滴的的潤(rùn)濕角對(duì)比空白實(shí)驗(yàn)的潤(rùn)濕角改變較小。從而三組定性實(shí)驗(yàn)證明，通過(guò)模擬修井液浸泡沙盤(pán)實(shí)驗(yàn)，HEC堵漏液和氯化鈉封隔液無(wú)法改變固體表面潤(rùn)濕角從小于90度到大于90度，且對(duì)潤(rùn)濕角的改變影響有限。

圖2 浸泡空白實(shí)驗(yàn)

圖3 HEC堵漏液浸泡實(shí)驗(yàn)

圖4 封隔液浸泡實(shí)驗(yàn)

同時(shí)，對(duì)潤(rùn)濕角的定量測(cè)定實(shí)驗(yàn)，得出相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示。如圖4、圖5和圖6所示，潤(rùn)濕角θ1，θ2和θ3分別是58.90，28.20和28.90，該地層巖芯表面的潤(rùn)濕角經(jīng)過(guò)HEC堵漏液和氯化鈉封隔液接觸后，潤(rùn)濕角度變小。根據(jù)判斷潤(rùn)濕程度的附著功W的定義，附著功是指在非濕相流體（如氣相）中，將單位面積的濕相從固體界面拉（離）開(kāi)所做的功。附著功W越大，濕相越不容易從固體表面剝離下來(lái)，濕相流體對(duì)固體的潤(rùn)濕程度越好。因此，可以用附著功判斷巖石潤(rùn)濕程度的好壞。附著功W，可表示為如下公式，其中σgl為氣液界面張力，θ為潤(rùn)濕角。因此，隨著θ的減小，附著功W越大，濕相流體對(duì)固體的潤(rùn)濕性越好[5]。同時(shí)，在圖6中得知，封隔液液滴拉（離）固體表面的界面張力σgl為8.99mN/m，因此計(jì)算得出附著功W=16.86mN/m。

表2 潤(rùn)濕角測(cè)定數(shù)據(jù)

圖5 潤(rùn)濕角θ1=58.90

圖6 潤(rùn)濕角θ2=28.20

圖7 潤(rùn)濕角θ3=28.90

附著功W=σgl·（1+cosθ）

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)定性實(shí)驗(yàn)，證明無(wú)論是修井液中的氯化鈉封隔液還是HEC堵漏液均不會(huì)導(dǎo)致巖石界面的親水性發(fā)生反轉(zhuǎn)，從而也從側(cè)面證明了封隔液和HEC堵漏液中不含有表面活性劑物質(zhì)。

經(jīng)過(guò)德國(guó)Kruss Gmbh潤(rùn)濕角測(cè)定儀對(duì)潤(rùn)濕角的測(cè)定，直接證明了修井液不會(huì)接觸巖芯后，不會(huì)發(fā)生潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)，也不存在封隔液和HEC堵漏液含有表面活性劑成分。

該井經(jīng)過(guò)7年生產(chǎn)，修井后，注水作業(yè)不久產(chǎn)量不穩(wěn)，可能原因是原油中含有的表面活性組分（瀝青質(zhì)）長(zhǎng)期接觸巖石表面[3]，其表面活性組分一般都含有氧，氮或則硫的化合物，親水極性端吸附在巖石表面，親油烴端暴露，導(dǎo)致巖石表面的潤(rùn)濕性發(fā)生反轉(zhuǎn)。如發(fā)生潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)，再繼續(xù)注水采油，則親水油層的油難以驅(qū)替出來(lái)，導(dǎo)致產(chǎn)量會(huì)降低。如發(fā)生潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)，可以注入含有表面活性劑的活性水進(jìn)行驅(qū)替。根據(jù)極性相吸的原理，活性水中的疏水基團(tuán)和巖石表面經(jīng)潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)后的疏水基團(tuán)（烴端）同極吸附，降低界面張力，親水基團(tuán)暴露朝上，再次發(fā)生潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)，使親水油層的油相更容易被驅(qū)走，從而提高采收率[2]。