致密储层纳米流度改性剂的微流控模拟评价*

耿向飞，丁 彬，张玉亮，王 哲，郭建辰，肖 川

（1.中国石油勘探开发研究院，北京 100083；2.新疆油田分公司勘探开发研究院，新疆 克拉玛依 834000；3.新疆油田分公司物资供应总公司，新疆 克拉玛依 834000）

我国致密油远景资源量达70亿吨左右，其中技术可采资源量为20数25 亿吨，占全球致密油资源总量的9.3%，主要分布在松辽、鄂尔多斯、四川、准噶儿等盆地［1］。我国致密储层渗透率小于0.1×10-3μm2，孔隙度为6%数 15%，2数 10 μm 的微米级孔隙是主要储油空间。与特低/超低渗油藏相比，其成藏机理复杂、孔喉细小、开发难度大［2］，对注入液体的性能要求高。目前评价注入液体性能的方法主要有岩心驱替实验、低场核磁共振分析等，评价效果较好，对现场应用也起到了一定的指导作用。但这些方法存在操作复杂、样品消耗大、可视化程度低、重复性差等问题，因此，亟需新的模拟手段来实现对致密储层注入液体体系的有效评价。

微/纳流控技术是一种在微/纳米尺度空间对流体进行操控的科学技术，具有将生物、化学等实验室的基本功能微缩到一个几平方厘米芯片上的能力，因此又被成为芯片实验室［3-5］。2004年美国Business 2.0 杂志一篇封面文章把芯片实验室列为“改变未来的七种技术之一”。近年来，微/纳流控技术在石油行业也得到了广泛应用。Calgary 大学采用自制的微流控芯片评价了水、纳米流体、复合流体、表面活性剂对加拿大Alberta 重油的采收率［6］；斯伦贝谢公司新型“微流控芯片PVT 测量技术”已广泛应用于现场油藏储层流体测试，应用最高压力可达到86 MPa［7］；Cornell大学通过微流控芯片研究了通道尺寸对流体性质的影响，发现在纳米孔道中水的黏度会增大［8-10］。本文采用自主设计的3 种微流控模型（2 维多孔介质模型、2.5 维孔喉模型和半圆多通道模型）对研发的致密储层纳米流度改性剂开展了驱油性能的在线、可视模拟评价研究。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

储层纳米流度改性剂，由双子表面活性剂、助溶剂、油溶性解缔合剂按照比例自制；模拟原油，新疆吉木萨尔原油与煤油按体积比10∶4 混合，黏度（50℃）为63.4 mPa·s；煤油、苏丹红、亚甲基蓝，上海阿拉丁试剂公司；蒸馏水。

微纳米尺寸驱替平台，莱卡M165FC 集光学显微镜、CCD 成像和微流控芯片专用夹具于一体，中国石油大学（北京）自主搭建设备；2 维多孔介质模型：玻璃材质，模型尺寸1.5 cm×1.5 cm，模拟1/4 五点法井网，深度15 μm，最大宽度167 μm，最小宽度30 μm，见图1；2.5维孔喉模型：玻璃材质，模型尺寸1.5 cm×1.5 cm，模拟1/4 五点法井网，孔隙深度15 μm，喉道深度2 μm，见图2；半圆多通道模型：玻璃材质，模型尺寸1.5 cm×1.5 cm，主要构成为：1 mm注液通道，300 μm排液通道，7条深度为1 μm，宽度分别为2、5、10、20、40、80、160 μm 的微流控通道，7条微流控通道与供给区域为直径10 mm 的圆和宽度为1 mm的排液通道相通，7条微通道的排布方式是为了避免分布位置对流动规律产生影响，因此将宽通道和窄通道交错开，并对称分布，见图3。

图1 2维多孔介质模型（饱和油状态）

图2 2.5维孔喉模型

1.2 实验方法

（1）2维多孔介质与2.5维孔喉模型驱油模拟实验

首先将模型饱和模拟原油，之后依次进行水驱油和纳米流度改性剂驱油，纳米流度改性剂水溶液质量分数为0.1%，驱替速率均为100 nL/min，驱替结束后通过软件计算驱油效率。

（2）半圆多通道模型驱油模拟实验

将模型饱和苏丹红染色的煤油，在恒压（0.005 MPa）下注入亚甲基蓝染色的蒸馏水或0.1%的纳米流度改性剂水溶液，待其充满圆形供给区域后，逐步提升压力，观察微通道的通过情况，并记录液体通过每个微通道进入排液通道时的注入压力。

图3 半圆多通道模型示意图

2 结果与讨论

2.1 2维多孔介质模型驱油

2 维多孔介质模型水驱油结束、纳米流度改性剂驱油过程以及纳米流度改性剂驱油结束时的显微镜照片见图4。水驱驱油效率较低，大部分含油区域未波及，存在指进现象，经计算水驱结束后驱油效率仅为35%。后续注入纳米流度改性剂后，原油被瞬间转化为小尺寸油滴，最小的油滴尺寸可到百纳米级，从而大幅提高了原油的流动性，扩大了波及体积，提高了驱油效率。纳米流度改性剂驱结束后的驱油效率可达90%。

2.2 2.5维孔喉模型驱油

2.5维孔喉模型水驱油结束、纳米流度改性剂驱油过程以及纳米流度改性剂驱油结束时的显微镜照片见图5。2.5维孔喉模型驱油结果与2维多孔介质模型部分相似，水驱驱油效率较低，约为40%；后续注入纳米流度改性剂后，原油被瞬间转化为小尺寸油滴，最小的油滴尺寸可到百纳米级，更多的原油通过狭窄的喉道，驱油效率可达95%。

2.3 半圆多通道模型驱油

2.3.1 水驱油

0.055 MPa压力下水依次突破80、40、160 μm的微通道，见图6（a）、6（b）和6（c）；当压力升高至0.06 MPa时，水突破20 μm微通道，见图6（d）；当压力升高至 0.1024 MPa 时，水依次突破 2 μm 和 5 μm 微通道，见图6（e）和6（f）。

2.3.2 纳米流度改性剂驱油

0.025 MPa压力下纳米流度改性剂依次突破80 μm和160 μm的微通道，见图7（a）和7（b）；当压力升高至 0.035 MPa 时，纳米流度改性剂突破 20 μm 微通道，见图7（c）；当压力升高至0.05 MPa时，纳米流度改性剂突破40 μm微通道，见图7（d）；当压力升高至 0.075 MPa 时，纳米流度改性剂突破 5 μm 微通道，见图7（e）；当压力升高至0.1024 MPa时，纳米流度改性剂突破2 μm微通道，见图7（f）。

对比半圆多通道模型水驱油和纳米流度改性剂驱油结果，可以看出，纳米流度改性剂比蒸馏水更容易进入各个微通道，所需注入压力均有所降低。说明纳米流度改性剂可显著降低注水启动压力，比水更易进入小孔隙，有望助力致密油的高效开发。结合2.1和2.2节实验结果，这可能是由于纳米流度改性剂可将原油分割为小油滴，使得原油的流度与运移能力大幅度提高，从而扩大波及体积和提高驱油效率。

图4 2维多孔介质模型驱油过程

图5 2.5维孔喉模型驱油过程

图6 不同压力下半圆多通道模型水驱油突破通道过程（×50）

致密储层矿物成分复杂，分布具有随机性，岩石孔隙表面的润湿性是不均匀的，中国典型致密油区总体润湿性多为弱亲水或弱亲油［2］。尺寸、构造和表面性质是致密储层渗流通道模拟的关键因素，设计制作“高仿”的致密储层模型以及修饰有智能传感的仿生微纳米孔道，是未来对驱油剂评价、驱油剂渗流机理以及驱油机理研究的重要发展方向。本文的3 种微流控模型均为亲水性，下一步将制作具有不同润湿性的微流控模型，实现对纳米流度改性剂及其他驱油剂驱油机理和驱油效果的全面评价。

图7 不同压力下半圆多通道模型纳米流度改性剂驱油突破通道过程（×50）

3 结论

采用自主设计的3种微流控模型（2维多孔介质模型、2.5 维喉道模型和半圆多通道模型）对研发的致密储层纳米流度改性剂开展了驱油性能的在线、可视模拟评价研究。纳米流度改性剂可将原油分割为小油滴，大幅提高原油的流度与运移能力，并可显著降低注水启动压力，比水更易进入小孔隙，驱油效率高达90%以上，有望助力致密油的高效开发。