疏水纳米颗粒在岩心表面的吸附特性试验研究

王新亮狄勤丰张任良顾春元王掌洪

(1.上海市应用数学与力学研究所(上海大学),上海 200072;2.上海市力学在能源工程中的应用重点实验室(上海大学),上海

200072;3.中国石化江苏油田分公司,江苏扬州 225009)

◀“863”计划专栏▶

疏水纳米颗粒在岩心表面的吸附特性试验研究

王新亮1,2狄勤丰1,2张任良1,2顾春元1,2王掌洪3

(1.上海市应用数学与力学研究所(上海大学),上海 200072;2.上海市力学在能源工程中的应用重点实验室(上海大学),上海

200072;3.中国石化江苏油田分公司,江苏扬州 225009)

采用纳米颗粒吸附法可以在岩心表面构建具有微纳米结构的强/超疏水表面,进而在该表面产生水流滑移,从而达到降低水流阻力及注水压力、增加注水量的目的。研究分析影响纳米颗粒在岩心表面吸附效果的主要因素对吸附效果的影响可以指导纳米降压增注材料的开发和矿场试验。通过制作纳米颗粒吸附岩心片,测试岩心片表面接触角的大小来分析纳米颗粒质量浓度、吸附时间、试验温度和p H值等对纳米颗粒吸附效果的影响。结果表明,纳米颗粒质量浓度、关井时间和试验温度都存在使纳米颗粒吸附表面的接触角达到最大的最佳值。碱性环境对纳米颗粒吸附的影响较大,而酸性环境几乎没有影响。

纳米颗粒;吸附;疏水表面;影响因素;矿场试验

注水压力偏大、注水量严重不足经常是开发低渗透和特低渗透油田所面临的主要问题[1-2]。纳米颗粒吸附法降压减阻技术是一种降低注水压力、提高注水量的新兴技术。但由于对该技术的作用机理研究不够,使纳米颗粒的研发、纳米颗粒分散液的复配,尤其是纳米颗粒与地层的匹配性等一系列问题都没有得到解决,严重制约了该技术的推广和应用。

国内学者通过研究和试验发现疏水表面可明显降低液体流动阻力,且水流在疏水表面可以产生明显的滑移现象[3-4]。狄勤丰等[5-10]提出了以疏水纳米颗粒吸附在岩石微孔道壁面形成疏水性表面并产生水流滑移的降压增注机理。

笔者基于该作用机理进行了岩心表面的纳米颗粒吸附特性研究,通过不同纳米颗粒质量浓度、不同浸泡时间、不同试验温度和不同p H值的岩心薄片吸附试验,评价了构建超疏水岩心表面的影响因素,给出了纳米颗粒吸附的最佳纳米颗粒质量浓度、最佳关井时间等。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验用纳米材料为表面改性的白色粉末状纳米SiO2,经修饰的纳米 SiO2表面存留大量不饱和残键,有良好的疏水性能。试验用纳米样品分为两种,样品 ShuNP2-40的粒径为 30～40 nm,而样品ShuNP2-10的粒径为7～10 nm。经透射电镜观察(见图1),纳米粉体为非定型结晶态,颗粒分布较均匀,有少量团聚体存在,大部分颗粒呈椭球状。

1.2 试验方法

将纳米材料加入到精滤柴油中,用乳化机以7 000 r/min的速度搅拌10 min,以确保纳米材料能够均匀分散,打开水浴锅并设定试验温度,将切成薄片并饱和3%NH4Cl水溶液的天然岩心悬挂放入纳米颗粒分散液中,并放入水浴锅中加温。浸泡一定时间后将岩心切片取出,干燥备用。

图1 纳米样品的透射电镜照片

1.3 样品制备

1.3.1 不同纳米颗粒质量浓度时样品的制备

试验选用同一油井的天然岩心A切的薄片,用纳米粉体ShuNP2-10配制成纳米颗粒质量浓度分别为0.5、1.0、1.5、2.0和3.0 g/L的分散液。将岩心薄片放入不同纳米颗粒质量浓度的分散液后并一起放入60℃水浴锅中恒温浸泡48 h,取出干燥备用。

1.3.2 不同浸泡时间时样品的制备

试验选用同一油井的天然岩心A切的薄片,用纳米粉体ShuNP2-10配制成纳米颗粒质量浓度为1.5 g/L的分散液,将6片岩心薄片放入分散液中并一起放至60℃的水浴锅中恒温浸泡,浸泡时间依次为12、18、24、36、48和60 h,取出干燥备用。

1.3.3 不同浸泡温度时样品的制备

试验选用天然岩心A和B切的薄片,用纳米粉体ShuNP2-10配制成纳米颗粒质量浓度为1.5 g/L的分散液,将4组岩心薄片放入分散液中再分别放在室温60、75和90℃的水浴锅中恒温浸泡48 h,取出干燥备用。

1.3.4 不同p H值环境时样品的制备

用纳米 ShuNP2-40配制成质量浓度1.5 g/L的油基纳米颗粒分散液;岩心片C1-1～C4-1分别用盐水沾湿,再放入纳米颗粒分散液中,浸泡48 h,拿出烘干;岩心C1-2、C2-2分别用10%HCl处理10 min,然后取出放入纳米颗粒分散液中,浸泡48 h,拿出烘干;岩心 C3-2、C4-2分别用5%NaOH处理10 min,然后取出放入纳米颗粒分散液中,浸泡48 h,取出干燥备用。

1.4 润湿性测试

采用DSA20光学接触角测试仪,测试针头为3μL的疏水针头,为了确保结果准确,采用连续拍摄的方法,接触角取稳定的值,每个样品测3组数据然后取其平均值。

2 结果分析与讨论

2.1 试验结果分析

纳米颗粒质量浓度分别为0.5、1.0、1.5、2.0和3.0 g/L时,岩心表面接触角分别为65.93°、101.12°、133.18°、90.22°和56.78°。可见,不同的纳米颗粒质量浓度,同一种岩心的表面接触角不同,接触角随着纳米颗粒质量浓度的增大先由小到大,再由大到小,在质量浓度为1.5 g/L时接触角达到最大。

浸泡时间分别为12、18、24、36、48和60 h时,岩心表面接触角分别为 22.37°、73.77°、87.53°、113.47°、128.10°和109.32°。由此可见,不同的浸泡时间,岩心片的接触角也有变化,在浸泡时间为48 h时,接触角达到最大,当时间继续延长时,接触角又有所减小。

温度分别为室温、60、75和90℃时,岩心表面接触角分别为95.3°、128.1°、118.9°和117.5°。可见,随着温度的升高,岩心表面接触角同样是先增后减,由于岩心材料不够,75℃的岩心选用物性和A岩心接近的B岩心。

根据p H值的影响试验,C1-1和C1-2的接触角分别为119.4°和107.54°,C2-1和C2-2的接触角分别为110.6°和107.7°,C3-1和C3-2的接触角分别为109.0°和0°,C4-1和C4-2的接触角分别为87.2°和0°。可以看出,纳米颗粒吸附性能对p H值比较敏感,经5%HCl处理过的岩心接触角的减幅很小,而经10%NaOH处理过的岩心变为完全亲水,说明碱性环境对纳米颗粒吸附的影响较大,而酸性环境几乎没有影响。

2.2 讨论

对于一般岩心,有效岩心微通道的尺寸都在微米级别,因此如果微通道内吸附了过多的纳米颗粒,就会出现明显的堵塞现象。从微流动角度分析,吸附了疏水纳米颗粒的微管道壁面会形成水流滑移效应,水流阻力减小,相当于有效管径变大;但同时纳米颗粒自身的尺寸不可忽略,减小了微管的物理管径,因此只有当吸附了纳米颗粒的岩心微通道壁面的表面滑移长度大于管壁吸附的纳米颗粒层厚度时,纳米颗粒吸附才会起到降压减阻的效果。

Li Ding等[11]根据前人的模拟结果给出了图2所示的固体表面接触角与滑移长度的拟合曲线。从图2可以看出,固体表面的滑移长度随着其表观接触角的增大成指数增长,也就是说固体表面的疏水性越强,产生的滑移长度就越大,水流阻力就越小。

图2 固体表面接触角与滑移长度的关系

纳米颗粒质量浓度越大,可能产生吸附的纳米颗粒就越多,产生多层吸附的可能性就越大,因此纳米颗粒质量浓度存在一个最佳吸附值,太小了很难产生疏水表面,太大了又容易堵塞孔径。同样,对于浸泡时间来说,时间太短,可能没有形成有效吸附;而时间越长,孔道表面吸附的纳米颗粒可能较多,因此也存在一个最佳浸泡时间。在实际矿场试验中一般要求关井48 h就是基于这一考虑。从前面的测试结果可以看出,所测岩心表面接触角分别在纳米颗粒质量浓度为1.5 g/L和浸泡时间为48 h时达到最大值(分别为133.18°和128.10°),可以认为达到了较好的吸附状态。

图3、4为吸附了纳米颗粒的岩心表面的SEM照片。从图3、4可以看出,岩心表面已经看不到岩石本体的特征,取而代之的是致密的纳米颗粒吸附层,纳米颗粒呈椭球状,有团聚现象,表面微结构成明显的三维结构。由于石英、长石表面光滑,残断键较少,对纳米颗粒的吸附力较小,纳米颗粒分布较整齐,更倾向于单层吸附;而由于黏土矿物表面比较粗糙,残断键较多,对纳米颗粒的吸附力较大,容易产生多层吸附。

图3 经纳米颗粒分散液处理的岩石表面(×10 000)

图4 经纳米颗粒分散液处理的岩石表面(×50 000)

对于不同深度的油井,储层温度一般存在差异,矿场试验时可以根据各种温度下的试验结果选择适合某一温度的纳米材料,以达到最佳效果。而对于矿场试验中常采用酸化预处理措施则初步解释为更多的是为了处理微通道入口及孔壁上的沉淀物[12],以确保有较好的吸附表面和入流通道,进一步的结论还有待于进行进一步的研究。

试验中还发现,对于不同的岩心,同一种纳米颗粒吸附的结果有时差异较大,这可以解释为,各种岩心的渗透性不同,对于渗透性较差的岩心,吸附纳米颗粒后岩心孔径变小,液滴很难进入孔隙而停留在吸附了纳米颗粒的岩心表面,从而表现出的接触角较大;而对于渗透性较好的岩心,尽管吸附了纳米颗粒,但是液滴还是可以流入孔隙,从而表观上表现为较小的接触角。因此,在确定纳米颗粒吸附法降压减阻效果时不能片面地用岩心吸附片的表面接触角来描述,而必须结合SEM扫描、室内岩心流动评价试验进行综合评价,其中SEM可以确定吸附的状况,而室内岩心流动评价试验则能较好地确定纳米颗粒在给定储层中的降压减阻效果。

3 结 论

1)不同纳米颗粒质量浓度和浸泡时间的岩心吸附结果表明,随纳米颗粒质量浓度、浸泡时间的变化,接触角存在最大值,表现出较好的疏水状态。

2)不同温度的岩心吸附结果表明,随着温度的升高,岩心表面接触角表现为先增大后减小,因此可以根据储层温度选择合适的纳米材料。

3)不同pH值的岩心吸附结果表明,经5%HCl处理过的岩心接触角有很小的降幅,而经10%NaOH处理过的岩心变为强亲水,说明碱性环境对纳米颗粒吸附的影响较大,而酸性环境几乎没有影响。

4)吸附了纳米颗粒的岩心表面具有了类似荷叶表面的微纳米结构,具备了产生疏水滑移的条件。

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[审稿 岳湘安]

Experimental Investigations on Adsorptive Characteristics of Hydrophobic Nanoparticles on Core Surfaces

Wang Xinliang1,2Di Qinfeng1,2Zhang Renliang1,2Gu Chunyuan1,2Wang Zhanghong3
(1.S hanghai Institute of A pplied Mathematics and Mechanics,S hanghai University,S hanghai, 200072,China;2. S hanghai Key L aboratory ofMechanics in Energy and Environment Engineering, S hanghai,200072,China;3.Jiangsu Oilf ield Company,Sinopec,Yangzhou,Jiangsu,225009,China)

Nanoparticles adsorbing method can build micro-and nano-structural strong/super-hydrophobic surfaces on cores,and produce the slip velocity on the surfaces in the purpose of reducing the water resistance and water injection pressure and increasing water injection rate.Studies on the effects of adsorption can guide the development of nano-materials which reduce injection pressure and the field application.Through making nanoparticles absorbing core chips and measuring the contact angles on core surfaces,this paper analyzes the effects of nano-concentration,adsorption time,temperature and pH environment on nanoparticles adsorption.The results show that nanoparticles-mass-concentration,shut-in time and experimental temperature all have optimal value for the maximum contact angle.Alkaline environment has greater impact on the nano-adsorption,while acidic environment has little impact.

nanoparticles;adsorption;hydrophobic surface;influencing factors;field test

book=2010,ebook=108

TE348

A

1001-0890(2010)02-0010-04

2009-10-27;改回日期:2010-01-18

国家高技术研究发展计划(“863”计划)项目“纳米颗粒吸附法降低储层注水压力技术研究”(编号:2008AA06Z201)、国家自然科学基金“降低石油储层注水压力的纳米吸附法新技术机理的理论与实验研究”(编号:50874071)、长江学者和创新团队发展计划“面向工程问题的LBM研究”(编号:IRT0844)、中国博士后科学基金“纳米颗粒与储层微孔道有效吸附的微观作用机制研究”(编号: 20090450687)及上海市科委重点科技攻关计划“石油储层微孔道纳米降压增注新技术研究”(编号:071605102)联合资助

王新亮(1984—),男,陕西兴平人,2007年毕业于西安科技大学工程力学专业,在读博士研究生,主要从事石油工程中的力学问题研究。

联系方式:(021)56333256,sea-wave007@126.com