致密气藏中纳米流体迁移能力及宏观排水采气机理

秦国伟 孙赛赛 薛云龙 张蓓蕾 许洪星 郑俨钊 秦文龙 白艳明 代 旭

（1.西安石油大学石油工程学院，陕西 西安 710065；2.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院，陕西 西安 710018；3.中国石油川庆钻探工程有限公司长庆井下技术作业公司，陕西 西安 710000；4.中国石化江汉油田分公司，湖北 潜江433124；5.中国石油大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江 大庆 163712）

0 引 言

在“碳达峰、碳中和”政策下，天然气将成为中国现代清洁能源体系的主体能源之一。中国低渗/致密气藏中的天然气资源丰富，但致密气藏具有低孔、低渗、小孔喉、气/水关系复杂等特点，一般情况下无自然产能或产能较低，需经压裂后方能投产［1-4］。在开采过程中气井易大量产水，导致产量迅速下降，特别严重情况下，可使气井因无经济开采价值而被迫提前关井停产［5-9］。

针对气井出水的问题，目前主要采用排水采气和气井控水处理2 种方法［8-13］。排水采气通过排除“气井积液”来恢复正常生产，难以排除储层“深部水”，影响其有效期。气井控水主要采用高黏度、高强度的堵水体系封堵储层中的水，但控水剂难以满足致密等气藏的控水需求。纳米流体因具有能耗小、无污染、黏度低、粒径小等优势受到广泛关注和应用［14-28］。因此，将纳米流体用于致密气藏实现排水采气的目的具有积极的意义。

纳米流体具有改变岩石孔隙结构及其表面润湿性的特性，在石油领域中有着较为广泛地应用［14-28］，但目前针对纳米流体的排水采气技术研究较少。因此，本文以致密岩样和自制纳米流体为研究对象，通过研究纳米流体在多孔介质中的迁移能力，评价了纳米流体“深部排水”的功能，利用动静实验相结合技术，探讨了纳米流体的排水采气的机理；形成系统评价纳米流体在排水采气方面的研究方法，为纳米流体在致密气藏开发中的应用提供依据。

1 实验部分

1.1 实验用品与仪器

主要实验用品：（1）改性硅油纳米流体，自制，主要成分为改性硅油、蒸馏水、乳化剂、低分子醇类以及电解质，其质量比为11.19∶78.30∶6.82∶3.02∶0.67，无色，无味，粒径中值为5.37 nm，ζ 电位为47.93 mV；（2）标准盐水，即w（NaCl）∶w（CaCl2）∶w（MgCl2·6H2O）为7.0∶0.6∶0.4；（3）氮气；（4）某油田气井的天然岩心，参数见表1。

表1 纳米流体实验岩心基本参数Table 1 Basic parameters of nanofluid experimental cores

主要实验仪器：UV2600i 紫外分光光度计，北京京科瑞达科技有限公司；BSA423S 型电子天平，赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；JY92-IIN 超声波细胞粉碎机，宁波新芝生物科技股份有限公司；DZF 型真空干燥箱，北京科伟永兴仪器有限公司；ISCO 高压高精度柱塞泵，环球（香港）科技有限公司；HKY 多功能岩心驱替实验装置，海安县石油科研仪器有限公司。

1.2 纳米流体浓度标准曲线测定

按实验要求用标准盐水配制不同质量分数的纳米流体，在频率为40 kHz 下使用超声波细胞粉碎机超声30～60 min，保证纳米流体分散性良好，最后以标准盐水作为溶剂基液，按紫外可见分光光度法在波长为190～1 000 nm 进行扫描，确定纳米流体的最佳波长，建立最佳波长下纳米流体质量分数与吸光度间的线性关系。

1.3 多孔介质中迁移实验

纳米流体在多孔介质中迁移能力评价主要利用物理模拟实验，流程如图1所示。

图1 纳米流体动态驱替装置Fig.1 Equipment of nanofluid dynamic displacement

具体实验步骤：

（1）饱和标准盐水。将准备好的实验岩样烘干测量基本参数，并对其真空下饱和标准盐水。

（2）纳米流体驱替。按实验要求，同条件下对饱和好的岩样进行纳米流体驱替，并每隔一定时间收集出口端纳米流体溶液。

（3）测量并计算纳米流体浓度。利用分光光度计测量出口端收集的纳米流体吸光度，至吸光度变化幅度很小为止，结合纳米流体的标准曲线，计算出口端纳米流体浓度。

（4）绘制浓度比与注入量曲线。纳米流体起始浓度计为c0，出口端浓度计为cf，绘制相对浓度cf/c0与注入孔隙体积倍数的关系曲线。

重复实验步骤（1）—（4）直至实验结束。

1.4 宏观机理实验探讨

纳米流体具有排水采气效果，宏观上主要改变气/水相渗曲线形态以及阻止排出的地层水再次渗吸至储层中，因此可采用岩心动态两相渗流实验和静态单相渗吸实验相结合技术综合探讨纳米流体的排水采气宏观机理。

动态两相渗流实验依据中华人民共和国国家标准GB/T 28912—2012《岩石中两相流体相对渗透率测定方法》［29］，利用非稳态法测定纳米流体作用前后岩样气/水两相渗流曲线，并对其进行相关分析。

岩心静态单相渗吸实验步骤：

（1）测量岩心基本参数。将准备好的实验岩样烘干，并测量其基本参数。

（2）标准盐水渗吸。将烘干后的岩样浸泡于标准盐水中使其发生自发渗吸现象，并每间隔一定时间称量岩样质量，至岩样质量不再变化为止。

（3）饱和纳米流体。将步骤（2）中岩样，重复步骤（1）后，按实验要求真空下饱和纳米流体。

（4）标准盐水再次渗吸。将步骤（3）中饱和纳米流体的岩样置于60 ℃真空干燥箱内烘干至质量不再变化为止，并计算纳米流体在多孔介质中的残留量。

重复实验步骤（2）—（4）至实验结束。

2 结果与讨论

2.1 标准曲线的建立

使用分光光度计，将纳米流体在波长为190～1 000 nm 进行扫描，确定最佳波长。

纳米流体最佳波长与质量分数有关，即纳米流体质量分数小于等于2.0% 时最佳波长为227.8 nm，质量分数大于2.0% 时最佳波长为235.2 nm。统计不同波长下各质量分数的吸光度，并建立质量分数与吸光度间的关系（图2），为研究纳米流体在多孔介质中迁移所需浓度计算提供依据。

图2 纳米流体质量分数与吸光度间的线性关系Fig.2 Linear relation between nanofluid mass fraction and absorbance

图2表明纳米流体质量分数在小于等于2.0%时线性关系（R2=0.999 9）好于质量分数大于2.0%时（R2=0.001 9），因此选用质量分数小于等于2.0%的线性关系作为纳米流体的标准曲线，后期测试中如纳米流体质量分数大于2.0%时，应利用标准盐水对其稀释，并进行相应的计算。

2.2 多孔介质中的迁移能力

不同质量分数的纳米流体在相近渗透率岩心中的流出曲线如图3所示。

由图3可知多孔介质中的相对浓度cf/c0均已达到0.9 以上，表明纳米流体在多孔介质中的迁移能力较强。当渗透率相近的情况下，随纳米流质量分数增大，其经过多孔介质后出现的平台浓度迁移距离增大；当纳米流体质量分数相同情况下，随着渗透率的增大而降低，但其变化幅度有所减小（图4）。当纳米流体质量分数分别为6.25%、25.00%、100.00%时，致密岩心（渗透率K＜0.1×10-3μm2）出现平台注入量分别在2.35、2.87、3.36 PV 处，而特低渗岩心（1×10-3μm2＞渗透率K≥0.1×10-3μm2）出现平台注入量分别在2.18、2.76、3.21 PV 处，研究结果与资料［22］中的动态滞留量一致，分析原因认为纳米流体在多孔介质的动态滞留量与岩心渗透率相关，宏观表现为多孔介质出口端的相对浓度不同，从而影响到出现平台浓度所需的注入量不同。

图3 不同渗透率下纳米流体相对浓度与注入孔隙体积倍数关系Fig.3 Relations between nanofluid relative concentration and PV under different permeabilities

图4 纳米流体质量分数与出现平台浓度对应注入量关系Fig.4 Relations between nanofluid mass fraction and injected PV corresponding to platform concentration

据资料［30-32］可知，当99.9%的纳米流体滞留在多孔介质中时，此时cf/c0=0.001 对应纳米流体所迁移的最远距离，计算公式为

式中：Lmax——纳米流体迁移的最远距离，cm；vp——纳米流体迁移的平均速度，cm/h；k——纳米流体的沉积系数，与时间和距离相关，h-1。

根据实验测试数据，利用式（1），确定纳米流体在不同条件下的最远距离（图5）。由图5可知，纳米流体在不同条件下的最远迁移距离均大于300 cm，表明纳米流体的迁移力较强，可运移至多孔介质的深处。与泡沫排水技术相比，纳米流体具有“深部排水采气”特点，增强排水效果。最远迁移距离随纳米流质量分数或多孔介质渗透率的增大均出现增大现象，但增加幅度变缓，主要因为纳米流体质量分数增大时，在多孔介质中的动态滞留量相对低；另外，多孔介质的渗透率增大其渗流阻力较小。

图5 纳米流体质量分数与最远迁移距离关系Fig.5 Relations between nanofluid mass fraction and maximum transport distance

2.3 纳米流体排水采气宏观机理

2.3.1 岩心静态单相渗吸实验

岩心自渗吸后质量的变化程度宏观上表现为储层中排出的水再次渗吸至储层中的能力，实际可反映纳米流体排水后的有效期，实验结果见图6。

图6 岩心经纳米流体处理前/后吸水能力对比Fig.6 Comparison of core imbibition before and after nanofluid treatment

由图6（a）—（c）可知，不同质量分数的纳米流体处理后的岩心质量增加程度明显下降，表明岩心中水量减少，即纳米流体可防止储层中排出的水再次渗吸至储层，提高了纳米流体的有效排水期。岩心质量变化幅度随质量分数增大而增大，纳米流体质量分数为6.25%和100%时，其降低幅度分别为26.38%（岩心质量由0.614 g 下降到0.452 g）和70.61%（岩心质量由1.388 g 下降到0.408 g），防止储层中排出的水再次渗吸至储层的效果显著，延长排水采气有效期；但与岩心单位有效孔隙体积内的纳米流体的残留量有密切关系（图6（d）），其变化程度随着纳米流体残留量的增加而明显降低，主要因为纳米流体吸附于岩石表面形成1 层疏水膜，毛管力成为水相渗吸阻力，因此岩心吸水量下降，纳米流体浓度越高，形成的疏水膜更加均匀致密，其效果更明显。

2.3.2 岩心动态两相渗流

根据纳米流体作用前后岩心气/水两相渗流曲线形态，宏观上探讨纳米流体的排水采气机理，实验结果见图7。用相对渗透率曲线与横轴的面积（S）表示纳米流体在整个驱替过程中对气/水渗流能力的影响程度，其中，Sw为水相，Sg为气相（表2）。

表2 纳米流体处理前后相渗曲线面积变化Table 2 Area changes of relative permeability curves before and after nanofluid treatment

图7 岩心纳米流体作用前后相对渗透率曲线Fig.7 Relative permeability curves before and after nanofluid treatment

由图7可知，纳米流体可以改变气/水两相的等渗点，质量分数为6.25%和25.0%的纳米流体降低气/水两相的等渗点1.83%（由56.49%降低至54.66%）和3.87% （由58.65% 降低至54.78%），表明岩心的润湿性发生变化，具有更加疏水性；同时岩心中的束缚水饱和度有所下降，分别降低了8.84% （由38.35% 降低至29.51%）和4.74%（由51.75%降低至47.01%），增加了岩心中的自由水；另外，水相相对渗透率大幅度增加，气相相对渗透率小幅度降低。由表2可知，在驱替过程中，经质量分数为6.26%和25%的纳米流体作用后，水相相对渗透率增加且增幅较大，整个驱替过程其影响程度分别提高63.79%（由0.058 增至0.095）和100%（由0.009 增至0.018）；而气相渗透率降低且降幅较小，分别降低了9.80% （由0.245 降低至0.221）和13.04%（由0.023 降低至0.020）。岩心动态两相渗流实验结果表明纳米流体作用后水相阻力降低，且自由水增加，更容易从储层排出，对气相阻力影响较小。分析原因认为纳米流体通过静电、氢键等作用方式吸附于岩石表面，改变储层孔隙结构和岩石表面润湿性，降低水相的渗流阻力，储层中自由水增多，使多孔介质中更多的水快速排出实现排水目的；同时纳米流体降低了气/水间表面张力，导致水相排出过程中，有少量的水相扩散至小孔隙内，导致气相渗透率有所下降。总之，纳米流体打破储层中原来的平衡状态，重新解放了部分气流通道，从而提高了气井产量。

2.4 纳米流体排水采气微观机理

在天然气开采过程中，由于亲水岩石的毛管力作用下，储层中的水体沿高渗带窜流至气藏孔隙内，在多孔介质中发生“水锁效应”，导致多孔介质中气体未能及时有效排出，从而形成死气区，占岩石总孔隙体积的30%以上，降低气藏的总体采收率（图8（a））。纳米流体在多孔介质中的强迁移能力，可实现“深部排水采气”目的；同时由于纳米流体与岩石之间产生一定分离压，使岩石表面的束缚水分离，变为自由水，更易流动（图8（b））；纳米流体吸附于岩石表面并形成一层致密疏水薄膜，导致岩石表面的微观结构和润湿性发生了改变（图8（c）），降低水相排出阻力，可提高气藏的排水效果；另外，润湿性的反转使毛管力成为水相渗吸阻力，延长了排水采气的有效期和提高气藏采收率。

图8 纳米流体排水采气机理示意Fig.8 Schematic diagram of nanofluid drainage gas recovery mechanism

3 结 论

（1）纳米流体在致密储层中的迁移力强，其最远迁移距离均大于300 cm，且随着质量分数和渗透率的增大，迁移距离均增加，较常规排水采气技术可实现储层中的“深部排水采气”目的，增强排水效果。

（2）纳米流体作用后的岩心渗吸水量明显减少，质量分数为6.25%和100%的纳米流体可分别降低26.38%（由0.614 g 下降至0.452 g）和70.61%（由1.388 g 下降至0.408 g）的水量，防止储层中排出的水再次渗吸至储层，提高了纳米流体的有效排水期。

（3）纳米流体降低气/水两相等渗点1.83%（由56.49%降低至54.66%）和3.87%（由58.65%降低至54.78%）、降低了8.84% （由38.35%降低至29.51%）和4.47% （由51.75%降低至47.01%）的束缚水饱和度、增加了63.79%（由0.058 增至0.095）和100%（由0.009 增至0.018）的水相渗透率、降低9.80% （由0.245 降低至0.221）和13.04%（由0.023 降低至0.020）气相相对渗透率。

（4）纳米流体吸附于岩石表面并形成1 层致密疏水薄膜，导致岩石表面的微观结构和润湿性发生了改变，可提高气藏排水效果，延长了排水采气的有效期。