稠油纳米降黏剂的室内研究及评价

2022-02-13张立权

化学与生物工程 2022年1期

张立权

(中海油田服务股份有限公司油田化学事业部，广东湛江 524057)

恩平某油田原油密度为0.919～0.935 g·cm-3，黏度为111.18～277.77 mPa·s，沥青质含量为5.58%，地面原油密度为0.941～0.959 g·cm-3，依据黏度标准划分，恩平某油田原油属于普通稠油。由于稠油开采难度大、成本高，如何降低稠油黏度、改善稠油流动性是目前稠油开采所面临的主要技术难题[1]。国内外使用的水基钻井液用降黏剂主要有丹宁类、木质素类、聚丙烯酸类等，主要目的是降低钻井液的黏度，使钻井液具有较好的流变性能。目前使用的稠油降黏剂均是在完井液或者水中均匀分散后，直接加入到稠油中，而不是直接加入到钻井液中。作者研制了一种以纳米硅为主剂的稠油纳米降黏剂MLA，将其加入到水基钻井液中，室内研究其对水基钻井液流变性能的影响和降黏效果。

1 稠油纳米降黏剂的研制及作用机理

稠油组分异常复杂，不同油田或者同一油田的不同油藏、同一油层的不同井组、甚至同一井组的不同井段之间组成千差万别的现象也十分普遍[2-3]。因此，不同稠油对降黏剂的要求也不同，且降黏剂对稠油的选择性也很强，目前还没有一种能适用于所有稠油的降黏剂。

沥青质是极性最强的油馏分，含有低比例的脂族/芳族链，具有可以自聚集的杂环原子结构，可形成胶体聚集，从而提高原油黏度[4-5]。由于沥青质极易吸附在油水界面，形成稳定的油包水型黏膜从而增大油水界面张力[6-8]。当原油以低浓度存在于纳米颗粒中时，纳米颗粒与沥青质聚集体相互作用，聚集体发生分解现象，从而改变沥青质胶体结构，原油黏度会显著降低[9]。针对稠油含有大量胶质、沥青质的特点，以拆散稠油中胶质和沥青质重叠堆砌而成的聚集体和减小流动时流体层之间的阻力为出发点，合成具有极性基团的纳米硅降黏剂。纳米硅具有可反应的双键结构，可用于自由基聚合反应，而且具有微纳米结构的表面容易使流体发生滑移现象，从而减小流体层相对运动时受到的摩擦力[10]。

1.1 试剂与仪器

8 nm SiO2纳米颗粒，金谷新材料有限公司；硫酸(分析纯)；氢氧化钠(分析纯)；四氢苯酐，北京泰亚杰科技有限公司；三乙醇胺(分析纯)；乙醇(分析纯)；氟碳表面活性剂，上海修美新材料科技有限公司。

FS-600N型超声波处理器，上海生析超声仪器有限公司；BLS-BT型数显恒温磁力加热搅拌器，常州春秋电子仪器有限公司；TDL-60D型低速台式离心机，上海安亭科学仪器厂；101型电热鼓风干燥箱，北京永光明医疗仪器有限公司；反应釜、调和釜，湖北创联石油科技有限公司；Model TX500C型界面张力仪；布氏黏度计；接触角测量仪，上海中晨数字技术设备有限公司。

1.2 稠油纳米降黏剂的研制

(1)将8 nm SiO2纳米颗粒用0.3%硫酸进行酸化，得到pH值为4的溶液；然后用0.3%氢氧化钠溶液碱化，得到pH值为11的溶液。将碱化后的溶液在室温下超声处理3 h，用磁力搅拌器以100 r·min-1搅拌15 h后，于4 500 r·min-1离心30 min。将所得的SiO2纳米颗粒喷雾干燥，待用。

(2)将30份(质量份，下同)四氢苯酐、35份三乙醇胺和100份水依次加入反应釜中，搅拌升温至90 ℃反应3 h；加入混合均匀的45份SiO2纳米颗粒和20份乙醇，继续升温至180 ℃反应1.5 h，降温至90 ℃后转入调和釜，加入20份氟碳表面活性剂，在180 ℃、0.2 MPa下反应40 min后，循环过滤，冷却至室温，即得棕色液体状纳米降黏剂MLA。

1.3 稠油纳米降黏剂的作用机理

(1)纳米降黏剂MLA中的羧基、氟碳基、纳米硅等基团不仅能争夺沥青质聚集体中的金属离子，导致大分子聚集体的沥青质因失去金属离子的桥接作用而解体，分子变小，起到分散沥青质的作用；还能形成较强能力的氢键，争夺稠油氢键中的氢形成新的氢键，导致稠油氢键崩解，从而降低稠油黏度。

(2)纳米硅表面酸改性会影响分子间的相互作用力，且形成的硅烷醇基纳米颗粒和沥青质之间的吸引力较大，纳米颗粒的亲和力导致沥青质聚集体碎裂[11]，影响其胶体结构和稠油的内部结构，从而降低稠油黏度。

(3)加入的氟碳表面活性剂能防止水基钻井液滤液与稠油发生乳化，能在低油水比情况下，与稠油形成流动性能良好的稠油乳状液，具有润湿反转功能。

传统表面活性剂作稠油降黏剂时，需要在开采时注入大量的水，且形成的乳状液必须具有一定的稳定性，导致开采出的稠油破乳脱水难度加大，处理量增加，开采成本提高。而作者室内研制的纳米降黏剂可以直接加入到水基钻井液中使用，无需注水处理。

2 稠油纳米降黏剂的性能评价

2.1 稠油黏度测试

稠油处理方法：(1)加热脱水法：将恩平区块稠油在150 ℃下蒸掉水分；(2)静置油水分离法：将稠油置于烧杯中静置分层5 h后，取上层稠油。采用布氏黏度计分别测试处理后的稠油在20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、75 ℃下的黏度，对比2种处理方法下温度对稠油黏度的影响，结果见图1。

图1 温度对稠油黏度的影响Fig.1 Effect of temperature on viscosity of heavy oil

从图1可以看出，随着温度从20 ℃升至75 ℃，稠油黏度逐渐降低，受温度影响较大，在模拟恩平地层温度68.1～75.9 ℃下，加热脱水的稠油黏度和静置油水分离的上层稠油黏度非常接近。因此，后续实验采用静置油水分离的上层稠油。

2.2 降黏剂对钻井液性能的影响

水基钻井液配方：海水+2.0%搬土浆+0.3%NaOH+0.2%Na2CO3+2.5%防水锁剂+3.0%流型调节剂+2.0%降黏剂+3.5%降失水剂+2.0%封堵剂+3.0%润滑剂+KCl加重至1.1 g·cm-3，80 ℃老化16 h。按上述配方配制水基钻井液，分别测定降黏剂为空白、MLA时水基钻井液的流变性能；取水基钻井液API滤液，按稠油∶滤液=20∶80(体积比)混合均匀后，采用界面张力仪测定油水界面张力，结果见表1。

表1 降黏剂对水基钻井液流变性能的影响及油水界面张力评价Tab.1 Effect of viscosity reducer on rheological property of water-based drilling fluid and evaluation of oil-water interfacial tension

从表1可以看出，纳米降黏剂MLA对水基钻井液体系的流变性能几乎无影响，且能大幅降低油水界面张力。

2.3 降黏效果评价

按含水率5%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%，分别称取静置后的上层稠油与蒸馏水或水基钻井液API滤液于500 mL烧杯中，分别置于40 ℃、75 ℃的恒温水浴锅中恒温1 h；用低速搅拌器搅拌样品2 min；在20 s内迅速采用布氏黏度计分别测试40 ℃、75 ℃下，不同含水率的稠油与蒸馏水、API滤液乳状液的黏度μ0、μ。按式(1)计算降黏剂在水基钻井液中对稠油乳状液的降黏率(f，%)：

(1)

降黏剂的降黏效果见图2。

图2 降黏剂的降黏效果Fig.2 Viscosity reduction effect of viscosity reducer

从图2可以看出，含水率对稠油乳状液的黏度及稳定性有明显的影响。在同一含水率条件下，温度升高有利于水包油型乳状液的形成，在稠油乳状液含水率为20%时，75 ℃下降黏率高达60%以上，表明纳米降黏剂MLA在水基钻井液中能有效降低稠油乳状液黏度。当含水率为30%～50%时，纳米降黏剂MLA对稠油乳状液的降黏效果呈下降趋势，可能是由于油水分离导致的。

2.4 润湿性能评价

液体对固体表面的润湿情况可以通过直接测定接触角来评价，测定方法：(1)配制水基钻井液，75 ℃老化16 h后分别取API滤液20 mL；(2)取2块恩平区块处理后的光滑岩芯于恒温箱中75 ℃烘干，用清水(空白样)、加量3%MLA的钻井液滤液(对比样)分别浸泡恩平岩芯2 h后，置于恒温箱中75 ℃烘干；(3)在岩芯表面滴一滴水(蒸馏水)或油(恩平区块稠油)，采用接触角测量仪测定润湿角，结果见图3。

a.空白样-水相 b.对比样-水相 c.空白样-油相 d.对比样-油相图3 降黏剂对岩芯润湿性能的影响Fig.3 Effect of viscosity reducer on wettability of core

从图3可以看出，以恩平岩芯为载体时，对比样表面水相铺展在岩芯上，与岩芯的接触角比空白样小很多，说明含有纳米降黏剂MLA的水基钻井液API滤液对恩平岩芯具有较好的润湿作用；通过对比油相在空白样和对比样上的接触角可知，含有纳米降黏剂MLA的水基钻井液API滤液增强了岩石的亲水性能，由于表面活性剂润湿降黏与吸附降黏的协同作用，有助于油相流动，达到了降黏效果。