纳米粒子对轻中质油藏采收率的影响

宋景杨 方艳君 赵春森

摘 要：纳米粒子在提高油藏采收率中的作用是一个日益重要的研究课题。纳米粒子为固体且比胶体粒子小两个数量级，对提高采收率具有潜力。分析了改良二氧化硅纳米粒子对Y油田的轻质油田和中质油田提高采收率的影响。油水界面张力和润湿性的改变是纳米粒子提高采收率的主要机理。在不存在纳米粒子和存在纳米粒子且在纳米粒子的不同浓度下进行了油水界面张力和油相接触角的测量。结果表明，轻质和中质油中，纳米粒子的存在都大大降低了界面张力。此外，岩石的润湿性有从亲水变为亲油的趋势。纳米粒子在轻质油藏中的效率更高，可提高一次二次采油采收率。

关 键 词：纳米粒子； 界面张力； 润湿性； 采收率

中图分类号：TE 357 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）08-1677-04

Abstract： The role of nanoparticles in enhancing oil recovery of oil reservoirs is an increasingly important research topic. Nanoparticles are potentially useful for enhancing oil recovery as they are solid and their size is smaller than colloidal particles by two orders of magnitude. In this paper， effect of modified silica nanoparticles on enhancing oil recovery of light and medium oil reservoirs in Y oilfield was analyzed. The mechanisms to enhance oil recovery are oil-water interfacial tension reduction and wettability alteration. Oil phase contact angles and oil-water interfacial tensions were measured in the absence and the presence of nanoparticles with different concentrations （1～4 g/L）. The results show that the interfacial tension reduces dramatically in the presence of nanoparticles for both light and medium oil. In addition oil phase contact angle test results show a transformation of rock wettability from water-wet toward oil-wet condition.These nanoparticles are more capable in the reduction of the interfacial tension and the alteration of wettability in the case of light oil reservoir.

Key words： nanoparticles； interfacial tension； wet ability； recovery

由于存在阻礙原油渗流的高毛细管力，超过50%的原油被束缚在地层中。毛细管压力是小油滴烃通过孔喉所需要的力，受润湿性和油水界面张力的影响。近年来，纳米材料由于其独特的性质已经吸引了众多研究者在纳米材料提高采收率方面的研究[1-2]。二氧化硅纳米粒子改变储层岩石润湿性和降低油水两相界面张力的作用被积极研究[3-4]。在过去的十年中，已经做了关于二氧化硅纳米粒子在亲水砂岩中的应用的研究[5-6]。然而，缺乏对改良二氧化硅纳米粒子在不同储层中提高采收率的研究。本研究比较了改良二氧化硅纳米粒子对Y油田的轻质油田和中质油田提高采收率的影响，评价改良二氧化硅纳米粒子通过降低界面张力和改变岩石润湿性增加驱替效率的潜力。

1 实验部分

1.1 材料

实验用的砂岩岩心是从Y油田的一个油层中得到的。这些岩心的直径为38.4 mm，长度范围为68.0至68.5 mm，孔隙度和平均渗透率分别为18.5%和102 mD。实验中使用的盐水为浓度为5%的NaCl。室温下盐水的密度和黏度分别为1.05 g/cm3和1.09 cp。从Y油田不同地层中得到了两种类型的脱气原油，含有少量的沥青，在20℃下的黏度分别为11.014 cp和29.364 cp，API分别为33.53和27.43。本实验中用到的二氧化硅（AEROSIL R816）是十六烷基硅烷基于AEROSIL 200处理后得到的。AEROSIL R816的物理性质如表1所示。在透射电子显微镜下观察到的纳米粒子的形状近似球体。本实验中用到的不同浓度的纳米流体由纳米粒子在乙醇中30 min制备（600 W，20 kHz）。纳米流体制备后，将溶液放置在一个封闭透明的瓶子中一周，消除所有能够使其降解的因素，如光和热，以确保其均匀性和稳定性。

1.2 实验方法

分别用4种不同浓度的纳米流体测量接触角和界面张力。能够引起接触角最大变化和界面张力值最低的浓度被认为是理想浓度。为了观察纳米粒子对润湿性的改变，两组试样被锯开，抛光并在室温（23℃）下垂直的放入纳米流体中。然后，用显微照相机拍摄砂岩板上的油滴的侧面图像并测量接触角。液滴的体积用手动精密注射器调节，以获得尽可能小的尺寸。另外，用悬滴法在环境压力和室温下分别测量加入不同浓度的纳米流体前和后的界面张力。为进行界面张力的测量，用显微照相机拍摄被盐水和不同浓度的纳米流体包围的油滴照片。油滴参数由油滴尺寸测得。IFT用下公式计算：

其中： 和 分别为油和水的密度，g为重力加速度， de是油滴的最大水平直径， ds是距离油滴底部上方de距离处的直径。对于岩心驱替实验，第一个岩心渗透的是轻质油，第二个岩心渗透的是中质油。然后，在环境压力和在室温下以60 mL/h的流速进行岩心驱替试验。岩心被2 PV（1 PV=14.56 cc）驱替，以模拟一次和二次采油过程。随后，它们被2 PV的纳米流体驱替，最后，用2 PV的盐水将岩心中的纳米流体驱替出。

2 结果和分析

2.1 接触角和界面张力的测量结果

通过测量存在水时的油相接触角来评估用纳米粒子处理表面前后润湿性的改变。如前所述，对纳米流体在不同浓度（1～4 g/L）的油相的接触角进行了测量，以确定岩心样本中的纳米流体注入的最佳浓度。第一组和第二组的岩心测量分别用了轻质油和中质油。第一组和第二组岩心在未用纳米粒子处理之前接触角分别为135.5°和130°（如图1），岩石表面显示出亲水的性质。用不同浓度的纳米粒子处理过表面后，观察到了改良二氧化硅纳米粒子对于润湿性的改变，第一组岩心的接触角降低到了66°，第二组岩心降低到了101°。固体表面的润湿性和固体-液体和液体-液体之间的相互作用有关，纳米粒子在岩石表面的吸附从而改变表面自由能量是将润湿性改变的原因，这可以被认为是固-液两相的相互作用。另外，纳米粒子中存在液体-液体的相互作用是润湿性改变的另外一个原因。三相系统中的内在作用力和杨氏法则有关：

其中： 为油相接触角， 为界面张力。上标sw、os和wo分别代表固体-水、固体-油和水-油界面。在油水界面纳米粒子的存在使得油水界面的张力降低。因此，根据（2）式， 随油水界面张力降低而增加，因此油相接触角减小，这意味着系统向亲油转变。不同浓度纳米流体接触角的测量结果表明浓度为3 g/L的纳米流体在所有系统中改变润湿性的能力更强。另外，纳米粒子对轻质油藏有更强的改变润湿性的能力。

在本次研究中只研究了纳米粒子的吸附作用对岩石表面的润湿性改变的影响，因为在处理过程中，切片是被垂直放置在纳米流体中的。

油和水之间的界面张力使得油被困在小孔道中，而且一部分剩余油在水驱之后仍然在小孔道中，这会使得孔内毛细管压力降低。采用纳米流体后，对轻质油系统，界面张力从26.5 mN/m降低到了2.95 mN/m，对中质油系统，界面张力从28.3 mN/m降低到了7.3 mN/m（图2）。纳米流体浓度越高，界面张力越低。根据不同浓度的纳米流体的界面张力的测量结果，3 g/L浓度的纳米流体使界面张力降低的最显著，为最佳浓度，并被用于巖心驱替实验。界面张力的降低展示了纳米流体驱动原油和提高原油采收率的潜力。因为它减小了油通过孔喉时的油滴变形使被困的油容易流动。对于轻质油和中质油界面张力的比较显示出了纳米粒子对于轻质油油藏界面张力降低的强烈影响。油相-纳米流体和水相-纳米流体之间的会发生相互作用，由于发现纳米流体积极地吸附到液体-液体界面，在界面上对纳米流体和乙醇混合物的吸附反应了这一原因，当纳米粒子和乙醇的混合物代替原来界面的水和/或油分子时，发生的反应在一侧是混合物与油分子的疏水部分之间，另一侧是混合物与油分子的亲水部分的界面上。这些相互作用比原始的油和水分子之间的作用强的多，在纳米粒子和乙醇混合物的作用下穿过界面的张力减小了。

2.2 经二氧化硅处理后采收率的提升

在第一个岩心和第二个岩心试样中，在采用了二氧化硅纳米粒子后，总体采收率都上升了。第一块岩心的驱替效率在轻质油中时54.01%，在中质油中时为41.65%。然而，在注射了纳米流体后，在第一块岩心和第二块岩心采收率分别增加了25.43%和14.55%。采收率比较的结果揭露了纳米流体可以在一次二次采油中对采收率产生重大影响。然而，纳米流体提高采收率的能力依赖于油的类型和不同的油藏条件。根据界面张力和接触角的测量结果，当纳米粒子被引入到多孔介质中时，它们中的一些可能吸附在岩石表面，另一些和不动的油滴反应，并驱动它们。在两种样品中，界面张力的降低和润湿性改变在提高采收率方面发挥了重要的作用。这些机制在轻质油的油藏中更加有效。另外，让乙醇本身作为表活剂对于两个样品做了研究，结果表明，在注入乙醇后，第一个和第二个岩心分别生产了14.21%和9.33%的油。因此，纳米粒子在第一和第二试样中的分配系数分别为44.29%和35.87%，纳米粒子的可以提高采收率被这些结果所支持。

2.3 纳米流体注入岩心后的变化

纳米流体在注入岩心前和岩心后颜色发生了变化。如图可以清楚的看到，纳米流体经过岩心后颜色从白色混浊溶液分别变成了浅绿色和黄色液体。纳米流体在注入岩心前和岩心后的颜色差异揭露了在纳米液体和油之间或纳米液体和岩石之间可能发生了反应。根据接触角和界面张力的变化，可以得出结论，对于两个样品这两个反应都可能发生，纳米流体与岩石和油都发生反应。

2.4 纳米流体驱油机理

注水后，几乎所有剩余的油都是不动的。不连续的残余油是纳米流体在孔喉后面形成不能穿越孔喉的阻碍。在多孔介质中的纳米流体通过降低界面张力和将润湿性从亲水向亲油改变这两个主要机理来提高采收率。界面张力的降低减少了通过孔喉时的油滴变形。因此，被困住的油都被驱替出来，可以轻易地通过孔喉。另外，毛细管压力成为了原油从一个孔喉到另一个孔喉的障碍（图3）。然而，润湿性的改变使得毛细管力从障碍变为了驱动力。事实上，在润湿性从亲水变为亲油后，毛细管力的方向发生了变化（如图4（b）和（c）所示）。

3 结 论

比较了纳米流体对Y油田的轻质油藏和中质油藏的提高采收率的影响。根据得到的结果，可以得出如下结论：

（1）改良二氧化硅纳米粒子主要通过降低界面张力和将润湿性改为亲油提高采收率。

（2）根据接触角和界面实验，浓度为3g/L的纳米流体具有最大降低液面张力和能够将润湿性改变为亲油的能力，它被认为是理想的浓度。

（3）应用纳米流体后对采收率的提高在轻质油中效果更加明显。

参考文献：

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