水基纳米流体交替注气提高油湿碳酸盐岩油藏采收率的实验研究

张凤博，赵之晗，宋世豪

（1 延长油田股份有限公司下寺湾采油厂，陕西延安716100；2 河北雄安华油清洁能源有限公司，河北任丘062552；3西北大学，陕西西安716900）

随着现有油田的产量开始下降，提高采收率至关重要。许多油田被废弃，剩余油饱和度超过30%。将回收率提高几个百分点，可能会带来数十亿美元的额外利润。强化采油技术，即三次采油，旨在提高二次采油基准线以上的石油采收率。因此，如何从成熟油田中开采出更多的原油，已成为石油工程界的一个热门话题[1]。二氧化碳驱油是一种双赢的策略，因为它可以提高石油回收率，同时减少二氧化碳排放到大气中[1-2]。廉价和多余的温室二氧化碳气体可以被捕获，然后注入油藏，以提高采收率。传统的水驱或气驱方法的困难和限制，如不适当的流动率和注入流体的早期指进，导致了水交替注气（WAG）的发明，作为这两种方法的组合[3-4]。由于注入气体的粘度相对较低，注入气体和油之间的流度比非常不利，非常不利的流度比会导致粘性指进和扫掠效率降低。WAG工艺就是为了解决这个问题而开发的[5]。在WAG工艺中，较高的气体微观驱替效率与较好的水宏观波及效率相结合，有助于显著提高普通注水工艺的增产效果。结果表明，注入气体与水交替流动的流动性小于注入气体单独流动的流动性，从而提高了流动性比[6-8]。

1 试验装置和程序

通过多次线性岩心驱油试验，比较了不同提高采收率方法的采收率。岩心注水装置包括泵、岩心夹持器、背压系统、压力计和用于数据采集和过程控制的计算机系统。注入系统包括一个流体输送泵，用于通过活塞室以所需速率将各种注入流体注入岩心。一个带有橡胶套的岩心夹持器被用来固定岩心。将岩心夹持器置于恒温烘箱中，以将岩心保持在贮存器温度。压力计用于测量堆芯流体的入口/出口压力。堆芯通过施加三轴应力进行填充和限制。油和水通过背压调节器（BPR）排放并输送至分离器。在校准管中收集油和水，并测量油和水的量。同时，用煤气表测量出口煤气。

在X'Pert飞利浦X射线衍射仪上，利用Cu/Ka辐射对岩芯样品进行了X射线衍射（XRD）分析，X射线管的工作电压为40kV、电流30mA。利用KYKY-EM3200型扫描电镜，定性研究了驱油实验中SiO2纳米粒子在孔隙表面的吸附行为。

2 结果与讨论

驱油实验主要分为两个步骤：水交替注气（WAG）和纳米流体交替注气（NWAG）。仅对于第一个岩芯样品，进行了四次运行：水、CO2气体、WAG和NWAG注入。每次运行时，测量回收率与注入孔隙体积的关系。测量了产水量、产气量和压差。

2.1 实验1

进行了四种不同的注入方案：水、CO2气体、WAG、NWAG注入。实验温度为50℃，初始注射压力为800psi（5.52MPa）。水/纳米水注入速率为8cc/h，每次注入1.32cc（0.2孔体积）水。注气速率为15cc/h，每个循环注入0.66cc（0.1孔体积）的CO2。在该岩芯样品中使用SiO2-1进行实验。比较了不同方法的回收率，结果见表1。回收率与注入孔隙体积的关系如图1所示。

表1 1#岩心不同提高采收率方法的采收率比较Table 1 Comparison of different EOR methods in core 1#

图1 1号岩芯水、气、WAG和NWAG注入采收率与注入孔隙体积的比较Fig .1 Comparison of water, gas, WAG and NWAG injection recovery and injection pore volume in core 1

从表1和图1可以清楚地看出，在四种不同类型的提高采收率策略中，NWAG的采收率最高，其次是WAG和注水工艺，石油采收率差异非常小。最低采收率为CO2注入。实验在低于CO2和油的最小混相压力的压力下进行。油气相互作用的非混相机理解释了注CO2采收率低的原因。进行了一系列实验和表征（界面张力测量、接触角和SEM图像），以解释在NWAG实验中由于纳米颗粒的存在而显著提高的回收率。

了解纳米流体驱油过程中的润湿性行为至关重要，因为它影响许多重要的储层性质，如相对渗透率特征、孔隙网络中流体（烃和水相）的分布以及开采过程中的流体流动。润湿性变化是纳米提高采收率过程中的一种驱油机理。接触角是测量表面润湿性最常用的方法，也是测量储层润湿性的一种方法。

2.2 实验2

实验考察两种不同的注入方案：WAG和NWAG。实验温度为50℃，初始注射压力为800psi（5.52MPa）。水/纳米水注入速率为8cc/h，每个循环注入2.5cc（0.2孔体积）的水。注气速率为15cc/h，每个循环注入1.32cc（0.1孔体积）的CO2。为了研究纳米颗粒的大小对回收率的影响，在本试验中，纳米颗粒的大小在30～40 nm之间。结果见表2。表2结果表明，较小的纳米粒子比较大的纳米粒子提供更好的回收率。由于碳酸盐岩的非均质性和空间变异性，较小的颗粒可以通过多孔介质向深层运移。因此，纳米颗粒对多孔介质体积的影响更大，从而提高了回收率。

表2 纳米尺寸对回收率的影响Table 2 Effect of nano size on recovery

图2比较了两种方法的回收率。结果表明，与第一次实验结果相似，NWAG注入的采收率高于WAG注入的采收率。然而，提高采收率约为11.4%，NWAG和WAG注入采收率之间的差异比岩芯1的差异小约10.5%。这可能是因为纳米颗粒的大小发生了变化。通过改变岩石的润湿性和IFT还原性，使SiO2纳米粉体粒径减小，可以深入低渗透岩石，提高采收率。孔径越小，毛管压力越高，通过降低界面张力和改变润湿性，容易产生毛管压力圈闭的油。

图2 2号岩心WAG和NWAG注入采收率与注入孔隙体积的比较Fig . 2 Comparison of WAG and NWAG injection recovery and injection pore volume in core 2

图3显示了纳米颗粒在岩芯2的入口、中部和末端的沉积和吸附。通过对岩心1和岩心2的SEM图像进行比较，发现通过岩心1可以观察到较好的纳米颗粒分布和吸附，说明润湿性变化较好。接触角测量结果也证实了这一问题。此外，从核1和核2的SEM图像可以明显看出，SiO2纳米颗粒在流体相中聚集，但是SiO2-2纳米颗粒聚集的尺寸比SiO2-1纳米颗粒聚集的尺寸大。粒径较大的纳米颗粒可能聚集到比孔大的尺寸，这导致聚集的颗粒不能进入芯2中的小尺寸孔。所以2号岩芯的回收率比1号岩芯低。

图3 2 #岩芯不同部分表面SEM图像Fig. 3 SEM images of different parts of core 2#

2.3 实验3

为了研究不同岩石类型对NWAG驱油效果的影响，对孔隙度高于岩心1的高渗透碳酸盐岩储层进行了两种不同注入方式（WAG、NWAG注入）。实验温度为50℃，初始注射压力为800psi（5.52MPa）。水/纳米水注入速率为8cc/h，每循环注入3.5cc（0.2孔体积）水/纳米流体。注气速率为15cc/h，每个循环注入1.75cc（0.1孔体积）的CO2。所用纳米颗粒的大小与核1（11～14 nm）相同。

结果表明，在我们的实验条件和实验材料中，NWAG在低渗透岩心样品中有较好的回收率。在小孔隙中，毛管压力较高，因此我们推测，通过降低界面张力和改变润湿性，可能会产生一些被毛管压力捕获的油。当岩石处于水湿状态时，毛管压力梯度导致石油流出，水进入死端孔隙通道。此外，毛细力使水在低渗透性孔隙通道中向前移动更快，而水在高渗透性孔隙通道中移动缓慢。此外，通过对岩心1和岩心3的接触角测量结果进行比较，发现岩心1的润湿性变化较好，我们推测，由于上述机制，NWAG在低渗透岩石中表现更好。

比较了两种不同方法的回收率，结果见表3。回收率与注入孔隙体积的关系如图4所示。注入流体的粘度是可能影响石油采收率的另一个参数。测定了含0.1%(质量分数）11～14 nm纳米颗粒的纯水和纳米流体的粘度。结果表明，在20℃、800psi（5.52MPa）条件下，纳米流体的粘度由纯水的0.999cp提高到1.18cp。增加粘度和改变润湿性会影响粘滞力和毛细管力，增加毛细管数，从而提高采收率。实验结果表明，润湿性的改变是主要的机理。此外，由于粘度增加，NWAG注入时沿岩心的压差增加，这导致入口压力增加，特别是在纳米流体注入循环中。

图4 3#岩心WAG和NWAG注入采收率与注入孔隙体积的比较Fig.4 Comparison of WAG and NWAG injection recovery and injection pore volume in core 3#

表3 岩芯3#中WAG和NWAG的回收率比较Table 3 Comparison of recovery rates of WAG and NWAG in core 3 #

二氧化硅纳米颗粒进入岩芯孔隙后，由于二氧化硅表面的高活性、高能状态，其表面原子的高度不稳定性以及纳米颗粒的大比表面积，这些纳米颗粒吸附在岩石孔隙表面，岩石表面的润湿性由油湿变为强水湿。纳米颗粒被定位并吸附在油水界面上，使油水两相间的摩擦力减小，界面张力减小，被毛细管压力捕获的油被释放。

3 结论

采用纳米水交替注气（NWAG）作为一种新的、具有潜在可行性的方法来提高油湿碳酸盐岩油藏的采收率，岩心驱油试验的主要结论如下：（1）在水相中加入纳米颗粒比WAG驱具有更好的采收率；（2）纳米颗粒吸附在岩石表面，使岩石的润湿性由油湿变为强水湿；（3）纳米颗粒位于油水界面，降低了油水界面张力；（4）渗透率较低的岩心样品的采收率高于渗透率较高的岩心样品；（5）由于碳酸盐岩的非均质性和空间变异性，较小的纳米颗粒尺寸具有更好的回收率，因为较小的颗粒可以更好地通过多孔介质。因此，更小的纳米颗粒尺寸导致更大的石油回收率。