纳米分散液驱油机理研究及应用实践

王 涛，李敬松，田 苗，徐国瑞，贾永康，朱旭晨，刘汝敏

（中海油田服务股份有限公司油田生产事业部，天津 300459）

注水开发油田进入高含水、高采出程度阶段后，目前注入聚合物表面活性剂等方式的三次采油被广泛应用。但目前此类提高采收率方法也存在诸多不足，如表面活性剂易被岩石吸附或与钙离子反应生成沉淀而造成表面活性剂损失[1，2]，极大影响了表面活性剂驱技术再推广。海上油田中水质超标、原油黏度高等因素，会造成聚合物驱油井产出液破乳难度大等难题，最终陷入“注不进，采不出”的困境，从而阻碍聚合物驱的大规模应用。伴随纳米技术的兴起，纳米材料在很多领域均已广泛应用，其中纳米分散液已被用于改善化学驱油。纳米分散液是一种具有热稳定性、呈透明或半透明的均相分散体，其液滴尺寸范围在10～100 nm，相当于胶体粒子的尺寸，因此称为纳米级分散液。最常用的纳米分散液是经改性后的纳米SiO2，纳米粒子润湿性可通过控制粒子表面上的硅烷醇基团的数量来调节。本文结合室内实验研究阐述了纳米分散液驱油的作用机理，同时结合数值模拟方法研究优化工艺方案，将纳米分散液驱油在某油田进行了现场应用，取得较好的增产效果，为后期的理论研究及现场应用提供了借鉴和参考。

1 纳米分散液驱油机理

作为高性能驱油剂，纳米分散液主要作用机理是岩石、原油和驱替液三相界面效应的调节，结合纳米颗粒抗高温、高盐、抗稠油的特性，以及纳米颗粒在油水岩石三相界面的吸附、解吸附和运移等作用，形成楔形挤压效应、润湿反转、界面张力降低等提高采收率的作用机理。

1.1 楔形挤压效应

纳米颗粒在油滴和固体基质之间形成的楔形薄膜三相接触区域范围内形成二维层状结构（见图1）。首先，楔形物中纳米颗粒浓度大于周围悬浮液中的纳米颗粒浓度，因此会产生渗透压，分离两个界面，使它们之间的楔形深度增加。其次，薄膜张力向着楔形的顶点增加，促使楔形尖端处产生液体扩散的额外动力。同时，由于固体表面的静电排斥力存在不平衡现象，在亲水表面的油相接触角远大于水相接触角，使三相接触区自动形成一个楔形结构，进而将原油等从岩石表面剥离[3]。

图1 纳米颗粒对原油楔形挤压原理示意图

形成楔形挤压效应是纳米材料提高原油采收率最重要的理论支撑。这种楔形结构产生的向前驱动力，结合纳米分散液产生的润湿性反转、毛细管力降低等辅助作用，可综合提高采收率。

1.2 润湿性转变

对于亲水性的岩石表面，毛管力是驱替原油的动力，而对于疏水的表面，毛管力则是驱替原油的阻力；对于亲水岩石，水分布在细小孔道、死孔道内或者岩石表面，这种分布方式对原油的渗透率影响很小，而对于亲油岩石，在相同饱和度条件下，地层水以水流、水滴的形式分布在孔道内阻碍油相的渗流[4]。

其黏附功计算公式为：

式中：W-黏附功，J/m2；σ-油/水界面张力，mN/m；θ-水与岩石润湿角，°。

水驱油的过程，相当于将油与岩石在水中分离，由式（1）可知θ 越小，即岩石越亲水，黏附功越小，油越容易被剥离驱替；油水界面张力越小，黏附功越小，驱油效率也越高。因此，增加油层岩石表面水湿强度可以降低油相在岩石表面的黏附功，降低油水界面张力，最终提高水驱效率，达到提高采收率的目的[5，6]。

在实验室中，利用接触角测定仪测定目标油田注入水、0.1%浓度的纳米分散液及0.5%浓度的纳米分散液在石英片上的润湿角，分析纳米分散液对润湿性的影响。

根据测定结果可以看出，加入纳米分散液药剂，可有效提升岩石表面的亲水性（见表1）。原因是纳米颗粒吸附于孔喉表面，在油水界面发生迁移和排列，从而岩心切片产生润湿性反转（见图2），由岩壁表面亲油变为亲水，最终提高驱油效率。

图2 不同浓度纳米分散液润湿角测定结果

表1 不同浓度纳米分散液润湿角测定结果

1.3 降低油水界面张力

毛管力是影响原油采收率的决定性因素，它由岩石表面润湿性和流体间表面张力共同决定。由于纳米颗粒表面活性高，表界面效应强，颗粒稳定于油水界面，从而降低油水之间的界面张力，提升高黏度油相在低黏度驱替相中的分散运移性能[7，8]。界面张力的降低可以增加毛管数，从而提高微观波及系数。

毛管数是衡量驱动力与毛细管力比值的一个无量纲参数[9，10]，是表示被驱替相所受到的黏滞力与毛细管力之比的一个无量纲数，反映了多孔介质两相驱替过程中不同力间的平衡关系，由式（2）计算：

式中：μw-驱替液黏度，mPa·s；υw-流体渗流速率，m/s；σ-油/水界面张力，mN/m。

实验结果表明，原油采收率与毛管数呈类指数关系，当毛管数NC的值超过10-4时，采收率将迅速提高。一般注水（气）开发的油田，NC值为10-6左右，只有将NC值增加到10-3～10-2，才能显著提高采收率。通过式（2）可以看出，增加驱替液黏度和渗流速率，或者是降低油水界面张力均可以增加毛管数，毛管数越大，驱油效率越高，这也是三次采油的基本原理。

基于以上理论，对纳米分散液试剂进行室内实验，测试不同浓度对界面张力的影响。油相在该体系下无法保持完整的球型状态，分散液可将油水界面张力由25 mN/m 降低至＜0.01 mN/m（所使用测量仪器的精度为0.01，所以当张力低于0.01 时，被标注为＜0.01），相应毛管数也增加至10-3级别，表面润湿性改变及界面张力降低的协同作用增加了水驱毛管数，提升了微观驱油效率。当纳米分散液浓度达到某一个值时，界面张力会降到最低点，但药剂浓度的继续增长非但不会进一步降低界面张力，反而会降低药剂的工作效率（见表2），因此在现场工艺设计时需对体系浓度进行优化。

表2 界面张力测试结果（60 ℃）

1.4 洗油效率评价

取0.6%浓度纳米分散液的溶液和无分散体的溶液各10 mL 分别加入烧杯中，缓慢加入10 mL 地层油，两份3 g 的实验砂粒，缓慢均匀撒入烧杯中。石英砂表面包裹地层油，因此砂粒会形成油包砂形态沉入烧杯底部。将两个烧杯同时放在恒温加热垫上加热至65 ℃左右，对油包砂的变化动态进行观察记录：当烧杯加热到地层温度时，油包砂在无分散体溶液中保持稳定，油包砂状态的砂粒始终在烧杯底部，水相不能润湿砂粒，无法突破油相进入砂体内部；含有0.6%分散液的水溶液达到地层温度后其可以代替油相成为润湿相，油包砂状态会被破坏，主要是因为0.6%的纳米分散液界面张力非常低，其水溶液因此可以进入砂体内部驱替包裹地层油，达到了较好的洗油效果。

基于不同浓度（0.5%，0.4%，0.3%，0.2%，0.1%）的纳米分散液对油砂的洗油能力进行评价（见图3）。加入纳米级分散液后，洗油效率会大幅提升，在静态（无搅拌、剪切）情况下加入0.6%浓度的分散体，洗油效率即可达到79.2%，洗油能力提升明显。在矿场注入试验中，纳米分散液提高采收率并非单一的作用机理，而是上述多种机理协同作用，从而实现对原油的高效剥离、驱替。

图3 不同浓度纳米分散液洗油效率

2 油田现场应用实例

2.1 工艺方案优化研究

某油田为河流相沉积的稠油油藏，储层埋藏浅，具有高孔高渗特征，纵向上发育多套砂体，储层平面和纵向上的非均质性强。注水井大都采用大段防砂，防砂段内层系多，经过长时间的注水开发，高渗层突进严重，而位于非优势通道或非有利沉积相带的油井见效差、供液能力下降、动用程度低，造成层内、层间、平面矛盾突出，油田注水利用率下降。

其中A 井组包含3 口油井（A1、A2、A3），A 井日注水量770 m3，井组日产液1 174 m3，日产油175 m3，综合含水85%，井组含水率较高，平面产液结构不合理，存在优势通道。同时A 井纵向吸水也不均匀，具备调驱作业的条件，因此选择此井组进行纳米分散液驱现场试验。

首先根据A 井组油藏及实际生产情况建立数值模型，开展注入工艺参数数值模拟优化研究。平面上划分31×27 个网格，网格步长为20 m，纵向上划分20 个小层，纵向网格的长度依据油层的实际厚度确定。拟合各生产井生产曲线，拟合精度达到90%以上。

然后开展工艺参数模拟优化计算，优选药剂注入浓度及注入周期。考虑药剂在地层的吸附损失，结合室内实验结果，选择纳米分散液浓度范围0.4%～0.6%，注入天数范围20～100 d，共设计了21 组平行模拟方案（见图4），优选确定合理注入周期为50 d，浓度0.6%，药剂总量为115 t。

图4 方案优化结果曲线

2.2 应用效果评价

按照方案优化参数结果，A 井组进行纳米分散液驱油现场试验，措施后效果明显，井组中的三口油井均出现见效特征，单井含水率下降2%～20%，井组累计增油量6 158 m3，与数值模拟方案优化预测结果基本一致（见图5、表3）。该技术的现场试验进一步验证了纳米分散液驱油技术在油田现场应用的可行性与良好的效果，也为该油田增产措施提供了新的方向。同时纳米分散液驱与其他调驱技术相比，还具有施工工艺简单、药剂注入性好、设备占地面积小、采收率提高明显、绿色无污染等显著优点，对于施工空间和时间要求较高的油田，具有较好的推广应用价值。

表3 A 井组纳米分散液驱效果统计表

图5 A 井组纳米分散液驱前后日产油递减曲线对比

3 结论

（1）纳米分散液通过楔形挤压效应、润湿性反转、降低界面张力作用机理可大幅提高驱油效率，实现采收率的提高。

（2）通过室内实验及数值模拟研究，并综合考虑纳米分散液在地层的吸附损失等因素，认为文中评价的纳米分散液现场应用最佳浓度在0.5%左右。

（3）纳米分散液驱油在油田的现场应用试验进一步证明了此项提高采收率技术的优势，具有较好的借鉴意义及推广价值。