2-D智能纳米黑卡在低渗透油藏中的驱油性能评价*

2020-07-08 12:13杨景斌侯吉瑞闻宇晨吴伟鹏赵梦丹杨二龙
油田化学 2020年2期
关键词:黑卡片状驱油

杨景斌 ,侯吉瑞,屈 鸣,闻宇晨,梁 拓,吴伟鹏,赵梦丹,杨二龙

(1.中国石油大学(北京)非常规油气科学技术研究院,北京 102249;2.中国石油大学(北京)石油工程教育部重点实验室,北京 102249;3.东北石油大学教育部提高油气采收率重点实验室,黑龙江大庆 163318)

中国的低渗透油气资源丰富,其中低渗透油藏油气地质储量约占总油气储量的50%,分布广,储量大。随着技术的不断发展和研究的逐步深入,低渗透油气开采储量在我国的总开采量中所占的比重也在逐年上升[1-2]。但是由于低渗透油藏岩石埋藏致密、孔喉狭小、渗透性差等特点,常规油气开采技术在低渗透油气藏中难以起到较好的效果。水驱洗油效率低,波及体积小,注入压力高;特低和超低渗油藏更是由于渗透率低,毛细管阻力大,常规注入也非常困难[3]。因此,开展低渗透油藏开采新技术的研究,探索低渗透油藏提高采收率的新方向具有重大的战略意义[4-6]。

纳米颗粒能有效降低界面张力,改变岩石润湿性,可在一定程度上提高洗油效率[7-8]。SiO2纳米颗粒因其表面效应强,与驱替流体相容性好,相关的降压增注技术已取得了一定的效果和研究认识,并在油田现场开展了初步的试验[9-12]。随着新型纳米技术的不断发展和成功应用,越来越多的纳米材料和驱油技术被应用于提高原油采收率[13-15]。中国石油大学(北京)自主研发的片状新型纳米材料的微观形态类似“黑色卡片”。它不同于现有球状纳米材料与油水界面的“点-面”接触[16],而是与油水界面形成“面-面”接触,效率高,用量少,界面作用极强,可充分发挥智能找油功能。其配伍性好,能在地层水、原油、土酸、聚合物、活性水、压裂液以及多种有机溶剂中均匀分散,耐酸、耐碱,耐温(300℃)、耐盐(矿化度30×104mg/L)[17]。在油田常用措施工艺中,可发挥润湿反转、乳化、降黏、降低界面张力、洗油、稳泡、降压增注等多重功效[18-19]。纳米片与残余油滴表面持续接触,对油滴的运移产生“润滑效应”,相当于给油滴安装“滑轮”,提高了原油的流动能力,有利于将原油从岩石表面剥离,因此,命名为“2-D智能纳米黑卡”。本文使用一维低渗透岩心开展了2-D智能纳米黑卡的驱替研究。通过改变宏观实验条件[20],评价不同注入参数对2-D 智能纳米黑卡提高原油采收率的影响,系统研究了2-D 智能纳米黑卡在低渗透油藏中的注入性能,并分析探讨了2-D 智能纳米黑卡的驱油机理,为纳米材料在油田开发中的应用提供了一定的技术参考。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

实验用驱替流体为中国石油大学(北京)自主研发的片状新型纳米材料—2-D 智能纳米黑卡,其是由过渡金属矿物在高压微型反应釜中反应,经冷却、分离后制备而成,2-D智能纳米黑卡溶液是由固体黑卡和地层水按照一定的比例混合,在超声波作用下震荡30 min后配制成的悬浮液;大庆油田取样原油,25℃下的黏度分别为25 mPa·s和100 mPa·s;冀东油田高24 块原油,黏度为15 Pa·s(室温,后同);辽河油田月东B岛稠油,黏度为13160 mPa·s;塔河油田超稠油,黏度1800 Pa·s;大庆油田模拟地层水,25℃下的黏度为1.0 mPa·s、密度为1.0 g/mL[10],矿化度7148.80 mg/L,离子组成(mg/L)为:Ca2+14.85、Mg2+14.96、K++Na+2426.21、CO32-197.66、HCO3-2160.08、Cl-2281.84、SO42-53.20;实验用岩心为露头圆柱岩心,长100 mm、直径25 mm,渗透率为2.5×10-3数2500×10-3μm2。

图1 岩心驱替实验流程图

SIGMA 500 扫描电子显微镜(SEM),德国卡尔蔡司公司;Dimension FastScan 原子力显微镜(AFM),美国Bruker 公司;DV2T 黏度计,美国Brookfield 公司;实验设备主要包括:流量泵(工作压力0数30 MPa,流速范围0.01数200.00 mL/min)、活塞式中间容器(0.5数2 L,工作压力≤32 MPa)、压力监测设备及压力数据存储记录软件(北京昆仑海岸传感技术有限公司)、采出液计量装置、岩心夹持器和六通阀等[21]。岩心驱替实验流程图见图1。

1.2 实验方法

(1)实验步骤:①将岩心驱替装置抽真空后,饱和模拟地层水,测定岩心的孔隙体积并计算孔隙度,以恒定的速率注入模拟地层水,记录稳定时的注水压力并计算岩心渗透率[22-23];②恒速条件下将岩心饱和模拟油,并恒温静置两天进行老化;③开展岩心水驱实验,从注入端注入模拟地层水,直至出口端采出液中的含水率达到98%时停止注入;④按照设计的不同实验参数注入2-D智能纳米黑卡溶液,研究2-D智能纳米黑卡溶液的驱油效果。

(2)岩心驱替实验方案:①设计岩心渗透率分别为2.5×10-3、25×10-3、250×10-3、2500×10-3μm2,研究岩心渗透率的影响[13];②设计黑卡质量分数分别为0.005%、0.01%,研究黑卡浓度的影响;③设计原油黏度分别为25 mPa·s(25℃)、100 mPa·s(25℃),研究原油黏度的影响。

2 结果与讨论

2.1 2-D智能纳米黑卡静态性能

2.1.1 粒径测定及微观结构

片状新型纳米材料2-D智能纳米黑卡是一种黑色粉末状固体,表面呈现金属光泽。用扫描电子显微镜(SEM)观察颗粒的微观结构并结合原子力显微镜(AFM)分析颗粒的尺寸。由图2 可见,片状2-D 智能纳米黑卡面积约60 nm×80 nm。由图3 AFM 照片以及测试区域纳米片的相应高度分布可见,2-D 智能纳米黑卡平均厚度约为1.2 nm,即片状2-D 智能纳米黑卡的尺寸约为60 nm×80 nm×1.2 nm。

图2 2-D智能黑卡实物照片

图3 2-D智能黑卡AFM照片(a)及纳米片高度分布图(b)

2.1.2 润湿性

液体在与固体接触时沿固体表面扩展的现象称为液体润湿固体[24-25],通常用接触角来反映润湿的程度。在液、固、气三相的交界处作液体表面的切线与固体表面的切线,两切线通过液体内部所成的夹角θ即称为接触角。通过测量蒸馏水滴在片状2-D智能纳米黑卡上的静态接触角来评价其润湿性能。实验结果表明,将5 μL蒸馏水滴在片状2-D智能纳米黑卡上的静态接触角为91°。根据接触角与润湿性的关系可知,当接触角等于90°时,呈现中性润湿状态,因此片状2-D 智能纳米黑卡具有中性湿润的特性。这说明片状2-D 智能纳米黑卡在油/水中具有两亲的潜力,能够实现强亲油-亲水性质,随注水井注入油藏后发挥“智能找油”的功能,在离散化的油水界面形成稳定的吸附层,实现油藏降黏效果。

2.1.3 界面性质

将片状2-D智能纳米黑卡注入油/水中,观察其注入前、后油/水界面的变化,分析片状2-D 智能纳米黑卡对油/水界面性能的影响,实验结果如图4所示。由图4(a)可见,在高界面张力作用下油/水间出现了凹液面。由图4(b)可见,将片状2-D 智能纳米黑卡慢慢注入油/水后,纳米片吸附在油水界面上,极少量纳米片沉淀在底部。黑卡密度为4.8 g/cm3,这说明片状2-D 智能纳米黑卡具有极强的亲油-亲水性质,油/水间的界面张力降低,使得油/水间的凹液面转变为平面[26]。另外,当加入的片状2-D 智能纳米黑卡过量时(图4(c)),纳米片会大量吸附于油水界面上,吸附厚度达到3 mm,没有因密度远大于水而沉淀,这种强界面吸附有利于改善油水界面的性质,实现“自动找油”。为进一步研究片状2-D 智能纳米黑卡对油/水界面性能的影响,分别将片状2-D 智能纳米黑卡从油相和水相中注入,观察对油/水界面的影响。实验结果发现,从油相中注入片状2-D智能纳米黑卡和从水相中注入的结果相同。注入过量的片状2-D 智能纳米黑卡最终都会吸附在油/水界面上,改善油/水界面的性质,从而使得油湿表面变为中性湿润。2-D智能纳米黑卡在油水界面之间形成2-D 纳米片吸附层,降低界面张力至0.04 mN/m。不同于表面活性剂的两亲分子单层吸附,2-D纳米片在油水界面呈面状、多层吸附[27]。

图4 2-D智能纳米黑卡对油/水界面性能的影响

2.1.4 分散稳定性

选用质量分数为0.005%的高浓缩片状2-D 智能纳米黑卡进行分散稳定性的评价。常温下静置溶液30 d无明显沉降。将片状2-D智能纳米黑卡溶液运输至塔河油田井场,稀释500数1000 倍,轻微搅拌后即可形成稳定分散溶液。实验结果表明,0.005%的片状2-D智能纳米黑卡可均一、稳定分散在水相中。

2.1.5 乳化降黏性

将0.005%的2-D 智能纳米黑卡溶液以质量比3∶7与冀东稠油(黏度15 Pa·s)混合,在室温下用搅拌机将其混合均匀,用黏度计(6 r/min、室温)测得混合物的黏度为6 mPa·s,降黏率达到99.9%;将0.005%的2-D智能纳米黑卡溶液以质量比3∶7与辽河油田月东B 岛稠油混合搅拌均匀后,常温下黏度由13160 mPa·s 降至7 mPa·s,降黏率达到99.9%。片状2-D 智能纳米黑卡体系对冀东油田稠油、辽河油田稠油乳化降黏后的微观图像见图5。由图可见,2-D 智能纳米黑卡与原油接触后,原油发生乳化,形成稳定的纳米级乳状液,从而起到降低原油黏度的效果。塔河油田超稠油(1800 Pa·s)常温下为固体,按照质量比1∶1 加入2-D 智能纳米黑卡溶液,黏度降至20 Pa·s。原油黏度的降低,可改善水油流度比,提高最终采收率。

图5 纳米黑卡体系对稠油乳化降黏后的微观图像

2.2 驱油效果

通过改变实验参数进行一维岩心驱替实验,考察岩心渗透率、黑卡浓度以及原油黏度对2-D 智能纳米黑卡溶液驱油效果的影响,研究2-D 智能纳米黑卡的最佳注入参数。

2.2.1 岩心渗透率的影响

选取0.005%的2-D 智能纳米黑卡溶液及黏度为25、100 mPa·s的原油进行岩心驱替实验,岩心渗透率对纳米黑卡溶液驱油效果的影响见表1。在原油黏度相同的条件下,随岩心渗透率增加,纳米黑卡溶液驱的采收率增幅先增加后降低,采收率增幅在11%数19%之间。岩心渗透率为25×10-3μm2时,纳米黑卡溶液的驱油效果最好,最高采收率增幅为18.10%。与高渗透性岩心相比,低渗透性岩心具有更高的比表面积,因此在低渗透岩心中黑卡与油的接触时间更长,可以从孔隙表面解吸更多的油[24]。因此,选取渗透率为25×10-3μm2的岩心进一步研究2-D智能纳米黑卡溶液体系在多孔介质中的流动特征和驱油效果。

表1 岩心渗透率对0.005%纳米黑卡溶液驱油效果的影响

在渗透率为25×10-3μm2的岩心中,水驱到6 PV时注入0.005%2-D智能纳米黑卡溶液,纳米黑卡注入前后的注入压力变化见图6。从压力曲线看,在水驱油阶段,注入压力先上升后下降,当注入1.2 PV水时,注入压力上升到最高值,达到1.2 MPa。随后由于岩心中的油不断地被采出,注入压力迅速下降,最终由于水突破效应导致注入压力趋于平稳;当注入纳米黑卡溶液后,黑卡溶液在孔喉较小的区域形成临时堵塞效应,注入压力先有小幅增加,后迅速下降。在驱替实验过程中,由于黑卡和油的相互作用在两相界面上产生了渗透压,促使油形成楔形形状,同时渗透压在该界面处产生额外的压力,从而使黑卡流体在楔形区域中向前运动,然后在大量液体的压力驱动下,黑卡流体能沿着表面扩散从而使岩心中的油滴脱落。另外,2-D 智能纳米黑卡的中性润湿性质也可降低岩心的毛细管力,有利于驱替剩余油。由此可见,2-D 智能纳米黑卡具有降低注入压力的效果[11-12]。

2.2.2 纳米黑卡浓度的影响

0.01%的2-D 智能纳米黑卡溶液对岩心的驱油效果见表2。当原油黏度为25、100 mPa·s 时,2-D智能纳米黑卡体系在岩心渗透率为25×10-3μm2时的驱油效果最佳,采收率增幅分别为18.76%和17.06%。与表1 中2-D 智能纳米黑卡质量分数为0.005%时相比,黑卡质量分数为0.01%的驱油效果略好。这是由于水驱过程中出现的黏性指进效应,使得油/水界面产生了沿着壁面的高界面张力油膜。随着2-D 智能纳米黑卡溶液的注入,纳米黑卡吸附于岩石表面,并将岩石表面的润湿性从油润湿改变为中性湿润,从而使得油膜脱离壁面,然后在黑卡流体的回旋式流动效应下,剩余油滴聚并,形成近活塞驱替,从而将脱离出的油驱替出来,增加了原油的采收率[16-18]。

图6 注入2-D智能纳米黑卡溶液前后的压力变化

表2 0.01% 2-D智能纳米黑卡溶液的驱油效果

在岩心渗透率为25×10-3μm2的岩心驱替模型中,不同黑卡浓度下的采出程度不同。在原油黏度为25 mPa·s 的条件下,当黑卡质量分数为0.005%时,水驱采收率为52.35%,最终采收率为70.45%;当黑卡质量分数为0.01%时,水驱采收率为51.3%,最终采收率为70.06%。0.005%和0.01%2-D智能纳米黑卡体系的采收率增幅分别为18.10%和18.76%。在原油黏度为100 mPa·s 的条件下,当黑卡质量分数为0.005%时,水驱采收率为47.5%,最终采收率为63.75%;当黑卡质量分数为0.01%时,水驱采收率为47.21%,最终采收率为64.27%。0.005%和0.01%2-D智能纳米黑卡体系的采收率增幅分别为16.25%和17.06%。与黑卡加量为0.005%相比,0.01%的纳米黑卡体系驱油效果略好,但考虑到材料成本及经济效益等方面的因素,2-D 智能纳米黑卡溶液适宜的加量为0.005%。

2.2.3 原油黏度的影响

由表2可见,2-D智能纳米黑卡体系在低黏度油(25 mPa·s)下的水驱采收率为51.30%,最终采收率为70.06%,采收率增幅为18.76%;在高黏度油(100 mPa·s)下的水驱采收率为47.21%,最终采收率为64.27%,采收率增幅为17.06%。2-D 智能纳米黑卡在低黏度油和高黏度油的驱替中均可以发挥重要作用,但在低黏度油(25 mPa·s)驱替中采收率增幅大,驱油效果较好。这主要是由于黑卡更易与低黏度油表面接触,在两相界面上产生表面张力梯度,从而形成微观回旋式流动,导致油和黑卡溶液界面附近呈现出对流的流动现象[28]。2-D智能纳米黑卡的微观回旋式流动有利于提高驱替效率,能使黑卡与剩余油滴表面持续接触,对油滴的运移产生“润滑效应”,类似于给油滴安装“滑轮”,提高原油的流动能力,有利于将附近的微小剩余油滴聚集在一起,在对流作用的驱动下将其采出。

综上,通过对岩心驱油实验结果的分析,2-D智能纳米黑卡在渗透率为25×10-3μm2的岩心驱替模型、25 mPa·s的原油黏度和0.005%的黑卡加量下取得了较好的驱油效果。

3 结论

2-D智能纳米黑卡作为纳米尺度下的一种驱油用体系,能改变岩石润湿性,降低毛管阻力,将油膜从岩石表面剥离,2D纳米片具有强亲油-亲水性质,在水相中均一、稳定分散,能很好地降低油水界面张力,在离散化的油水界面形成稳定的吸附层,乳化降黏效果较好;随注水井注入油藏后发挥“智能找油”功能,可应用于低渗透油藏,提高驱油效率。

岩心渗透率、原油黏度、2-D智能纳米黑卡溶液浓度对驱油效果均有影响。2-D智能纳米黑卡溶液具有降压增注的效果,在岩心渗透率为25×10-3μm2、黑卡加量为0.005%、原油黏度为25 mPa·s 时,2-D智能纳米黑卡溶液能发挥较好的驱油效果。

猜你喜欢
黑卡片状驱油
片状变燃速发射药燃烧性能的数值计算
口袋中的索尼相机
三类油层压裂驱油技术设计及效果研究
轻便的意义索尼黑卡®RX100VI评测
比手还小的黑科技相机 —索尼黑卡迷你RX0
有机物凝胶—助熔剂法制备片状钡铁氧体
CO2驱油与埋存对低碳经济的意义
铲除“黑卡”不能留有余地
适用于高盐度和致密岩层驱油的表面活性剂
膜式法片状固碱蒸发浓缩工艺安全设计