纳米流体提高稠油采收率实验分析

高 俊，谢传礼，游少雄，张 航，牟文龙

(1.中国石油大学(北京)油气资源与勘探国家重点实验室,北京 102249；2.中国石化胜利油田分公司塔里木分公司；3.中国石油辽河油田分公司茨榆坨采油厂)

纳米流体提高稠油采收率实验分析

高 俊1，谢传礼1，游少雄2，张 航1，牟文龙3

(1.中国石油大学(北京)油气资源与勘探国家重点实验室,北京 102249；2.中国石化胜利油田分公司塔里木分公司；3.中国石油辽河油田分公司茨榆坨采油厂)

通过实验研究对比了三种纳米流体驱与水驱对稠油采收率的影响，同时研究了纳米流体对乳液界面张力和黏度的影响，实验结果表明，原油与纳米流体的界面张力随着纳米流体的浓度的增加而减小，质量分数为0.05%的Al2O3纳米流体能显著降低乳液的黏度，与其它纳米流体相比，0.05%的Al2O3纳米流体增加的采收率最大。

纳米颗粒；提高采收率；界面张力

1 纳米颗粒提高稠油采收率原理

利用纳米颗粒提高采收率是近年来发展的一种新的提高采收率技术，其主要机理是产生分离压、改变岩石润湿性、降低界面张力、降低乳液黏度。

(1)分离压作用：由于存在布朗运动和粒子间的静电排斥力，当粒子尺寸足够小、数量足够多时，就会产生一个较强的扩散力(最大可达0.5 MPa)；而固体表面的静电排斥力存在不平衡现象，导致油相接触角接近180°，而水相接触角达到1°，从而在三相接触区形成了一个楔形结构，这种楔形结构产生向前推力[1]。纳米颗粒体系产生的降低毛细管压力、润湿反转及相渗改变滞后效应等辅助作用，可将油、气、石蜡等从岩石表面剥离下来[2]。

(2)改变岩石润湿性：添加到注入流体中的纳米颗粒能通过改变油藏岩石的润湿性来提高采收率[3]。

(3)降低界面张力：纳米流体注入油藏后，可以使油水的界面张力进一步降低，降低孔道对油滴的黏滞阻力，使原油易于剥落和流动，并且在低界面张力作用下，油滴容易变形，从而降低了将其排出孔隙吼道所做的功，增加了它在地层孔隙中的移动速度[4]。

(4)降低乳液黏度：纳米颗粒可在一定程度上降低乳液黏度。

2 实验介绍

本次实验的主要任务：研究纳米颗粒对乳状液黏度和界面张力的影响，对比利用纳米颗粒进行二次驱油与利用水驱油对提高采收率的影响。此次实验是在Osamah等[5]实验以及已有实验的基础上进行的。

2.1 实验材料

(1)纳米颗粒：选用的纳米颗粒包括Al2O3、SiO2、TiO2，纳米颗粒性质如表1所示。

表1 纳米颗粒性质

(2)油样：稠油样本是从油田采集的，25℃下的样本密度为0.947 62 g/cm3。

(3)盐水：用过滤好的地层水配制矿化度为30×10-3的盐水。

(4)纳米流体的配置：将纳米颗粒和已经处理好的盐水进行混合，分别配制出不同类型质量分数为0.01%、0.05%和0.1%的纳米流体。

(5)驱替岩心：实验所用岩心编号分别为M、A1、A2、A3，B1、B2、B3，C1、C2、C3。 岩心样本的平均长度、直径和孔隙体积分别为6.5 cm、3.8 cm和11.56 cm3。

2.2 实验流程

岩心驱替实验的工作流程：第一阶段：测量原油与液相(盐水/纳米流体)的界面张力；第二阶段：测量加入不同纳米流体后原油样本的黏度；阶段三：用三种不同浓度的纳米流体和盐水对岩心进行驱替；阶段四：进行二次驱油(二次采油)，用纳米流体对第三阶段中的实验岩心进行驱替。

2.3 岩心驱替装置和实验步骤

(1)界面张力的测定。原油和液相(盐水/纳米流体)之间的界面张力通过吊板法界面张力测定系统测定。测量工作是在室温和压力为6.2 MPa的条件下进行的，该压力为岩心驱替实验的平均入口压力。

(2)乳液黏度的测定。使用电磁黏度计，在45 ℃的条件下测量纳米流体降低乳液黏度的能力。

(3)岩心驱替实验步骤。岩心驱替装置见图1。实验步骤为：①岩心饱和水：以0.5 cm3/min的排量对岩心进行盐水饱和，同时岩心的孔隙体积也是在这次过程测量的；②岩心饱和油：以0.5 cm3/min的排量对岩心进行油饱和，此时，岩心被原始含水饱和度和原始含油饱和度所饱和；③使用盐水和纳米流体对岩心进行驱替(三次驱替)，注入纳米流体的速率为0.2 cm3/min，直到没有油被排出(注：Vetter等研究了颗粒流速对实验结果的影响：注入速率越低(≤0.5 cm3/min)，所造成的地层伤害越小；而线性流速越大，引起的地层伤害会越严重)。因此，此次实验中注入的纳米流体速率为0.2 cm3/min[6]。

图1 岩心驱替装置

3 实验结果和分析

3.1 纳米颗粒对界面张力的影响

从平均测量结果中可以观察到(图2)，原油和纳米流体之间的界面张力会随着纳米流体浓度的增加而减小。这种界面张力减小现象的主要原因是纳米颗粒比表面积的影响[7]。界面张力会随着纳米颗粒的比表面积的增加而减小。

3.2 纳米颗粒对乳浊液黏度的影响

图3为加入纳米流体前后的乳浊液黏度测量的结果。从中可以看出，每一种类型的纳米颗粒对乳浊液黏度有着不同的影响。

图3 纳米颗粒对乳液黏度的影响

3.3 纳米颗粒对采收率的影响

不同纳米流体对提高采收率的影响如表2所示。

表2 岩心驱替实验结果

SiO2对采收率的影响：0.01%亲水性的SiO2纳米流体在岩心A1中提高的采收率最大。Buckley 和Fan认为，亲水性的SiO2纳米颗粒在提高采收率方面表现较好，这是因为亲水性的SiO2使得岩石润湿性改变，并且引起界面张力的减小。界面张力影响毛管压力、毛管数和附着力。毛管数随着界面张力的减小而增加，因此，采收率也会增加。但是，当SiO2浓度增加时，采收率会略微降低。产生这种现象的主要原因是纳米颗粒的浓度会增加乳剂的黏度，堵塞孔道，或者两种都有[8-9]。根据Hendraningrat等的研究，高浓度的纳米颗粒有堵塞孔喉的趋势，因为这些颗粒的聚合体围绕在孔隙的周围，会阻止采收率的增加[10]。

Al2O3对采收率的影响：0.05%的Al2O3纳米流体在岩心B2中提高的采收率最大，为7.07%。

TiO2对采收率的影响：在质量分数为0.01%和0.05%的TiO2流体驱替下，岩心C1和C2的采收率增加较小。但是，在岩心C3中，0.1%的纳米流体使采收率降低了16.95%，这是因为高浓度纳米颗粒的注入堵塞了孔隙通道。

4 结论与认识

(1)原油中存在水时会形成乳剂，导致溶液黏度的增加。在这种乳剂中加入纳米流体时，纳米流体能改变乳液的黏度，而不同浓度的纳米流体对乳液黏度的影响也不同，质量分数0.05%的Al2O3能降低乳剂的黏度，而相同浓度下的TiO2和SiO2纳米流体却增加了乳液黏度。

(2)稠油和纳米流体间的界面张力会随着纳米流体浓度的增加而减小。

(3)三种纳米流体在合适的浓度下提高采收率的能力高于水驱提高采收率的能力，因此，在实际应用中应根据不同的纳米颗粒选择不同的纳米流体浓度进行驱替。

(4)对不同的油藏应优选纳米流体的浓度，否则会破坏地层，降低渗透率和采收率。

(5)根据前人的实验研究，不同纳米颗粒的分散介质对采收率的影响也不同，还需进一步验证不同矿化度的分散介质对采收率的影响，优化分散介质，使采收率的增加最大。

(6)此次实验并不是在油藏条件下进行的，因此，需要进一步验证纳米颗粒在油藏条件下提高采收率的能力。

[1] Paul M, David H and Daniel E .Application of nanofluid technology to improve recovery in oil and gas wells[R].SPE-154827,2012.

[2] 秦文龙，张志强.纳米技术在提高原油采收率方面的应用新进展[J].断块油气田,2013,20(1):10-13.

[3] 冯涛，柳迎斌.纳米液在提高采收率中的应用[J].内蒙古石油化工,2008,(5):25-26.

[4] Wang K, Liang S.Wang C.Research of improving water injection effect by using active SiO2nano-powder in the low-permeability oilfield[J].international powder technology and application forum,2009:207-212.

[5] Osamah A A,Khaled M M and Yousef H A K.Nanofluids application for heavy oil recovery[R].SPE171539,2014.

[6] Vetter O J,Kandarpa V,Stratton M ,et al.Partical invasion into porous medium and related injectivity problems[R].SPE16225,1987.

[7] Li S,Hendraningrat L and Torsater O.Improved oil recovery by hydrophilic silica nanoparticals suspension 2-phase flow experimental studies[R].IPTC-1607,2013.

[8] N A Ogolo,O A Olafuyi and M O Onyekonwu.Enhanced oil recovery using nanoparticles[R].SPE1608847,2012.

[9] Buckley J,Fan T.Crude oil/brine interfacial tensions[R].Paper SCA，2005.

[10] LukyHendraningrat,Shidong Li and Ole T.Enhancing oil recovery of low-permeability berea sandstone through optimised nanofluids concentration[R].SPE165283,2013.

编辑：李金华

1673-8217(2015)04-0108-03

2014-12-18

高俊，1985年生，2010年毕业于长江大学石油工程专业，现为中国石油大学(北京)油气田开发专业在读硕士研究生。

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