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纳米材料在提高驱油效率方面可圈可点

如何应用纳米材料提高驱油效率

自20世纪80年代末期合成纳米粒子之后,纳米材料改变润湿性又取得了突出进展。本文先介绍了润湿性改变的基本原理,然后论述了纳米材料如何改变润湿性改变。众多纳米材料之中,纳米二氧化硅和有机硅聚合物提高水驱采收率的效果更好。石油圈原创www.oilsns.com

介绍

润湿性是一种液体在一种固体表面或者体系内另一种液体表面铺展的能力或倾向。润湿性也可由液滴与表面的接触角来定义。其是流体和岩石矿物之间的粘附力作用的结果。岩石的润湿性范围从强亲水到强亲油,这是由地层水-原油-储层岩石之间的相互作用而造成的。基于这些相互作用和润湿性,岩石可分为不同类型。

1.如果原油或盐水在岩石表面没有平铺或者两者平铺趋势相同,那么该体系为中性润湿性或中等润湿性。

2.由于不同种类的矿物共存在同一油藏中,所以预计将会出现不同的润湿性。如果这种多样化润湿性在油藏中不可忽略,那么,在油藏中不同位置会观察到流体和岩石之间的不同化学作用。因此,一部分储层呈现强亲水性,而另一部分则呈现为强亲油性。这种润湿性不均匀的形式称为部分润湿。

3.在某些情况下,较小的孔隙被水充满,可以认为是亲水的,而较大的孔隙被石油占据。这种类型的润湿性分布称为混合润湿,一般这种类型的油藏残余油饱和度较低,这是因为原油更容易从大孔隙中被驱出。

如何应用纳米材料提高驱油效率

固-液和液-液体系的表面能是由流体和岩石的化学组成所决定的。换句话说,岩石矿物组成和流体的化学性质影响相对粘附张力,进而影响润湿性。

完整论文详细讨论了常见的测量润湿性的方法,包括:(1)Amott润湿指数法;(2)美国矿业局(USBM)润湿指数法;(3)Amott-USBM润湿测试法;(4)接触角法。

因为任何洁净的岩石均表现出亲水性,所以可以判断所有油藏最初都是水湿的。水后来被运移进来的油所替代,有时会从开始时的亲水转变为相对亲油。原油中的极性组分随后起到表面活性剂的作用,穿透孔隙表面的薄水层吸附在岩石表面上。

基于矿物组成,岩石自身可能亲水或亲油。亲水时,水占据小孔隙并覆盖大孔隙的表面,而油则是在大孔隙中,并与上述水表面直接接触。无论是在水驱之前(因为油的存在会阻止水流动)还是水驱之后(因为残余油饱和度影响水的相对浸透性),大孔隙中的水相相对浸透性都小。

在亲油系统中,液体所处于的位置正好相反。当注水驱替时,较大孔隙内的水相相对浸透性增加,而且与水湿体系相比起更加阻碍了原油渗流速度。换句话说,与亲水体系相比,亲油体系不适合注水开发,因为大量原油将在水窜入生产井后滞留在亲油体系内。此时,如果油水粘度比高,将造成水线突破过早、残余油饱和度过高的问题。

改变润湿性的方法

多种方法可用于改变润湿性。这些方法大多数由于成本过高而不能大规模使用,只能用于实验室岩心实验,得到不同润湿性的小块岩心。这些润湿性转换方法包括以下几种。

如何应用纳米材料提高驱油效率

有机硅烷处理法。有机硅烷在不同行业被广泛用为润湿性转换剂。在其他领域,他们被用作疏水试剂,在石油工业被称之为油润湿剂。石油圈原创www.oilsns.com

环烷酸处理法

环烷酸是长链大分子有机物,其链中含有原油中所含有的各种羧酸,具有一定粘度且不溶于水,但溶于有机溶剂和原油。因为他们有毒性、危害环境且粘度高,所以只可以用在实验室内改变润湿性。在一般情况下,环烷酸能使碳酸盐岩更亲油,这是因为其与碳酸盐发生反应,但在硅质砂岩中则产生相反的变化。

沥青质处理法。沥青质是原油中的极性重质组分。如前文所述,我们认为岩石最初是亲水的,然而在油运移期间其中一些部分则变为亲油的。原油中的沥青质便是润湿性发生改变的原因之一。沥青质破坏薄层水膜并吸附在大孔隙的岩石表面,可导致大孔隙亲油。

加热法。原油运移期间,亲水岩石部分转变为亲油岩石,当储层达到临界毛细管压力时,原油中的重质组分可穿过孔隙表面上的厚水膜,沉积在岩石表面,使其表面亲油。可以通过加热硅酸盐岩使其变为亲水。加热可使沉积(吸附)的活性组分解吸,再次留下亲水表面。大多数的天然裂缝性储层为油湿,因此在这种储层中注水是不会有效的。水通过裂缝后会被岩石吸收,导致采收率非常低。然而,通过注入热水或蒸汽,体系可能会变成水湿,进而提高采收率。水驱前缘位于润湿过渡带。

表面活性剂法。表面活性剂是唯一一种可大规模改变润湿性且提高采收率的材料。通过使用这些表面活性剂和腐蚀剂,降低了界面张力,产出更多的石油。然而,由于这些表面活性剂的吸附消耗、与盐水中二价阳离子相互作用沉淀,导致只能提高5%的石油产量。因为残余油饱和度高,亲油油藏注水效果通常很差。然而,通过使用表面活性剂,可以减少界面张力或造成润湿性反转,从而提高采收率。

纳米材料改变润湿性

使用纳米材料是最近常用的改变润湿性的方法,在很多情况下其作用效果显著。因粒子尺寸降低了,所以大大提升其效果。遗憾的是,这种精密的改变润湿性的方法却比较昂贵和不实用。

在大多数情况下,改变岩石的润湿性是为了得到更高的原油采收率,然而,在少数情况下(主要是实验),表面需要达到某种特定的润湿性,因此制造这种特定的润湿性表面也是十分必要的。纳米结构改变表面润湿性可以通过电化学方法、等离子体蚀刻或电子喷雾来实现。

纳米有机硅聚合物(NPS)是一种用于改变岩心润湿性室的纳米颗粒。NPS分为三种:疏水性和亲水性有机硅聚合物(LHP)、中等润湿性有机硅聚合物(NWP)和疏水亲脂性有机硅聚合物(HLP)。

LHP吸附在孔隙表面,亲油体系变为亲水体系,这将增大油相的相对浸透性,降低水相相对浸透性。这种情况有利于水驱。NWP吸附将降低表面张力并增大油相相对浸透性,这也是有利的。然而, HLP的吸附会产生不利影响,因为它使孔隙表面亲油,这将增大水驱过程中残余油饱和度。HLP以扩散和对流方式运移,随着不断积累,将会堵塞孔隙,降低孔隙度和绝对渗透率。

HLP使得体系更加亲油,相反,LHP使得体系更加亲水。通过在亲水系统添加LHP,介质会变得强亲水,这将阻碍水驱时流体的流动。NPS的第三种类型——NWP,降低原油和地层水之间的界面张力。这些纳米粒子需要一种携带液来保存粒子润湿特性。醇类可用于携带NWP 和HLP ,其中乙醇被认为是最好的选择,因为此时它可由弱表面活性剂转变为强表面活性剂,显著降低界面张力。使用LHP时,建议用水作载体。

如前文所述,亲油体系水驱后残余油饱和度很高,而亲水体系通常更适合注水开发。然而最适合用于水驱的体系其实是中性润湿体系,在理想情况下,不会有任何液体滞留在岩石表面。因此,所有改变润湿性操作的目的都是将体系转变为中性润湿状态。石油圈原创www.oilsns.com

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