王新亮狄勤豐張任良顧春元王掌洪

(1.上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)與力學(xué)研究所(上海大學(xué)),上海 200072;2.上海市力學(xué)在能源工程中的應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(上海大學(xué)),上海

200072;3.中國石化江蘇油田分公司,江蘇揚(yáng)州 225009)

?“863”計(jì)劃專欄?

疏水納米顆粒在巖心表面的吸附特性試驗(yàn)研究

王新亮1,2狄勤豐1,2張任良1,2顧春元1,2王掌洪3

(1.上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)與力學(xué)研究所(上海大學(xué)),上海 200072;2.上海市力學(xué)在能源工程中的應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(上海大學(xué)),上海

200072;3.中國石化江蘇油田分公司,江蘇揚(yáng)州 225009)

采用納米顆粒吸附法可以在巖心表面構(gòu)建具有微納米結(jié)構(gòu)的強(qiáng)/超疏水表面,進(jìn)而在該表面產(chǎn)生水流滑移,從而達(dá)到降低水流阻力及注水壓力、增加注水量的目的。研究分析影響納米顆粒在巖心表面吸附效果的主要因素對(duì)吸附效果的影響可以指導(dǎo)納米降壓增注材料的開發(fā)和礦場(chǎng)試驗(yàn)。通過制作納米顆粒吸附巖心片,測(cè)試巖心片表面接觸角的大小來分析納米顆粒質(zhì)量濃度、吸附時(shí)間、試驗(yàn)溫度和p H值等對(duì)納米顆粒吸附效果的影響。結(jié)果表明,納米顆粒質(zhì)量濃度、關(guān)井時(shí)間和試驗(yàn)溫度都存在使納米顆粒吸附表面的接觸角達(dá)到最大的最佳值。堿性環(huán)境對(duì)納米顆粒吸附的影響較大,而酸性環(huán)境幾乎沒有影響。

納米顆粒;吸附;疏水表面;影響因素;礦場(chǎng)試驗(yàn)

注水壓力偏大、注水量嚴(yán)重不足經(jīng)常是開發(fā)低滲透和特低滲透油田所面臨的主要問題[1-2]。納米顆粒吸附法降壓減阻技術(shù)是一種降低注水壓力、提高注水量的新興技術(shù)。但由于對(duì)該技術(shù)的作用機(jī)理研究不夠,使納米顆粒的研發(fā)、納米顆粒分散液的復(fù)配,尤其是納米顆粒與地層的匹配性等一系列問題都沒有得到解決,嚴(yán)重制約了該技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

國內(nèi)學(xué)者通過研究和試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)疏水表面可明顯降低液體流動(dòng)阻力,且水流在疏水表面可以產(chǎn)生明顯的滑移現(xiàn)象[3-4]。狄勤豐等[5-10]提出了以疏水納米顆粒吸附在巖石微孔道壁面形成疏水性表面并產(chǎn)生水流滑移的降壓增注機(jī)理。

筆者基于該作用機(jī)理進(jìn)行了巖心表面的納米顆粒吸附特性研究,通過不同納米顆粒質(zhì)量濃度、不同浸泡時(shí)間、不同試驗(yàn)溫度和不同p H值的巖心薄片吸附試驗(yàn),評(píng)價(jià)了構(gòu)建超疏水巖心表面的影響因素,給出了納米顆粒吸附的最佳納米顆粒質(zhì)量濃度、最佳關(guān)井時(shí)間等。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用納米材料為表面改性的白色粉末狀納米SiO2,經(jīng)修飾的納米 SiO2表面存留大量不飽和殘鍵,有良好的疏水性能。試驗(yàn)用納米樣品分為兩種,樣品 ShuNP2-40的粒徑為 30～40 nm,而樣品ShuNP2-10的粒徑為7～10 nm。經(jīng)透射電鏡觀察(見圖1),納米粉體為非定型結(jié)晶態(tài),顆粒分布較均勻,有少量團(tuán)聚體存在,大部分顆粒呈橢球狀。

1.2 試驗(yàn)方法

將納米材料加入到精濾柴油中,用乳化機(jī)以7 000 r/min的速度攪拌10 min,以確保納米材料能夠均勻分散,打開水浴鍋并設(shè)定試驗(yàn)溫度,將切成薄片并飽和3%NH4Cl水溶液的天然巖心懸掛放入納米顆粒分散液中,并放入水浴鍋中加溫。浸泡一定時(shí)間后將巖心切片取出,干燥備用。

圖1 納米樣品的透射電鏡照片

1.3 樣品制備

1.3.1 不同納米顆粒質(zhì)量濃度時(shí)樣品的制備

試驗(yàn)選用同一油井的天然巖心A切的薄片,用納米粉體ShuNP2-10配制成納米顆粒質(zhì)量濃度分別為0.5、1.0、1.5、2.0和3.0 g/L的分散液。將巖心薄片放入不同納米顆粒質(zhì)量濃度的分散液后并一起放入60℃水浴鍋中恒溫浸泡48 h,取出干燥備用。

1.3.2 不同浸泡時(shí)間時(shí)樣品的制備

試驗(yàn)選用同一油井的天然巖心A切的薄片,用納米粉體ShuNP2-10配制成納米顆粒質(zhì)量濃度為1.5 g/L的分散液,將6片巖心薄片放入分散液中并一起放至60℃的水浴鍋中恒溫浸泡,浸泡時(shí)間依次為12、18、24、36、48和60 h,取出干燥備用。

1.3.3 不同浸泡溫度時(shí)樣品的制備

試驗(yàn)選用天然巖心A和B切的薄片,用納米粉體ShuNP2-10配制成納米顆粒質(zhì)量濃度為1.5 g/L的分散液,將4組巖心薄片放入分散液中再分別放在室溫60、75和90℃的水浴鍋中恒溫浸泡48 h,取出干燥備用。

1.3.4 不同p H值環(huán)境時(shí)樣品的制備

用納米 ShuNP2-40配制成質(zhì)量濃度1.5 g/L的油基納米顆粒分散液;巖心片C1-1～C4-1分別用鹽水沾濕,再放入納米顆粒分散液中,浸泡48 h,拿出烘干;巖心C1-2、C2-2分別用10%HCl處理10 min,然后取出放入納米顆粒分散液中,浸泡48 h,拿出烘干;巖心 C3-2、C4-2分別用5%NaOH處理10 min,然后取出放入納米顆粒分散液中,浸泡48 h,取出干燥備用。

1.4 潤濕性測(cè)試

采用DSA20光學(xué)接觸角測(cè)試儀,測(cè)試針頭為3μL的疏水針頭,為了確保結(jié)果準(zhǔn)確,采用連續(xù)拍攝的方法,接觸角取穩(wěn)定的值,每個(gè)樣品測(cè)3組數(shù)據(jù)然后取其平均值。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

納米顆粒質(zhì)量濃度分別為0.5、1.0、1.5、2.0和3.0 g/L時(shí),巖心表面接觸角分別為65.93°、101.12°、133.18°、90.22°和56.78°?？梢?不同的納米顆粒質(zhì)量濃度,同一種巖心的表面接觸角不同,接觸角隨著納米顆粒質(zhì)量濃度的增大先由小到大,再由大到小,在質(zhì)量濃度為1.5 g/L時(shí)接觸角達(dá)到最大。

浸泡時(shí)間分別為12、18、24、36、48和60 h時(shí),巖心表面接觸角分別為 22.37°、73.77°、87.53°、113.47°、128.10°和109.32°。由此可見,不同的浸泡時(shí)間,巖心片的接觸角也有變化,在浸泡時(shí)間為48 h時(shí),接觸角達(dá)到最大,當(dāng)時(shí)間繼續(xù)延長時(shí),接觸角又有所減小。

溫度分別為室溫、60、75和90℃時(shí),巖心表面接觸角分別為95.3°、128.1°、118.9°和117.5°?？梢?隨著溫度的升高,巖心表面接觸角同樣是先增后減,由于巖心材料不夠,75℃的巖心選用物性和A巖心接近的B巖心。

根據(jù)p H值的影響試驗(yàn),C1-1和C1-2的接觸角分別為119.4°和107.54°,C2-1和C2-2的接觸角分別為110.6°和107.7°,C3-1和C3-2的接觸角分別為109.0°和0°,C4-1和C4-2的接觸角分別為87.2°和0°?？梢钥闯?納米顆粒吸附性能對(duì)p H值比較敏感,經(jīng)5%HCl處理過的巖心接觸角的減幅很小,而經(jīng)10%NaOH處理過的巖心變?yōu)橥耆H水,說明堿性環(huán)境對(duì)納米顆粒吸附的影響較大,而酸性環(huán)境幾乎沒有影響。

2.2 討論

對(duì)于一般巖心,有效巖心微通道的尺寸都在微米級(jí)別,因此如果微通道內(nèi)吸附了過多的納米顆粒,就會(huì)出現(xiàn)明顯的堵塞現(xiàn)象。從微流動(dòng)角度分析,吸附了疏水納米顆粒的微管道壁面會(huì)形成水流滑移效應(yīng),水流阻力減小,相當(dāng)于有效管徑變大;但同時(shí)納米顆粒自身的尺寸不可忽略,減小了微管的物理管徑,因此只有當(dāng)吸附了納米顆粒的巖心微通道壁面的表面滑移長度大于管壁吸附的納米顆粒層厚度時(shí),納米顆粒吸附才會(huì)起到降壓減阻的效果。

Li Ding等[11]根據(jù)前人的模擬結(jié)果給出了圖2所示的固體表面接觸角與滑移長度的擬合曲線。從圖2可以看出,固體表面的滑移長度隨著其表觀接觸角的增大成指數(shù)增長,也就是說固體表面的疏水性越強(qiáng),產(chǎn)生的滑移長度就越大,水流阻力就越小。

圖2 固體表面接觸角與滑移長度的關(guān)系

納米顆粒質(zhì)量濃度越大,可能產(chǎn)生吸附的納米顆粒就越多,產(chǎn)生多層吸附的可能性就越大,因此納米顆粒質(zhì)量濃度存在一個(gè)最佳吸附值,太小了很難產(chǎn)生疏水表面,太大了又容易堵塞孔徑。同樣,對(duì)于浸泡時(shí)間來說,時(shí)間太短,可能沒有形成有效吸附;而時(shí)間越長,孔道表面吸附的納米顆?？赡茌^多,因此也存在一個(gè)最佳浸泡時(shí)間。在實(shí)際礦場(chǎng)試驗(yàn)中一般要求關(guān)井48 h就是基于這一考慮。從前面的測(cè)試結(jié)果可以看出,所測(cè)巖心表面接觸角分別在納米顆粒質(zhì)量濃度為1.5 g/L和浸泡時(shí)間為48 h時(shí)達(dá)到最大值(分別為133.18°和128.10°),可以認(rèn)為達(dá)到了較好的吸附狀態(tài)。

圖3、4為吸附了納米顆粒的巖心表面的SEM照片。從圖3、4可以看出,巖心表面已經(jīng)看不到巖石本體的特征,取而代之的是致密的納米顆粒吸附層,納米顆粒呈橢球狀,有團(tuán)聚現(xiàn)象,表面微結(jié)構(gòu)成明顯的三維結(jié)構(gòu)。由于石英、長石表面光滑,殘斷鍵較少,對(duì)納米顆粒的吸附力較小,納米顆粒分布較整齊,更傾向于單層吸附;而由于黏土礦物表面比較粗糙,殘斷鍵較多,對(duì)納米顆粒的吸附力較大,容易產(chǎn)生多層吸附。

圖3 經(jīng)納米顆粒分散液處理的巖石表面(×10 000)

圖4 經(jīng)納米顆粒分散液處理的巖石表面(×50 000)

對(duì)于不同深度的油井,儲(chǔ)層溫度一般存在差異,礦場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)可以根據(jù)各種溫度下的試驗(yàn)結(jié)果選擇適合某一溫度的納米材料,以達(dá)到最佳效果。而對(duì)于礦場(chǎng)試驗(yàn)中常采用酸化預(yù)處理措施則初步解釋為更多的是為了處理微通道入口及孔壁上的沉淀物[12],以確保有較好的吸附表面和入流通道,進(jìn)一步的結(jié)論還有待于進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn),對(duì)于不同的巖心,同一種納米顆粒吸附的結(jié)果有時(shí)差異較大,這可以解釋為,各種巖心的滲透性不同,對(duì)于滲透性較差的巖心,吸附納米顆粒后巖心孔徑變小,液滴很難進(jìn)入孔隙而停留在吸附了納米顆粒的巖心表面,從而表現(xiàn)出的接觸角較大;而對(duì)于滲透性較好的巖心,盡管吸附了納米顆粒,但是液滴還是可以流入孔隙,從而表觀上表現(xiàn)為較小的接觸角。因此,在確定納米顆粒吸附法降壓減阻效果時(shí)不能片面地用巖心吸附片的表面接觸角來描述,而必須結(jié)合SEM掃描、室內(nèi)巖心流動(dòng)評(píng)價(jià)試驗(yàn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),其中SEM可以確定吸附的狀況,而室內(nèi)巖心流動(dòng)評(píng)價(jià)試驗(yàn)則能較好地確定納米顆粒在給定儲(chǔ)層中的降壓減阻效果。

3 結(jié) 論

1)不同納米顆粒質(zhì)量濃度和浸泡時(shí)間的巖心吸附結(jié)果表明,隨納米顆粒質(zhì)量濃度、浸泡時(shí)間的變化,接觸角存在最大值,表現(xiàn)出較好的疏水狀態(tài)。

2)不同溫度的巖心吸附結(jié)果表明,隨著溫度的升高,巖心表面接觸角表現(xiàn)為先增大后減小,因此可以根據(jù)儲(chǔ)層溫度選擇合適的納米材料。

3)不同pH值的巖心吸附結(jié)果表明,經(jīng)5%HCl處理過的巖心接觸角有很小的降幅,而經(jīng)10%NaOH處理過的巖心變?yōu)閺?qiáng)親水,說明堿性環(huán)境對(duì)納米顆粒吸附的影響較大,而酸性環(huán)境幾乎沒有影響。

4)吸附了納米顆粒的巖心表面具有了類似荷葉表面的微納米結(jié)構(gòu),具備了產(chǎn)生疏水滑移的條件。

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[審稿 岳湘安]

Experimental Investigations on Adsorptive Characteristics of Hydrophobic Nanoparticles on Core Surfaces

Wang Xinliang1,2Di Qinfeng1,2Zhang Renliang1,2Gu Chunyuan1,2Wang Zhanghong3
(1.S hanghai Institute of A pplied Mathematics and Mechanics,S hanghai University,S hanghai, 200072,China;2. S hanghai Key L aboratory ofMechanics in Energy and Environment Engineering, S hanghai,200072,China;3.Jiangsu Oilf ield Company,Sinopec,Yangzhou,Jiangsu,225009,China)

Nanoparticles adsorbing method can build micro-and nano-structural strong/super-hydrophobic surfaces on cores,and produce the slip velocity on the surfaces in the purpose of reducing the water resistance and water injection pressure and increasing water injection rate.Studies on the effects of adsorption can guide the development of nano-materials which reduce injection pressure and the field application.Through making nanoparticles absorbing core chips and measuring the contact angles on core surfaces,this paper analyzes the effects of nano-concentration,adsorption time,temperature and pH environment on nanoparticles adsorption.The results show that nanoparticles-mass-concentration,shut-in time and experimental temperature all have optimal value for the maximum contact angle.Alkaline environment has greater impact on the nano-adsorption,while acidic environment has little impact.

nanoparticles;adsorption;hydrophobic surface;influencing factors;field test

book=2010,ebook=108

TE348

A

1001-0890(2010)02-0010-04

2009-10-27;改回日期:2010-01-18

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)項(xiàng)目“納米顆粒吸附法降低儲(chǔ)層注水壓力技術(shù)研究”(編號(hào):2008AA06Z201)、國家自然科學(xué)基金“降低石油儲(chǔ)層注水壓力的納米吸附法新技術(shù)機(jī)理的理論與實(shí)驗(yàn)研究”(編號(hào):50874071)、長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃“面向工程問題的LBM研究”(編號(hào):IRT0844)、中國博士后科學(xué)基金“納米顆粒與儲(chǔ)層微孔道有效吸附的微觀作用機(jī)制研究”(編號(hào): 20090450687)及上海市科委重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃“石油儲(chǔ)層微孔道納米降壓增注新技術(shù)研究”(編號(hào):071605102)聯(lián)合資助

王新亮(1984—),男,陜西興平人,2007年畢業(yè)于西安科技大學(xué)工程力學(xué)專業(yè),在讀博士研究生,主要從事石油工程中的力學(xué)問題研究。

聯(lián)系方式:(021)56333256,sea-wave007@126.com