在致密油藏中纳米乳液静态吸附及渗吸驱油性能实验研究

汪杰，罗旭，曾建国，江厚顺，贺东洋

1.非常规油气省部共建协同创新中心(长江大学)，湖北 武汉 430100 2.长江大学石油工程学院，湖北 武汉 430100 3.油气钻采工程湖北省重点实验室(长江大学)，湖北 武汉 430100 4.中国石油集团海洋工程有限公司，北京 100028 5.中国石油集团测井有限公司制造公司，陕西 西安 710005

随着能源需求的日益加剧，常规油气资源无法满足科技发展的需求，非常规油气资源的大规模开发逐渐弥补能源需求短缺的问题[1-2]，致密油藏作为非常规油气藏主要资源来源，其开发受到高度重视[3-4]。致密储层主要特征表现在孔喉细小、渗透率低、毛细管力作用显著等，其中毛细管力是静态渗吸主要驱动力。因此，如何降低微纳米孔喉中油气渗流阻力、同时在开发过程中有效补充储层能量是致密油藏实现长期高效开采的关键所在[5-9]。

近年来，利用毛细管力渗吸作用提高低渗透油藏采收率已成为国内外研究热点之一[10-12]。其作用原理主要是通过在注入水或压裂液中添加纳米乳液，将油相润湿的储层改性为水相润湿，水湿表面的致密储层中，借助储层微纳米孔喉自发渗吸毛细管力作用，注入水或压裂液中的水相可通过渗吸的方式自发进入致密储层基质置换原油，从而提高油井产量。众多学者对于油藏中的渗吸现象开展了大量理论和实验研究，主要包括：①不同类型纳米乳液与储层岩石、流体相互作用机理，包括纳米乳液降低原油表界面张力，提高注入水的注入能力，增加原油的乳化性能，改善岩石表面的润湿性等；②纳米乳液渗吸驱油的效果评价，包括宏观上提高注入水渗吸驱油效果，以及微观上改善致密孔喉中大小孔的油水分布等；③纳米乳液渗吸作用效果的影响因素等3个方面，包括矿化度、温度、渗透率、纳米乳液中表面活性剂种类、原油组成和岩性等因素对纳米乳液渗吸驱油效果的影响，这些研究为人们认识纳米乳液渗吸驱油效果的作用机理提供了有力的支撑[12-15]。研究表明，纳米乳液在储层岩石表面的吸附性能是影响其润湿改性效果的关键因素，但相关研究并未见诸多报道。此外，为了确保纳米乳液在致密油藏中具有较好的渗吸驱油效果，需要明确影响其作用效果的主要因素。通过紫外分光光度计，研究不同粒径的天然砂岩与页岩岩粉对纳米乳液的静态吸附性能；并通过渗吸驱油实验研究各种因素影响下纳米乳液渗吸驱油规律，最终确定影响纳米乳液渗吸驱油效果的主要因素，为提高致密油藏开采效果提供一定的理论依据。

1 实验设计

1.1 实验材料

天然致密砂岩、页岩的岩粉与岩心，其中不同目数的岩粉获取方法如下：将洗油干燥后的砂岩、页岩分别粉碎成粉末，用振动筛分选出40～80、80～100、100～200目的岩粉以备用。物性特征如表1所示。实验流体的配制，用20 000 mg/L NaCl、KCl与去离子水溶液配制成模拟地层水。纳米乳液试剂类型，包括纳米乳液A(阴离子纳米乳液-乙氧基化烷基硫酸钠)、B(阳离子纳米乳液-十二烷基二甲基叔胺)、C(阴非离子纳米乳液-聚氧乙烯醚和烯烃磺酸钠的混合物)，分别用模拟地层水配制质量浓度为1 000、2 000、3 000、5 000、8 000、10 000 mg/L的纳米乳液溶液。

表1 岩心物性特征

1.2 实验仪器

紫外分光光度计，精密电子天平，离心机，真空饱和装置，恒压恒速泵，管线，渗吸瓶，气体渗透率测量仪，气体孔隙度测量仪，岩心夹持器，手摇环压泵，中间容器及玻璃仪器等。

1.3 静态吸附实验设计

纳米乳液水溶液在致密储层孔喉中运移时，其主要成分在储层岩石表面产生吸附并改变其润湿性，但同时降低了溶液中纳米乳液的有效成分，影响纳米乳液的深部作用效果[16]。因此，纳米乳液在储层岩石表面的吸附性能，对其作用效果直观重要。纳米乳液在岩粉表面的静态吸附实验包括标准曲线测试和纳米乳液在不同目数和种类的岩粉表面吸附量测试。

纳米乳液分光光度值标准曲线的测定：用紫外分光光度计测量质量浓度为1 000、2 000、3 000、5 000、8 000、10 000 mg/L的纳米乳液水溶液的吸光度，建立纳米乳液分光光度值标准曲线。

纳米乳液在岩石表面的静态吸附性能测试：以砂岩为例，将不同目数的砂岩岩粉充分干燥，40～80、80～100、100～200目的岩粉各取1.0 g装入不同西林瓶内，按照固液比1∶20取一定量5 000 mg/L的纳米乳液溶液倒入装有岩粉的西林瓶内，振荡待其充分反应，用离心机分离固液，分别在0.5、2、6、12、24、36、48、72 h时，取上层清液测量吸光度，将所测量的分光光度值对照标准曲线，计算吸附一定时间后的溶液中纳米乳液的浓度，并带入公式(1)计算单位质量的砂岩表面纳米乳液的静态吸附量[16]。同样步骤计算页岩表面纳米乳液的吸附量。

(1)

式中：ε为静态吸附量，mg/g；V为纳米乳液体系总体积，L；ρ1为纳米乳液体系初始质量浓度，mg/L；ρ2为纳米乳液体系吸附平衡质量浓度，mg/L；m为岩粉质量，g。

1.3 自发渗吸及岩心驱替实验设计

渗吸驱油实验：渗吸实验为体积法，可以直观地看到渗吸驱油过程及驱油量。以砂岩为例，选择物性参数相近的砂岩岩心进行渗吸实验。将充分干燥的砂岩岩心放入真空饱和装置中饱和原油，记录饱和原油体积，再将岩心放入渗吸瓶中，通过恒压恒速泵把溶液注入渗吸瓶中，记录渗吸驱油量绘制渗吸曲线。通过正交实验改变温度、岩心长度、纳米乳液的浓度、纳米乳液种类等研究影响纳米乳液渗吸驱油的主控因素。页岩渗吸实验方法与砂岩一致。

岩心驱替实验：选择孔渗相近的砂岩岩心进行驱替实验。将砂岩岩心放入真空饱和装置中饱和原油，并记录饱和原油体积，将饱和后的砂岩岩心放入岩心夹持器内，施加2 MPa的环压，使用配制的模拟地层水进行驱替实验，记录出口端出油量；等出口端不再出油时仍持续驱替一段时间，然后换纳米乳液溶液驱替，记录端口出油量绘制成曲线。

2 结果与分析

2.1 纳米乳液在岩粉表面静态吸附性能的影响因素

如图1所示，分别测定了3种类型的纳米乳液在不同质量浓度下的标准吸光度。在进行不同质量浓度的纳米乳液岩粉浸泡实验时，通过与对应种类的纳米乳液标准曲线进行比对，计算纳米乳液在岩粉表面的静态吸附量，用于判断纳米乳液的吸附性能。

图1 纳米乳液标准吸光度曲线Fig.1 Standard absorbance curve of nano emulsion

2.1.1 岩粉目数及类型

岩粉目数的大小对其比表面影响较大，岩粉目数越大，对应的比表面越大，对纳米乳液的吸附量越多。此外，岩粉目数越大，单位质量含有的岩粉数量越多，同样会增加对纳米乳液的吸附量。如图2(a)和图2(b)所示，100～200目的砂岩岩粉对纳米乳液A的吸附量为21.5 mg/g；80～100目的砂岩岩粉对纳米乳液A的吸附量为12.68 mg/g；40～80目的砂岩岩粉对纳米乳液A的吸附量为5.8 mg/g。100～200目的岩粉对纳米乳液A的吸附量最多，几乎是40～80目岩粉的3～4倍左右。说明岩粉目数越大，岩粉比表面越大，与纳米乳液接触面积越大，吸附量越高。目前致密油藏主要包括页岩和砂岩两种类型，为了确定纳米乳液在两种类型的致密油藏中的吸附性能，对比了图2(a)和图2(b)中5 000 mg/L的纳米乳液A对砂岩和页岩的吸附量实验结果可知，相同浸泡时间和目数时，纳米乳液在致密砂岩岩粉的表面吸附量低于页岩岩粉，说明页岩对纳米乳液的吸附强度高于砂岩。分析认为，这主要是由于页岩中黏土矿物含量及成分比致密砂岩复杂，对纳米乳液的吸附作用更强，这将不利于纳米乳液在页岩储层中的深部运移与吸附作用。

图2 岩粉对纳米乳液A的吸附量 Fig.2 Adsorption capacity of rock powder on nano emulsion A

2.1.2 纳米乳液的类型

为了筛选适用于提高致密油藏采收率的纳米乳液体系，分别测试了纳米乳液A、B、C 3种类型的纳米乳液(5 000 mg/L)对砂岩岩粉和页岩岩粉的吸附性能，对比图2、图3和图4中3种目数两种类型的岩粉吸附实验结果可知(以砂岩为例)，3种目数砂岩岩粉对纳米乳液A的最终吸附量分别为5.8、12.68、21.5 mg/g；对纳米乳液B的最终吸附量分别为16.31、23.58、31.25 mg/g；对纳米乳液C的最终吸附量分别为5.12、10.39、16.11 mg/g。说明岩粉对纳米乳液B的吸附性能高于对纳米乳液A、C的吸附性能。在岩石表面具有较低的吸附性能，是纳米乳液能够进入储层深部仍然含有有效成分并起到润湿改性效果的关键，因此在具有相同改性效果的前提下，优先选用具有低吸附量的纳米乳液A或C作为渗吸驱油溶液的主要添加剂，但最终需要结合渗吸及驱替结果对两种纳米乳液A和C进行优选。

图3 岩粉对纳米乳液B的吸附量 Fig.3 Adsorption capacity of rock powder on nano emulsion B

图4 岩粉对纳米乳液C的吸附量 Fig.4 Adsorption capacity of rock powder on nano emulsion C

2.2 纳米乳液渗吸驱油性能的影响因素分析

2.2.1 纳米乳液类型

选用渗透率和孔隙度较为接近的砂岩岩心进行纳米乳液(5 000 mg/L)自发渗吸驱油实验，结果如图5所示。当采用模拟地层水进行渗吸驱油时，砂岩岩心渗吸采出程度为13.22%；纳米乳液A渗吸驱油时，砂岩岩心渗吸采出程度为23.49%；纳米乳液B渗吸驱油时，砂岩岩心渗吸采出程度为17.47%；纳米乳液C渗吸驱油时，砂岩岩心渗吸采出程度为27.57%。对比结果可知，模拟地层水的渗吸驱油效率最低，而纳米乳液A比B的渗吸驱油率高6.02%，纳米乳液C比B的渗吸驱油率高10.10%。说明加入纳米乳液，能有效提高岩心渗吸驱油的速率及采出程度，且3种纳米乳液中，C的渗吸驱油效果最好。分析认为，纳米乳液的加入，降低了液体间的界面张力，改变了岩石表面的润湿性，将渗吸毛细管阻力转换为毛细管动力，提高了溶液的渗吸驱油效率。

图5 不同化学剂类型的渗吸采出程度(5 000 mg/L)Fig.5 The recovery degree of imbibition of different chemicalagent types (5 000 mg/L)

2.2.2 纳米活性剂质量浓度

图6为纳米乳液随着质量浓度变化时砂岩岩心中的渗吸驱油实验结果。当纳米乳液A的质量浓度为5 000 mg/L时，浸泡初期的纳米乳液渗吸驱油速率最快，最终采出程度最高为23.51%；纳米乳液A的质量浓度为2 000 mg/L时，前期渗吸驱油速率最慢，最终采出程度最低为16.48%。说明纳米乳液质量浓度增加时，溶液的渗吸驱油速度和最终采出程度均在一定程度内增加。这主要是由于溶液中纳米乳液质量浓度增加的过程中，单位质量的溶液中有效含量增加，可加速纳米乳液在岩石表面的吸附及润湿改性效果，以及深部运移时的有效含量高，提高了溶液的渗吸驱油速度及最终采出程度。

图6 不同质量浓度的纳米乳液A渗吸驱油结果Fig.6 Oil recovery efficiency results of nano emulsion A withdifferent mass concentrations

2.2.3 岩心种类

选用纳米乳液A和B配制成质量浓度为5 000 mg/L的溶液，对比2种类型的纳米乳液在致密砂岩和页岩中的渗吸驱油效果，结果如图7所示。页岩1、页岩2、砂岩2和砂岩3的渗透率分别为0.31、0.34、2.07、3.04 mD，对应的渗吸驱油实验结果可知，采用纳米乳液A时，页岩2和砂岩2的渗吸驱油效率分别为6.18%、23.51%；采用纳米乳液B时，页岩1和砂岩3的渗吸驱油效率分别为4.31%、17.47%。根据实验结果可知，纳米乳液对砂岩的渗吸驱油效率远高于页岩岩心，除了岩性对渗吸驱油效率的影响以外，渗透率对渗吸驱油效率的影响同样至关重要。

图7 不同类型岩心的渗吸采出程度(5 000 mg/L)Fig.7 The recovery degree of imbibition extractionfor different core types (5 000 mg/L)

2.2.4 温度

不同温度环境下，纳米乳液的活性不一致，与原油形成乳化的效果也存在明显差异，同样影响渗吸驱油效率。图8为25、50、75 ℃时岩心的渗吸驱油曲线。根据结果可知，当温度为25 ℃时，砂岩2初期渗吸速率最慢，最终的采出程度也最低，为23.51%；温度为50 ℃时，砂岩7最终采出程度为28.02%；渗吸温度为75 ℃时，砂岩8初期渗吸速率最快，最终的采出程度也最高，为31.49%。结果表明，温度范围在25～75 ℃时，渗吸驱油效率随温度增加而提高。温度由25 ℃提升至50 ℃，最终采出程度提高了4.41%；温度由50 ℃提升至75 ℃，最终采出程度提高了3.47%。

图8 不同温度下的渗吸采出程度Fig.8 The recovery degree of imbibition extractionunder different temperatures

2.2.5 岩心长度

纳米乳液在岩石表面吸附的过程中，单位体积的溶液中纳米乳液的有效含量减少，剩余溶液在岩石表面的吸附润湿改性能力会降低。岩心长度是考察纳米乳液是否具有深部作用能力的关键。图9为岩心长度分别为5.45、3.12 cm的两块砂岩岩心渗吸驱油效率曲线图。由图可以看出，砂岩9前期渗吸驱油速率更快，最终采出率为14.68%；砂岩10渗吸驱油速率更低，最终采出程度为13.19%。这主要是短岩心中渗吸阻力相对较小，纳米乳液更容易进入岩心中，且一段时间后，浸泡长岩心的溶液中纳米乳液的有效含量低于短岩心，最终导致短岩心的渗吸驱油速率和采出程度更高。

图9 不同岩心长度的渗吸采出程度Fig.9 The recovery degree of imbibition extractionfor different core lengths

2.2.6 纳米乳液渗吸驱油性能影响的主要因素确定

对比影响纳米乳液作用效果的不同因素可知，纳米乳液的种类、质量浓度和岩性等是影响其作用效果的主要因素。在相同实验条件下，当纳米乳液种类变化时，纳米乳液A比B的渗吸驱油效率高6.02%，纳米乳液C比B的渗吸驱油效率高10.10%；当纳米乳液质量浓度范围在2 000～5 000 mg/L时，纳米乳液浓度越高，岩心渗吸效率越高，相差达7.03%以上；受岩性和渗透率的影响，纳米乳液在致密砂岩中的渗吸驱油效率远高于页岩岩心。温度和岩心长度同样会影响纳米乳液渗吸驱油效率。当温度由25 ℃提升至50 ℃，最终采出程度提高4.41%；当温度由50 ℃提升至75 ℃，最终采出程度提高3.47%，增幅逐渐变缓。短岩心渗吸驱油效率高于长岩心。这主要是由于岩心浅表面的渗吸阻力要小于深部，原油更容易被置换出来，所以岩心越短渗吸驱油效率反而越高。

2.3 纳米乳液动态驱油效果评价

为了进一步模拟现场施工过程中，纳米乳液水溶液注入过程中的渗吸驱油效果，分别选用渗透率接近的砂岩11、12和13进行驱替实验。实验过程中，首先采用模拟地层水，以注入速度0.1 mL/min的恒流模式驱替饱和原油后的岩心，待驱油效率达到动态平衡后，改用纳米乳液水溶液驱替至实验结束，结果如图10所示。

图10 不同类型的纳米乳液驱替曲线(5 000 mg/L)Fig.10 Displacement curves of different types of nano emulsion (5 000 mg/L)

从图10可以看出地层水驱前期驱油速率极快，注液量达到0.6 PV时，驱替采出程度趋于平衡，直至出口不再出油，在注液量到达2 PV时停止地层水驱，改用纳米乳液水溶液驱油。地层水驱的最终采出程度分别为21.45%、22.43%、23.33%；纳米乳液A溶液驱替后最终采出程度为30.43%，增幅为8.98%；纳米乳液B溶液的最终采出程度为26.67%，增幅为4.24%；纳米乳液C最终采出程度为32.78%，增幅为9.45%。动态驱替效果显示，纳米乳液C具有相对较好的驱油效果。

3 结论

1)不同目数的岩粉对纳米乳液的吸附性能不同，岩粉目数越大，比面积越大，吸附量越高；页岩岩粉对纳米乳液的吸附性能高于砂岩对纳米乳液的吸附性能；岩粉对纳米乳液的吸附性能受纳米乳液类型的影响，砂岩岩粉和页岩对纳米乳液B的吸附量最高。

2)加入纳米乳液，可以降低液体间的界面张力，改变岩石表面的润湿性，能有效提高渗吸驱油效率。对比影响纳米乳液作用效果的不同因素可知，纳米乳液的种类、质量浓度和岩性是影响其作用效果的主要因素。在相同实验条件下，当纳米乳液种类变化时，纳米乳液A比B的渗吸驱油效率高6.02%，纳米乳液C比B的渗吸驱油效率高10.10%；当纳米乳液质量浓度范围在2 000～5 000 mg/L时，纳米乳液质量浓度越高，岩心渗吸效率越高，相差达7.03%以上；受岩性和渗透率的影响，纳米乳液在致密砂岩中的渗吸驱油效率远高于页岩岩心。

3)温度和岩心长度同样会影响纳米乳液渗吸驱油效率。当温度由25 ℃提升至50 ℃，最终采出程度提高4.41%；温度由50 ℃提升至75 ℃，最终采出程度提高3.47%，增幅逐渐变缓。短岩心渗吸驱油效率高于长岩心。这主要是由于岩心浅表面的渗吸阻力要小于深部，原油更容易被置换出来，所以岩心越短渗吸驱油效率反而越高。

4)动态驱替实验结果表明，使用地层水驱后，阴非离子型纳米乳液C具有较好的提高采收率效果，增幅达9.45%，其次为阴离子型纳米乳液A，增幅为8.98%，而阳离子纳米乳液B的效果最差，增幅为4.24%。