微乳液技术在储层改造中的应用研究进展

2022-03-25耿向飞丁彬管保山陈卫东王晨

精细石油化工 2022年2期

耿向飞，丁彬，管保山，陈卫东，王晨

(中国石油天然气集团公司油田化学重点实验室，中国石油勘探开发研究院，北京 100083)

近年来，随着我国非常规油气研究工作的广泛开展，储层改造对象由常规储层到非常规储层，油藏类型由常规油气藏到致密气、致密油、页岩气、煤层气等。改造对象异常复杂，伴有低压、异常高压、水敏、高温等特性。

储层改造液体体系主要包括稠化剂(交联剂)、减阻剂、助排剂、pH值调节剂等。不同化学剂通过协同作用，满足储层改造对液体体系性能的需求。20世纪90年代以来，微乳液由于其优异特性已经在钻井液、完井液[1]、油基钻井液滤饼清洗[2]、油井的清蜡、防垢、解堵[3]以及油气增产等石油领域得到广泛应用。微乳液在低渗、特低渗油藏、致密气、页岩气、煤层气、页岩油等非常规油藏的储层改造中发挥了重要作用。与普通乳液相比具有如下特殊性质：粒径小，液滴粒径大小一般为10～100 nm，为透明或半透明的澄清溶液；界面面积大，具有超低表面张力(<20 mN/m)；较强的增溶能力，溶油能力强，可与水以任意比例互溶；热力学稳定性好，长期放置不易发生絮凝或相分离[4-5]。

1 微乳液在储层改造中的应用

1.1 国外研究状况

微乳液一般作为一种高效减阻剂或助排剂等，与滑溜水复配应用于储层改造中[6-14]。20世纪70年代中期，由于胍胶成本不断提高，国外研究者开始进行滑溜水压裂室内研究和现场试验。滑溜水压裂从1997年至今一直是Barnett页岩开发中最重要的增产措施。Mitchell能源公司(2001年被Devon能源公司收购)在Barnett页岩中首先开始使用滑溜水压裂。滑溜水压裂技术使Barnett页岩采收率提高20% 以上的同时，使作业费用减少了65%[6]。2000年，微乳液开始应用于储层改造中，目前已报道了一些成熟的产品。

Pentagon Marketing公司开发了一种新型微乳液添加剂，用于压裂液返排作业。这种微乳液可以有效分散在处理液中，形成粒径较小的纳米乳液，极易进入油藏伤害区域及裂缝系统，将表面扩大到12 倍，从而提高处理液与伤害地层表面的接触效率。在增产措施中，2%的加量就能够有效修复污染井，提高液体采收率和相对渗透率，解除水锁效应和聚合物伤害。试验还表明，微乳液添加剂能使残留压裂液在低压下从裂缝中返排出来，返排时摩阻降低10%～15%，泵注压力降低50%[7]。

Flotek化学公司用D-柠檬烯作为油相，生产的CnF®微乳液体系(阳离子+10%～50%橙皮油)具有破乳性能佳、液滴尺寸小、流动能力强、溶解性强、增加储层连通性等优点。在北美压裂作业中使用超3 000口井，现场试验表明：添加CnF®微乳液的压裂液增产效果提升20%～50%，平均单井累计18个月增油超过4 100 t。加拿大蒙特尼(Montney)地层致密岩心用CnF®微乳液处理的渗吸采收率为自来水的12倍；该区块某水平井采用CnF®微乳液和压裂液复合体系施工，油气生产5个月后焖井7个月，焖井后油气产量约为关井前的3倍。加拿大下肖纳文(Lower Shaunavon)地层采用CnF®微乳液处理后，日产油量增加50～90桶。国内苏里格气田应用CnF®微乳液压裂井对比同层位邻井，各项指标获得全面突破，90 d累计产量增加55%。

Elevance公司生产的Elevance HFS系列不饱和烯烃甲酯溶剂是将典型的天然植物油原料，通过“烯烃置换反应技术”，再经过精馏和酯交换反应生产得到。代表产品有HFSTM10、HFSTM12、HFSTM1012。这些产品结合了酯和烯烃的功能，具有可生物降解、抗氧化性强、洗油能力强、闪点高于100 ℃等优点，适合在油田化学品中替代D-柠檬烯和其他溶剂使用。Elevance HFSTM与表面活性剂和助溶剂按一定比例混合可以形成微小、均匀的微乳液体系，平均粒径约为120 nm，聚合物分散直属(PI)约为0.12。通过对比3个分别含有HFS微乳液、D-柠檬烯微乳液，以及无添加的微乳液基压裂液样品发现：与D-柠檬烯相比，HFS微乳液提升流速更为显著，稳定性好，在石英砂里的吸附更少。HFSTM10和HFSTM12将支撑剂渗透率分别提高了47%和60%。

尼桑化学公司研发的二氧化硅纳米颗粒胶体分散体系(Nano Actic HRT，10% 二氧化硅(<12 nm)+5%乙二醇+大豆萃取溶剂+表面活性剂)，既可用于压裂液的前置液或滑溜水中，又可应用于井筒或地面设施的修复作业。作为压裂液添加剂时，使用浓度为0.2%～1%，可在各种pH值和176 ℃下使用。其作用机理是通过胶体分散体系内纳米级颗粒的布朗运动进入基质的微小孔隙，增大接触面积，提高作用效率，将碳氢化合物分解为更小的液滴，并抑制压裂液的乳化，清除残余的压裂液凝胶，改善油藏连通性，实现快速增产。2017—2018年在美国巴肯(Bakken)油田威利斯顿盆地(Williston Basin)的13口井进行了试验，7口井采用Nano Actic HRT进行压裂处理，6口井不使用。90 d后Nano Actic HRT处理井平均每口井可增加13 000桶原油产量，投资收益比高达173%。美国沃尔夫组(Wolfcamp)油田的78口井进行压裂试验，13口井采用Nano Actic HRT进行处理，65口井不使用。90 d后Nano Actic HRT处理井平均每口井可增加4 700桶原油产量，投资收益比高达186%。180 d后Nano Actic HRT处理井平均每口井可增加16 000桶原油产量。

哈里伯顿石油公司研发的GasPerm 1000sm是一种针对页岩气、煤层气、致密气等，降低水相圈闭的特殊微乳液表面活性剂。GasPerm 1000sm可降低表面张力至20 mN/m，改变接触角至90°，应用温度达到165 ℃，与酸和压裂液互溶，替代甲醛解除水锁，提高气体在多相流中的相对渗透率和流动性，提高液体返排率。在美国德州棉花谷(Cotton Valley)致密气藏进行现场试验。采用GasPerm 1000sm处理的井口生产压力是不使用表面活性剂的14倍，单井产量是不使用表面活性剂的1.7倍。

斯伦贝谢石油公司研发的微乳液型绿色返排助剂(5%～25%水溶性酯+5%～25%油溶性酯+5%～25% 非离子表面活性剂+5%～25% 两性/阴离子表面活性剂)，也可降低裂缝性油藏的水性圈闭。

1.2 国内研究状况

国内开展微乳液应用于储层改造的相关研究起始于2010年。罗明良等[8]以绿色表面活性剂脂肪酸甲酯磺酸钠(MES)和生物柴油(BD-1)为主要原料，制备了一种环保型MES中相微乳液，同时以MES中相微乳液为基本组分，制备了一种适用于低渗透油气藏增产改造的微乳液型压裂助排剂。室内评价表明，MES中相微乳助排率为87.07%，比氟碳型助排剂CF-1提高16%，并且储层渗透率恢复率可提高2倍左右，在改善压裂助排效果方面具有良好的应用前景。

该课题组还以表面活性剂十二烷基硫酸钠和白油为主要原料，制备了一种适用于低渗透油气藏增产改造的环境友好型纳米乳液压裂助排剂SFC[9-10]。发现不加助排剂、加SFC助排剂的压裂液对填砂管的水锁伤害率分别为 56.06%、19.17%。 SFC在浓度为0.5%时的助排率为78.6%，比氟碳型助排剂CF-1提高3%～5%，并具有良好的耐温性和配伍性，对环境污染小。

卢拥军等[11]从分析页岩气改造对压裂液需求出发，结合分子功能设计，合成了F3AO速溶乳液减阻剂和SF-6微乳助排剂，优化了滑溜水压裂液配方体系。该滑溜水压裂液体系在西南地区某页岩气探井上进行了现场试验。该滑溜水压裂液配制快速简便、速溶，没有“鱼眼”。在16 m3/min排量下，与清水比较，其降阻率达到81%，压裂改造后证实了页岩的可压性，获得了页岩气储层改造后的工业气流。

陈鹏飞等[12]制备了适合页岩气藏体积压裂的微乳增能助排剂CT5-13。CT5-13在降低表面张力、改变接触角、优化地层润湿性的同时，改变了压裂液在页岩地层中的气液驱替特性，使工作液均匀连续排出，有效提高岩心的渗透率。以此配置的压裂滑溜水配方在四川W区块和C区块共计压裂施工4井次，压后平均返排率46.19%，C区块共计压裂施工4井次，压后平均返排率27.93%，累计增加测试产量为6.24×104～11.35×104m3/d，施工取得了较好的效果。

赵秋实等[13]针对压裂材料如何进入纳米级孔喉这一问题，开发了专为非常规油气定制的纳米微乳助排剂。胶束外部为非离子表面活性剂，内部为有机溶剂。胶束外端为亲水结构，胶束直径10～30 nm，平均20 nm，可进入纳微米孔隙。以此复配的滑溜水CST吸收时间比小，利于压后快速返排，复配滑溜水防膨率高，满足低伤害改造需求，复配滑溜水表面张力比气井滑溜水的降低40%以上，利于致密气井助排。

周福建等[14]开发了一套适用于致密油储集层的纳米乳液体系LNF。LNF中均匀分散的胶束分子具有约10 nm的粒径，能够伴随压裂液进入储集层，实现岩石的润湿反转。同时保持一定的油水相界面张力，可利用致密储集层强大的毛细管力效应渗吸置换原油。使用LNF作为压裂液添加剂是实现补充储集层能量、高效利用“万方压裂液”并最大化产能的最可行办法之一。

2 纳米流体增渗驱油体系

丁彬等[15]针对致密油开发“水注不进去，油采不出来”的关键技术难题，以二苯醚类水溶性(双子)表面活性剂为水相外壳，C10～C14直链烃类原油解缔合剂为油相内核，利用微乳液制备技术研制出纳米流体增渗驱油体系，见图1(a)。该体系具有5大特征：1)“小尺寸液”特征；体系平均粒径小于30 nm，可大幅降低注水启动压力梯度，有效进入并扩大微纳米孔喉基质波及体积。2)“小尺寸油”特征；体系在流动条件下将原油打散成“小尺寸油”，大幅提高原油在微纳米孔喉基质中的渗流能力与驱替效率(图1(b))。3)双相润湿特征；体系与亲水、亲油界面接触角分别为(46±1)°和(68±1)°，可在储集层复杂润湿条件下有效发挥毛细作用。4)高表界面活性特征；体系与新疆某致密油界面张力为0.001～0.010 mN/m，可有效提高微纳米孔喉基质洗油效率；5)破乳降黏特征。体系对反相乳化的新疆某致密油破乳降黏率大于80%，可提高原油在储集层和井筒中的流动性。该体系与滑溜水配伍性良好，可在压裂液前置液中加入，亦可压裂全程加。目前已在新疆吉木萨尔开展2口水平井辅助压裂的现场试验，焖井45 d后开井，生产120 d后，簇采液和采油指数较对比井分别平均提高了16.5%和49.3%，增油效果显著。