纳米乳液在海上低渗透采油平台的应用研究

2022-07-13杜孟云于祥春孙繁荣

石油和化工设备 2022年4期

杜孟云，于祥春，孙繁荣

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

低渗透油藏根据渗透率不同可分为[1]：低渗透油藏(10×10-3～50×10-3μm2)；特低渗透油藏(1×10-3～10×10-3μm2)；超低渗油藏(0.1×10-3～1×10-3μm2)。随着海上油气田开发力度的加大，越来越多的低渗油藏被发现，未开发储量中低渗、特低渗储量所占比例越来越高。虽然受环境条件和开采成本的制约较大，使海上低渗透油藏的开发较陆上开发更加困难[2]。但在保障国家能源安全和中海油增储上产的目标下，充分开发海上低渗、特低渗油藏的意义重大。因此，这些油藏需要更高效的技术，以经济有效地解决开采过程中的困难和风险。

低渗、特低渗油藏一般岩石物性差、孔喉细小，因而会导致注水压力高、含水上升较快、采收率低的问题。陆上低渗油藏开发经验较多，常用的提高采收率技术有：井网加密、酸化压裂、气驱、化学驱等[3]。相对于陆上油田，海上油田的注采井网并不是很完善，且注采井距相对较大，受诸多因素限制，导致完善井网所需的费用投入较大[4]。常规酸化压裂施工时通常有施工压力高、注入排量低，导致酸化后增液效果差等问题[5]。化学驱是通过在注入水中加入聚合物、表面活性剂、碱等化学剂，改变驱替流体及油藏流体间的相互作用，达到提高采收率的目的。

活性水体系能有效降低界面张力、提高采收率，但低渗、特低渗油藏岩石孔喉细小，对注入液体粒径要求高。纳米乳液外观呈透明、半透明状态，液滴粒径在50-500 nm范围内，能够进入微小孔隙中[6]。因此，本文拟将活性水体系与纳米乳液体系原理相结合，得到具有纳米尺寸及活性水特性的纳米乳液体系[7]。使该体系粒径能够达到进入低渗、特低渗油藏的微小岩石孔隙中的标准，解决注入压力高的问题，同时利用乳液胶束增溶和有机溶剂增溶的作用提高驱油效率。

1 储层分析

海上H油藏X区块储层孔隙度分布范围为6.7～18.2%；渗透率主要分布在1×10-3～8.4×10-3μm2，地层原油粘度在42～280 mPa·s，属于低孔低渗油藏，油藏地下原油粘度差异大，驱替过程中会出现流动阻力增大、排驱压力高的问题。

2 微乳液制备

2.1 有机溶剂

针对该油藏原油粘度差异大的问题，选用工业级D-柠檬烯作为有机溶剂。柠檬烯是一种天然有机溶剂，能增强体系对原油重质烃组分的溶解能力，降低驱替阻力，且对地层环境伤害较小[8]。本文以D-柠檬烯为有机溶剂，与表面活性剂/水复配制备微乳液，并根据微乳液稀释法制备纳米乳液。

2.2 表面活性剂

亲水亲油平衡(HLB)法确定有机溶剂D-柠檬烯乳化所需的HLB值为12.5。根据该HLB值将阴离子表面活性剂SDS和5种非离子表面活性剂复配，在恒温条件下，将各表面活性剂体系分别乳化D-柠檬烯/水/醇混合物，根据乳化效果绘制三相图[9](图1)，筛选表面活性剂复配体系如表1所示。

图1 不同表面活性剂复配体系的微乳液拟三相图

表1 表面活性剂复配体系

计算五种体系的微乳区面积，判断出SDS+JFC为表面活性剂时乳化效果最好。因此确定SDS/JFC按1：1.2复配体系为乳化剂。

2.3 醇的种类与比例

将SDS/JFC复配体系分别与正丁醇、异丁醇、异丙醇、正戊醇=1：1混合，乳化D-柠檬烯/水混合物。根据2.2的方法绘制三相图(图2-a)，根据四种体系的微乳区域面积，确定正戊醇为微乳液体系的最佳助表面活性剂。同样根据微乳液三相图(图2-b)确定正戊醇与表面活性剂用量之比(Km值)为1：1。

图2 不同醇作为助剂微乳液拟三相图

综上所述，微乳液体系选用表面活性剂与醇（SDS：JFC：正戊醇=1：1.2：2.2）复配作为乳化剂，蒸馏水为水相，D-柠檬烯为有机溶剂，油水比为1：4。混合后自发形成均一透明的微乳液。

3 纳米乳液制备及性能评价

3.1 纳米乳液的制备

将上节制备的微乳液用地层注入水分别以0.02wt%、0.05wt%、0.1wt%、0.2wt%、0.3wt%、0.5wt%和1wt%的比例稀释得到纳米乳液。

图3 微乳液稀释法得到的纳米乳液

3.2 纳米乳液粒径分析

采用冷冻断裂复型制样技术，在JEM-2000EX电镜下观察所制备纳米乳液体系的微观结构并分析其粒径范围，由图4可以看出纳米乳液粒径基本分别在110 nm以内，属于纳米级范围。

图4 纳米乳液粒径分析

3.3 纳米乳液驱油性能评价

对微乳液质量分数分别为0.02wt%、0.05wt%、0.1wt%、0.2wt%、0.3wt%、0.5wt%和1wt%的纳米乳液进行驱油性能评价，分别对应1-7号岩心以0.1mL/min的速度，先后进行水驱、纳米乳液驱、后续水驱，至驱替压力稳定。物理模拟驱替实验岩心参数如表2所示，各驱替阶段的压力、产液量图5所示。

表2 纳米乳液模拟驱替实验岩心参数

图5 纳米乳液物理模拟驱替实验结果

根据图5可以看出，注入纳米乳液后采收率均有明显提升，降压性能也比较明显。对比7组纳米乳液的增油率和降压率，发现微乳液质量分数在0.1wt%以下时，增油率较低；当微乳液质量分数高于0.3wt%时，增油率能达到25%以上且降压率能达到20%。说明当微乳液质量分数在0.3wt%以上时，纳米乳液的降压增油效果达到比较理想的状态。衡量实际应用中的经济成本与效益，本文选择将微乳液以0.3%的比例稀释得到最终的纳米乳液体系。

4 驱油机理分析

（1）纳米级尺寸的乳液易进入微小孔缝

纳米乳液胶束粒径在100nm左右，远小于低渗油藏岩心孔隙半径，能够顺利通过低渗、特低渗储层的细小孔喉和裂缝。解决了常规表面活性剂溶液进入微小孔隙难的问题。

（2）纳米乳液胶束有效溶解重质烃组分

纳米乳液制备过程中选用有机溶剂D-柠檬烯作为胶束内核。柠檬烯在结构和溶解能力上类似于芳香族溶剂，和二甲苯相仿，能够溶解重油、蜡、沥青质、角质等重质烃，是石油沉淀物的优质溶剂。在驱替过程中有助于高效地乳化重质烃组分，降低驱动压力，提高采油率。

（3）表面活性剂降低界面张力

纳米乳液中的表面活性剂组分能有效降低油水界面张力，可大大降低将油滴从岩石表面脱离所克服的黏附功，有效地增强洗油能力。

5 海上平台化学药剂注入系统设计

海上采油平台空间有限、载重小、面积小，陆地常用的大体积大面积药剂注入装置无法使用，因此通常采用模块化、橇装化形式，便于根据现场条件进行布置和安装。

本纳米乳液体系的母液-微乳液，具有较好的热力学稳定性和动力学稳定性，在长期放置过程中不会发生上浮、聚结、沉降、絮凝等不稳定现象，有利于实际应用中进行长久储存及运输。因此，在进行海上油田的驱替作业时，可先由陆地实验室制备微乳液，后运送至储罐储存。在海上采油平台将母液与生产水系统以既定比例稀释，得到纳米乳液体系，以兼顾实际应用的便利性与经济可行性。

海上化学药剂注入系统装置有固定式和移动式两种，本文根据现场实际应用情况，将本纳米乳液注入系统设计为固定式装置。如图6化学药剂注入系统简图所示，该系统主要包括药剂储罐、搅拌机、电加热器、高压注入泵、控制系统及其他附属设备管道等。本纳米乳液药剂注入系统控制在控制中心实现，包括液位、压力、温度、流量、搅拌时间、注入时间等参数的PID控制。纳米乳液药剂储罐储存能力需要充分考虑平台供应船的运送时间表，通常为一个星期，即可在7天内连续注入。