玛湖致密砂砾岩油藏纳米排驱滑溜水体系

何小东，朱佳威，石善志，周福建，马俊修，姚二冬

（1.中国石油新疆油田工程技术研究院，新疆克拉玛依 834000；2.中国石油大学（北京）油气资源与勘察国家重点实验室，北京 102249；3.中国石油大学（北京）非常规油气科学技术研究院，北京 102249）

0 引言

2005 年以来，中国石油围绕碱湖烃源岩生油模式、浅水扇三角洲沉积模式、源上砾岩大油区成藏理论及砾岩勘探关键技术首次在凹陷中心区发现十亿吨级玛湖砾岩大油区[1]。玛湖油田致密砂砾岩油藏开发潜力巨大，但由于其储层岩性致密，物性较差，非均质性强，压裂起裂困难[2]，裂缝复杂程度较低，最终稳产效果较差[3]。自从美国的 Mitchell 能源公司[4]首次将滑溜水应用在页岩气的压裂中以来，滑溜水压裂液体系在北美地区获得了显著的经济效益并且已经取代了传统的凝胶压裂液。在实际油田施工中滑溜水体系中往往会加入各种添加剂[5]，以保证整个滑溜水体系的高温稳定性、抗盐性、降低滤失，改善支撑裂缝的导流能力，在压裂结束时保证破胶，降低地层损害。目前在压裂液中的添加剂包括杀菌剂（如氯代酚、季铵盐等）、稳定剂（如硫代硫酸钠）、破胶剂（如过硫酸盐）、减阻剂（如聚丙烯酰胺）、降滤失剂（如硅粉），如此繁多的添加剂很大程度地增加了压裂液体系内部的不配伍性，同时增加了压裂液体系与地层实际条件不配伍的风险因素。国外学者针对单纯滑溜水体系的诸多弊端，提出纳米乳液驱油这个概念。Wasan 等人[6]（2011）提出纳米颗粒润湿反转的机理是在油水之间的楔形膜位置产生结构分离压力，致使油滴从岩心表面脱离，岩石润湿性变为水湿。徐泉等人[7]（2017）通过接触角实验分析纳米乳液将油湿的岩心反转成水湿岩心的时间及程度。通过原子力显微镜（AFM）和傅氏转换红外线光谱分析仪（FTIR）证明，随着时间的进行，浸泡在纳米乳液中的岩石表面会吸附更多的纳米颗粒。

针对玛湖致密砂砾岩油藏特性，在调研大量国外文献的基础上，合成了具有非离子特性的纳米排驱剂滑溜水体系，并自行搭建环路摩阻测试平台，依据玛湖现场实际的施工参数，对纳米排驱滑溜水体系的剪切能力，耐盐能力、洗油能力等多项性能进行探究。

1 纳米排驱滑溜水的配制

所研发的纳米排驱滑溜水由纳米乳液、减阻剂和配制水组成。其中，纳米乳液通过使用微乳液技术，将油自发分散在非离子表面活性剂、醇和水的混合体系中形成，该体系继承了微乳液的纳米粒径。纳米乳液所使用的表面活性剂为非离子表活，改善了压裂液添加剂与减阻剂的配伍性，赋予压裂液以驱油功能，且其粒径较小，不发生乳化，不会堵塞储层。研究所使用的减阻剂DR800 为阴离子聚丙烯酰胺，分子量约为700 万，通过丙烯酰胺、阴离子共聚单体、油和非离子乳化剂体系形成的反向微乳液聚合形成。

1.1 DR800添加浓度确定

根据国外文献自行独立搭建环路摩阻装置[8]，管道内不同流体同样流动条件下流动阻力的降低，可以表征为摩阻系数的降低，因此在保证一定流速下，依据所添加流体的压降差值，可以计算整个流体体系的减阻率。DR800 添加浓度依据该装置的减阻率实验结果进行确定。

DR800 原液主要成分为高分子聚合物，现场添加极少便可产生较大的减阻效果，当添加超过到一个浓度值时，继续增加浓度，会使得整个滑溜水体系的减阻率呈现下降趋势。根据现场经验，分别测试了体积分数为0.06%、0.07%、0.08%、0.09%、0.10%的DR800 减阻率，所得结果见表1。

表1 不同体积分数下DR800 减阻率随流速的变化

可以发现，当DR800 体积分数为0.08%时，此时最大的减阻率为78.93%，在所测的5 类体积分数中达到了减阻最大值，因此确定了在整个纳米排驱滑溜水体系中DR800 的添加比例为0.08%。当浓度较低时，DR800 聚合物分子水化体积有限，即使所有聚合物完全伸展，也无法布满整个水相体系，导致部分水相区域仍然存在湍流，减阻率随着聚合物浓度增大而增大。当浓度过大时，高流速下，聚合物分子发生缠结，体系形成网状，阻碍水相的线性流动，造成减阻率下降[9]。

1.2 纳米乳液浓度确定

纳米乳液兼具表面活性剂的特性，不同之处在于它拥有着特殊的油核结构，若纳米原液的添加量少，则达不到临界胶束浓度，纳米乳液起不到实际效果。若纳米原液过量加入，则会造成纳米乳液的浪费，不经济适用，因此找到纳米乳液的适宜浓度至关重要。采用JYW-200B 型表面张力仪测量表界面张力，以此确定纳米乳液添加浓度，测量结果如表2 所示。

表2 表界面张力随纳米乳液质量浓度分数的变化

通过实验结果分析，当纳米乳液的质量分数在0.1%时，此时表面张力为30.07 mN/m,界面张力为2.35 mN/m，达到纳米乳液的最经济适宜的添加浓度。在质量分数为0.1%下，通过Zetasizer Nano ZS激光纳米粒度仪，对该纳米乳液进行粒径测定[10]，结果如图1 所示。由图1 可见，纳米乳液的粒径分布值在8～11 nm 区域占据了98.9%，达到纳米乳液峰值的粒径为8.278 nm。纳米乳液粒径（＜10 nm）显著小于常规乳液（＞1 μm），能够保证其有效进入致密储层的微纳米孔隙。同时纳米颗粒含有较多的表面活性剂，能够降低油水界面张力，促进微纳米孔隙中的油水置换反应，达到既能够降低注入压力，保护储层，又能够附加驱油功能，提高采收率。

图1 纳米乳液粒径分布图

2 纳米排驱剂体系性能评价

在确定纳米排驱滑溜水体系各成分添加比例之后，本研究对该体系与玛湖致密砂砾岩配制水的配伍性，结合该区域实际施工工况参数，对相关性能参数进行实验室评价。

2.1 溶解时间

对玛湖油田不同的现场水源进行标定，1#为玛湖油田现场净化水（NaHCO3型）；2#为玛湖油田水源井水（CaCl2型）；3#为玛湖油田污水（MgCl2型）。分别取出3000 mL 放入烧杯，保证实验环境温度为25 ℃，同时准备好秒表及电磁搅拌器。首先将烧杯置于电磁搅拌器上，加入转子，设定转速为300 r/min；其次在烧杯中同时加入3 g 纳米乳液原液和2.4 mL DR800 滑溜水原液，利用秒表分别记录纳米排驱剂的溶解时间。测试结果如下：1#、2#和3#油田净化水的纳米排驱剂溶解时间分别为7、9、15 s。纳米乳液中的表面活性剂为非离子表面活性剂，不与无机盐和聚合物反应，可迅速溶解。带有磺酸基团的DR800 聚合物不受钠离子影响，钙镁离子耐受性好，因此3 个体系均能快速溶解，而含有钙镁离子的配制水中溶解时间略微延长。经过玛湖油田现场实际数据分析可知，滑溜水从注入到井筒这一段的时间约为40 s，这表明该纳米排驱滑溜水体系溶解时间较短，能保证在到达井筒之前完成溶解，且混合均匀。

2.2 耐盐性能

利用环路管道摩阻设备对纳米排驱滑溜水体系进行抗剪切性能的测定。测试条件：利用玛湖不同类型配制水加入质量分数为0.1%的纳米乳液和体积分数为0.08%的DR800 配制3 种玛湖纳米排驱滑溜水,依据配制水型的区别分别按照上述的分类方法，将最终配得的纳米排驱滑溜水编号与配制水编号一一对应；通过调节环路摩阻泵的排量从而改变整个环路摩阻体系的剪切速率，每一个测量点的时间均值为12 s，实验结果见图2。

结果表明，不同玛湖配制水型配制的纳米排驱滑溜水配伍性良好，减阻率变化差异不大，在剪切速率达到1.2×104s-1时，减阻率达到78%，在实验的剪切速率范围内，剪切速率越大，减阻剂分子排列越线性，对应的减阻效果越好。NaHCO3、CaCl2、MgCl2这3 种类型的玛湖地层水对纳米排驱滑溜水体系中聚合物长链的伸缩舒展没有特别大的影响，因此对整个体系减阻性能影响不大。

图2 不同玛湖地层水配制的纳米排驱滑溜水体系减阻能力变化

2.3 抗剪切性能

将玛湖2#水配制的CaCl2型纳米排驱滑溜水进行高剪切速率下抗剪切能力测定，实验结果如图3 所示。

图3 1.2×104 s-1 高剪切速率下玛湖2#地层水（CaCl2型）纳米排驱滑溜水的减阻率随时间变化

结果表明，用玛湖配制水混配的纳米排驱滑溜水在1.2×104s-1的高剪切速率下依然保持着良好的抗剪切能力，剪切20 min，该体系的减阻率依然保持在72%左右，说明纳米排驱滑溜水体系在反复剪切的过程中，部分较大的分子被剪切力破坏，减阻率部分下降，但这部分分子在排驱剂体系中的占比不大，不影响现场减阻要求。

2.4 洗油能力测试

2.4.1 玛湖油砂制作

实验的岩心取自玛湖百口泉区域，层位T1b，井段3130.17～3136.36 m。利用高转速磨粉机筛选出70～120 目玛湖岩粉30 g，加入180 mL 原油，搅拌5 min 至均匀，倒入反应容器中同时放入滚子加热炉24 h，滚子加热炉选取温度为80 ℃（玛湖百口泉区块平均地层温度）。然后取出反应容器中岩粉，过滤多余的原油，将剩余固态油砂置于室内环境3 h 晾晒，即可完成玛湖油砂制作过程。

2.4.2 玛湖油砂含油率的测定

称取上述玛湖油砂若干，质量（m1）为3.0134 g，同时记录滤纸质量（m2）为1.0289 g，利用索氏提取器进行实验，通过加热烧瓶使得萃取剂形成稳定回流，在105 ℃烘干8 h，称取萃取后滤纸和玛湖油砂的质量（m3）为2.1973 g。计算得玛湖油砂的含油率（ω）为61.2%。

2.4.3 纳米排驱滑溜水洗油率测定

将上述萃取剂二氯甲烷等体积换成纳米排驱滑溜水，称取刚制作完的油砂（m4）5.0124 g，经过纳米排驱滑溜水洗油后的质量（m5）为3.5426 g，经过二氯甲烷洗油后的质量（m6）为2.0235 g。

故洗油率η=[1-(m5-m6)/m5]/ω×100%,带入实际测量数据可知，纳米排驱滑溜水体系的洗油率为93.3%，对比业内类似洗油实验结果[11]，可知纳米排驱滑溜水体系有着稳定高效的洗油效率。

3 结论

1.通过反向微乳聚合获得分子量为700 万的阴离子滑溜水减阻剂，其体积分数为0.08%时，减阻效果达到最佳。所制备的粒径均值在8.278 nm的非离子纳米乳液，质量分数为0.1%时，表界面张力将至最低，此时添加比例最为经济高效。二者复配可形成具有驱油功能的高效减阻纳米排驱滑溜水体系。

2.该纳米排驱滑溜水体系在玛湖3 种不同区域的油田配制水中有较短的溶解时间，15 s 便可以完全溶解，满足现场在线混配需求。同时纳米排驱滑溜水体系使用非离子表活和抗盐共聚阴离子单体，体现出与玛湖配制水良好的配伍性。当剪切速率达到1.2×104s-1时体系减阻率保持78%，持续剪切20 min，该体系的减阻率依然保持在72%以上，具备高效减阻特性。

3.纳米排驱滑溜水体系中的纳米颗粒具有油水楔形膜分离压，能够调整岩石的润湿性，使其对玛湖油砂有显著的洗油效果，最终洗油率为93.3%，是一套具有致密储层驱油功能的滑溜水体系。