纳米乳液渗吸驱油剂性能评价与应用*

2023-01-10丁小惠

油田化学 2022年4期

丁小惠，周丹，吴凯，李栓，贺勇，余波，陈丽

（1.捷贝通石油技术集团股份有限公司，四川成都 610015；2.新疆油田分公司百口泉采油厂，新疆克拉玛依 834000；3.中国石油集团川庆钻探工程有限公司井下作业公司，四川成都 610051）

低渗透油藏具有岩石埋藏致密、渗透性差等特点，在体积压裂后，随着开采时间的延长，油气层本身的能量不断消耗，压力不断下降，使产量大幅降低，甚至停产，导致储层中存在大量的残余油［1］。如何开采出剩余油，是进一步提高采收率的瓶颈。化学驱是提高采收率的重要方法。在常规油藏中，聚合物和表面活性剂强化采油（EOR）的效果已被广泛证实［2-6］。然而，由于低渗透油藏孔喉尺寸小、渗流能力差，聚合物长链分子在通过低孔喉半径的多孔介质时容易发生断裂，从而限制了聚合物在低渗透储层中的应用［7］。因此，表面活性剂驱是低渗透油藏提高采收率较有潜力的方法之一。

乳化作用是表面活性剂驱油的重要机制之一。表面活性剂具有低油水表/界面张力，可以将原油从岩石表面剥离并提高采收率［8］。近几十年来，研究人员开始使用表面活性剂来制备具有良好采收率效果的乳液型驱油剂［9-10］。但由于乳液粒径大、吸附损失大，使得乳液驱在低渗透油藏中的应用并不经济。另一种方法是开发粒径小，易进入微小孔喉的纳米流体。Youssif 等［11］研究了平均粒径为22 nm的亲水单分散二氧化硅纳米颗粒驱油对采收率的影响。采用0.1%二氧化硅纳米流体三次采出技术后再用水驱二次采出技术，采收率提高了13.28%。然而，普通的纳米驱油颗粒很难提高驱油效率。因此，亟需研发一种适用于低渗透油藏、粒径小且驱油效率高的驱油体系。本文使用有机溶剂、双子表面活性剂以及水相组成的新配方，复配制得了纳米乳液渗吸驱油剂，优化了纳米乳液渗吸驱油剂体系的加量，并与常规的驱油剂性能进行了对比。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

纳米乳液渗吸驱油剂（GPNR-2），由有机溶剂、双子表面活性剂双烷基酚酮聚氧乙烯醚以及水相复配制得，其中双子表面活性剂质量分数为20%～30%，自制［23］；新疆油田X区块注入水，矿化度为8724 mg/L、钙镁离子含量为550 mg/L；原油，黏度为0.7 mPa·s、密度为0.732 g/cm3；天然岩心；磺酸盐表面活性剂，新疆某油田提供；甲基硅油，分析纯，成都市科龙化工试剂厂；纯净水；采用氯化钠配制不同矿化度的盐水；采用氯化钙、氯化镁配制不同钙镁离子含量的盐水。

TX-500C+旋转滴界面张力仪，美国科诺工业有限公司；气体孔渗联测仪、岩心饱和仪、LDY-70/180型高温高压流体敏感性损害评价仪，海安县石油科研仪器有限公司；NS-90Z 纳米粒度及电位分析仪，珠海欧美克仪器有限公司；JCY-1接触角测量仪，上海方瑞仪器有限公司；MacroMR12-150HTHP-I三维核磁过程成像分析及流动实验分析仪，苏州纽迈分析仪器股份有限公司；赛多利斯BSA224S 分析天平，广州市深华生物技术有限公司；JYW-200C表面张力仪，承德鼎盛试验机检测设备有限公司；S212电子恒速搅拌器，上海申顺生物科技有限公司。

1.2 实验方法

（1）粒径分析

用纳米粒度仪测定纳米乳液渗吸驱油剂的粒度分布。

（2）油水表/界面张力的测定

用注入水配制不同质量分数的驱油剂溶液，参照石油天然气行业标准SY/T 5370—2018《表面及界面张力测定方法》，测定纳米乳液驱油剂溶液的表面张力及其与原油间的界面张力，取界面张力的平衡值。

（3）性能评价

润湿性能。用甲基硅油涂抹浸泡载玻片，烘干后使载玻片表面形成油膜，将载玻片原始的亲水性变为亲油性。0.2%纳米乳液渗吸驱油剂与亲油基板经过一定时间的作用，采用接触角测量仪测定0.2%纳米乳液在玻璃基板表面的接触角变化。

吸附性能。用注入水配制质量分数为0.15%～0.3%的纳米乳液渗吸驱油剂溶液。将岩心通过洗油处理、晾干粉碎，取0.25～0.15 mm（60～100 目）岩心粉末备用。将5 g岩心粉末加入100 mL驱油剂溶液中，放入摇床，以恒定速度振荡24 h后取出，取上部清液离心后测得岩心粉末在不同浓度驱油剂溶液中的静态吸附量。将岩心粉末装入填砂模型中，注入0.3 PV 不同浓度的驱油剂溶液，然后注入纯净水，检测出口端驱替液中的驱油剂含量，得到不同浓度驱油剂溶液的动态吸附量。

乳化性能。将0.2%驱油剂溶液与原油按体积比1∶1混合，加入50 mL具塞比色管中，上、下、左、右各震荡20次，记录初始和静置5 min的乳化层体积。

耐温性能。将0.2%驱油剂溶液在25～180 ℃下老化24 h后，测定老化后的油水界面张力。

抗盐性能。用不同矿化度的盐水配制0.2%驱油剂溶液，分析矿化度对驱油剂油水界面张力的影响。

（4）静态渗吸驱油效果

将岩心抽真空加压饱和地层原油，然后在90 ℃恒温箱中老化24 h以上。将饱和后的岩心用铜丝缠绕置于烧杯液体中部进行静态渗吸实验（渗吸温度90 ℃）。自岩心浸入液体开始瞬间即用秒表计时，记录自吸时间与岩心质量的变化，直至不再有油析出，表现为岩心质量恒定时结束实验。分别用质量差法［12］和孔隙度法［13］计算采收率。此外，还通过油砂洗油实验研究了纳米乳液驱油剂剥离油膜的能力。

（5）岩心驱替实验核磁共振表征

选取2块长约5 cm、直径为2.5 cm的岩样清洗、烘干（105 ℃、48 h），分别编号为1#、2#岩心。测得1#、2#岩样的气测孔隙度分别为13.47%、12.79%，采用核磁共振T2谱测得1#、2#岩样内部束缚水占据的孔隙度分别为1.06%、0.24%。1#岩样采用纯净水加压（10 MPa）浸泡2、24 h 后进行核磁共振T2谱和成像测试；2#岩样采用0.2%纳米驱油剂溶液加压（10 MPa）浸泡2、24 h 后进行核磁共振T2谱和成像测试。由加压浸泡不同时间后核磁共振T2谱测得的可动水占据的孔隙度与气测孔隙度的百分比值，即为驱油剂占据的可动孔隙空间。

（6）渗透率恢复实验

依据石油天然气行业标准SY/T 5358—2010《储层敏感性流动实验评价方法》进行实验，实验装置示意图见图1。选取2块长约5 cm、直径为2.5 cm的岩样清洗、烘干（105 ℃、48 h），分别编号为3#、4#岩心，测定气测渗透率和孔隙度。先采用标准盐水饱和岩心，在不超过临界流速的情况下正向测定驱油剂进入前的岩心液相渗透率。反向驱替0.2%纳米驱油剂，然后正向驱替标准盐水，连续驱替至渗透率稳定。实验温度90 ℃。

图1 渗透率恢复实验装置示意图

2 结果与讨论

2.1 纳米乳液渗吸驱油机理

纳米乳液渗吸驱油剂由有机溶剂和复合型表面活性剂复配制得。形成的纳米乳液中同时含有溶剂和表面活性剂，单个乳滴尺寸为10～30 nm，因此更易进入细小孔喉，实现对纳米级孔隙的洗油［14］。同常规表面活性剂相比，纳米乳液渗吸驱油剂中的纳米颗粒在油水界面分布的厚度更小，静电斥力也使得界面分布更均匀，因此具有更低的界面张力，可以改善毛细管渗吸作用，使得岩石对原油的黏附能力下降，实现对致密纳米孔隙中原油的清洗和置换［15-18］。纳米乳液渗吸驱油剂兼具亲水和亲油两种特性，能在油藏孔道运输过程中改变岩石的润湿性，增加剥离岩石表面原油的能力，提高洗油效率［19］。纳米乳液渗吸驱油技术利用胶体分散系内的纳米级颗粒进入天然裂缝网络，这些颗粒产生布朗运动，可以在常规和非常规油藏中形成长效的油气采收机制［20-21］。在整个裂缝网络中，纳米乳液可以运移得更深更远，同时大幅降低基质中油气流动所需的驱动压差，从而更加高效地采出油气［22］。

2.2 粒径分析

0.2%纳米乳液渗吸驱油剂水溶液的平均胶束粒径为60 nm，与常规驱油剂磺酸盐表面活性剂相比，不同浓度的纳米乳液渗吸驱油剂的粒径均较小，说明纳米乳液渗吸驱油剂更容易进入纳米级孔隙，达到提高采收率的目的。

2.3 油水表/界面张力

不同质量分数驱油剂溶液在25 ℃的表面张力和60 ℃的油水界面张力见表1。纳米乳液渗吸驱油剂的表/界面张力均较低。随着驱油剂溶液浓度的升高，溶液的表面张力和油水界面张力均呈下降趋势。当驱油剂质量分数大于0.2%时，表/界面张力的降幅较小。

表1 纳米乳液渗吸驱油剂加量对表面张力及油水界面张力的影响

2.4 性能评价

2.4.1 润湿性能

0.2%纳米乳液渗吸驱油剂与亲油基板经过一定时间的作用，接触角由10°变为150°，玻璃基板表面由亲油性转变为亲水性，实现了润湿反转。根据黏附功公式，油对地层表面接触角的增加，可减少黏附功，即提高了洗油效率［24］。

2.4.2 吸附性能

表2 测试结果表明，驱油剂溶液质量分数为0.15%～0.25%时，岩心粉末对驱油剂的吸附量较小。建议现场驱油剂使用加量控制在0.2%左右。

表2 岩心粉末对驱油剂的吸附量

2.4.3 乳化性能

0.2%纳米乳液渗吸驱油剂溶液、常规驱油剂磺酸盐表面活性剂与原油混合后的初始乳化层体积均为50 mL，静置5 min 的乳化层体积分别为49、43 mL，乳化效率分别为98%、86%。纳米乳液渗吸驱油剂与原油的乳化效率好于常规驱油剂与原油的乳化效率。驱油剂的乳化能力越强，表明驱油剂更容易使油水界面分散变形，乳状液液滴更稳定，油滴更易被流体带走，避免乳化原油破乳而造成原油重新滞留在孔隙中［25］。

2.4.4 耐温性能

0.2%驱油剂溶液在25、50、90、120、150、180 ℃老化24 h后的油水界面张力分别为0.0048、0.0049、0.0052、0.0054、0.0056、0.0058 mN/m。温度为25～180 ℃时，纳米乳液驱油剂的油水界面张力随温度的升高变化较小，界面张力值较低。

2.4.5 抗盐性能

用矿化度为2、5、10、50、100 g/L 的盐水配制质量分数为0.2%的驱油剂溶液，测得驱油剂溶液的油水界面张力分别为0.0038、0.0049、0.0062、0.0074、0.0091 mN/m。配液盐水矿化度在2～100 g/L时，配制的0.2%驱油剂溶液的油水界面张力均较低。矿化度对驱油剂油水界面张力的影响较小。矿化度为100 g/L时，驱油剂溶液的油水界面张力仍然保持在10-3mN/m 数量级。当配液水中的钙镁离子质量浓度为0、0.5、1、2、5 g/L时，驱油剂溶液的油水界面张力分别为0.0021、0.0039、0.0054、0.0076、0.0120 mN/m。随着钙镁离子含量的增大，驱油剂溶液的油水界面张力逐渐增加。当含量为5 g/L时，油水界面张力值为0.012 mN/m，纳米乳液驱油剂的抗盐性能较好。

2.5 纳米乳液对油水在岩心相对流动性的影响

由图2 可知，在驱替过程中，油相相对渗透率（Kro）逐渐降低，水相相对渗透率（Krw）逐渐升高。纳米乳液改变了岩心孔喉壁面的润湿性，使水的流动性能增加，产生渗吸作用，水的相对渗透率增大，水相更多进入微小孔隙，小孔隙油被置换进入大孔隙，从而提高采油效率。水驱时的残余油饱和度为20.9%，纳米乳液驱时的残余油饱和度为10.8%，残余油饱和度相较水驱时降低10.1百分点。

图2 纳米乳液对油水在岩心相对流动性的影响

2.6 静态渗吸驱油效果

0.2%纳米乳液渗吸驱油剂和0.2%常规驱油剂的驱油效果见表3。在相同的实验条件下，纳米乳液渗吸驱油剂的驱油效率明显好于常规驱油剂。

表3 不同类型驱油剂的驱油效果对比

将岩心悬挂在不同溶液中进行静态渗吸，在注入水中的岩心渗吸出油的颗粒较大且比较稀疏，在含有0.2%、0.5%纳米驱油剂的渗吸液中出油颗粒较小且密集。这说明驱油剂的微小尺寸使其更易进入岩心细小孔喉，并使岩心中的饱和油发生乳化剥离，实现互溶扩散置换驱油。由表4可见，加入纳米乳液的采收率明显高于未加纳米乳液的采收率，0.2%的纳米驱油剂即可提高采收率30 百分点以上。随着纳米驱油剂用量的增加，渗吸采收率进一步提高。同时，纳米乳液可以延长渗吸驱油作用时间（图3）。通过油砂洗油实验测得，当纳米乳液驱油剂加量为0.2%时，纳米驱油剂的洗油效果较好，洗油效率可达到46.76%。

图3 岩心在不同加量纳米乳液中的渗吸采收率与渗吸时间的关系

表4 岩心浸泡渗吸实验结果

2.7 岩心驱替实验核磁共振表征结果

为进一步验证纳米乳液驱油剂的驱替效果，收集了纳米乳液驱油剂驱和水驱的T2谱。T2谱和核磁共振成像实验结果表明，纳米驱油剂可占据98.76%的岩心可动孔隙空间，远高于纯净水（表5），进一步说明纳米驱油剂比水更易进入岩样内部孔隙空间，可增大波及体积。

表5 不同驱油体系核磁实验结果

2.8 纳米乳液对岩心渗透率恢复性能的影响

由表6 和图4 可见，在纳米乳液驱油剂注入初期，岩心渗透率呈下降趋势。随着标准盐水注入时间的延长，驱替体积增加，岩心渗透率逐渐恢复。当驱替至渗透率稳定（注入体积15 PV）后，岩心渗透率均高于初始值，表明纳米乳液可解除水锁，提高岩心渗透率，具有增渗作用。

图4 岩心渗透率随时间的变化

表6 岩心渗透率变化数据

2.9 现场应用

2.9.1 在压裂驱油方面的应用

新疆X 井于2013 年10 月压裂投产，射开P2w（3513.5～3560.0 m），射厚13.0 m；初期日产液8.3 t，日产油8.0 t，含水3.8%；2015年9月起调开生产；目前关井。地质储量4.05×104t，累产油2516.4 t，采出程度6.2%。2019 年6 月2 日对该井段采用前置1000 m30.2%纳米乳液增能工艺进行了重复压裂，措施前日产油0 t，措施后平均日产油6.3 t，最高日产油9.7 t，增产效果明显，一年累计增油量为1984.4 t。对比同区块邻井Y井，未采用纳米乳液增能而直接进行重复压裂，措施前日产油0 t，措施后平均日产油3.2 t，最高日产油6.8 t，一年累计增油量为1012.7 t，增油效果只有X井的一半左右。

2.9.2 在老井注水吞吐方面的应用

在新疆油田XX-6、XX-7两口井注入增能期间，随着纳米乳液渗吸驱油剂的注入，注入压力呈降低趋势，纳米驱油剂的注入压力从50 MPa 降至48 MPa，且注入排量相对较大，说明纳米驱油剂具有降压增注的作用。

表7 注入不同驱油剂的两口井注入压力对比

XX-6 井采用注0.2%常规驱油剂增能、XX-7 井采用0.2%纳米乳液渗吸驱油剂增能。30 d 产量统计结果（表8）表明，XX-7 井产量是XX-6 井的3.6倍。两口井总产量统计结果（表9）表明，XX-7井产量是XX-6 井的1.6 倍，返排率比XX-6 井降低45%。上述实际生产过程说明，纳米乳液渗吸驱油剂具有更好的驱油置换效果，可有效提高见油速度及初期原油产量，达到快速增产的效果。