胡海霞，張 俊，魯大麗

(長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，荊州 434020)

低滲油藏和致密油藏的儲量在非常規(guī)資源中極其豐富，但這類油藏滲透率低、孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常采用水平井多級壓裂開采，但地層能量衰竭快，產(chǎn)量遞減也很迅速，因此，需要及時補充儲層能量。相比其他油藏注水，低滲和致密油藏面臨著注入壓力高、注入難，地層能量難以補充的困難[1-3]。納米二氧化硅的工業(yè)化生產(chǎn)使納米材料廣泛應(yīng)用于化工、石油、材料等行業(yè)[4-5]，為了充分發(fā)揮納米材料的特性，對納米改性接枝是最常用的手段[6-8]。在油田領(lǐng)域，水基型功能納米二氧化硅流體具有較好的適配性和實用性，同時，在滲透率極低條件下，小尺度的納米流體更容易進入儲層，發(fā)揮化學(xué)劑的作用，對提高采收率非常有利[9-11]?，F(xiàn)研究一種疏水性功能納米二氧化硅材料，可以形成均勻透明的水基納米分散流體，分析其改善巖石壁面潤濕性的機理，可以明顯降低油藏流體的注入壓力，在進入地層后還能發(fā)揮滲吸排油提高采收率，為現(xiàn)場的施工應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

納米二氧化硅，南京先豐納米材料科技有限公司；γ-巰丙基三甲基硅烷KH-580，南京品寧偶聯(lián)劑公司；陰-非離子表活劑APE-X、NaOH、無水乙醇均為分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；模擬油，黏度3～5 mPa·s；模擬地層水(38 000 mg/L)天然巖心，長10 cm，直徑2.5 cm，滲透率10～50 mD。電子天平，梅特勒-托利多儀器有限公司；FS-1800N超聲波分散儀，重慶科亦欣有限公司；SHZ-IIIA水循環(huán)真空泵，鄭州瑞德儀器公司；HD-U805光學(xué)水滴潤濕接觸角測量儀，昆山市海達精密儀器有限公司；Nicomp 380激光粒度儀，奧法美嘉集團有限公司。

1.2 改性納米流體分散液的制備

將納米二氧化硅和γ-巰丙基三甲基硅烷按照物質(zhì)的量之比1∶2.2的量加入燒瓶中，采用pH調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)混合溶液pH=5.5～6.0，在50～70 ℃攪拌反應(yīng)2～3 h，用無水乙醇洗滌多次，烘干研磨得到改性納米二氧化硅材料。加入適量的表面活性劑APE-X作為納米材料得分散助劑，待溶液攪拌均勻后置于超聲波分散儀中分散至澄清，無不溶物。

1.3 實驗方法

1.3.1 納米分散液對巖石潤濕性與吸附測試

將石英玻璃片依次用石油醚、無水乙醇洗凈，放入密閉容器中進行吸附48 h，取出后用去離子水淋洗，采用光學(xué)水滴潤濕接觸角測量儀呈像測量接觸角。掃描電鏡測試，先將巖心切片，同樣處理巖心薄片，采用日立S4800掃描電子顯微鏡掃描處理前后的薄片。

1.3.2 納米分散流體降低注入壓力測試

連接物模裝置的管線，檢查連通性，將低滲巖心放入夾持器中，將注入端壓力，回壓加至16 MPa，等待30 min壓力平衡后，將泵設(shè)為恒流速注入模擬地層水/納米流體，流速為0.1 mL/min，納米流體分散液配方為0.05wt%改性納米+0.01wt%APE-X，期間記錄時間、壓力與流量數(shù)據(jù)，當(dāng)注入端的壓力接近45 MPa時，停止實驗。

1.3.3 納米分散流體滲吸排油測試

將低滲天然巖心洗凈烘干，真空充分飽和模擬油，取出巖心除去表面的浮油，迅速放入裝有不同體系的容器中，隔段時間觀察記錄出油量。

2 結(jié)果與討論

2.1 改性納米顆粒的紅外表征

原始的二氧化硅紅外圖譜(圖1)中，2 965 cm-1和2 877 cm-1處為—CH3、—CH2—的特征吸收峰，1 630 cm-1和3 426 cm-1處為水中—OH的彎曲振動和反對稱伸縮振動吸收峰，1 090 cm-1處為Si—O—Si的反對稱伸縮振動吸收峰，958 cm-1為Si—OH彎曲振動吸收峰，487 cm-1和810 cm-1處的特征峰分別為Si—O的彎曲振動和對稱伸縮振動峰。改性后二氧化硅圖譜(圖1)中，3 426 cm-1處峰強度明顯變小，說明羥基量也變少，硅烷偶聯(lián)劑與納米二氧化硅發(fā)生縮合作用，證實納米二氧化硅已接枝改性。

圖1 改性前后納米二氧化硅紅外譜圖Fig.1 Infrared spectra of nano-silica before and after modified

2.2 改性納米流體的分散性能

通常納米二氧化硅在水溶液中容易發(fā)生聚沉，為了使改性的納米材料分散均勻，優(yōu)選出具有耐溫耐鹽性能的分散劑APE-X，得到納米流體的最優(yōu)配方：0.05wt%改性納米+0.01APE-X。如圖2所示，改性后疏水納米二氧化硅在分散劑的物理作用下，穩(wěn)定分散澄清透明。經(jīng)過動態(tài)激光散射粒度儀測試得出，改性后的納米二氧化硅粒徑分布在20～30 nm，在油田現(xiàn)場注入時，這種粒徑小且分布窄的納米流體是非常有利的。

圖2 改性納米顆粒粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of modified nanoparticles

2.3 納米流體的潤濕性與吸附性

改性后的納米二氧化硅顆粒表面被疏水鏈修飾，為了驗證其對巖石表面的潤濕效果，將石英片浸入0.1wt%納米流體分散液中48 h，再烘干，測量表面接觸角。實驗結(jié)果如圖3所示，處理后的石英片表面為水濕，表面的水相接觸角為38°，功能二氧化硅納米流體處理過的疏水石英片表面的接觸角為146°。結(jié)合圖4掃描電子顯微鏡的微觀測試分析，經(jīng)過納米流體處理后的低滲巖心薄片，功能二氧化硅納米顆粒能夠均勻吸附在石英片表面，使石英片表面的潤濕性從親水轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷砻鞲男缘亩趸杓{米流體具有良好的潤濕反轉(zhuǎn)效果。

圖3 改性二氧化硅吸附前后潤濕角變化Fig.3 Changes of wetting angle before and after adsorption of modified silica

圖4 改性二氧化硅在巖心表面的吸附Fig.4 Adsorption of modified silica on core surface

2.4 納米流體對油田降壓增注的效果

采用優(yōu)化后的納米流體分散液配方(0.05wt%改性納米+0.01wt%APE-X)進行實驗，結(jié)果如圖5所示，隨著模擬水的注入增加，注入端壓力持續(xù)上升至極限；當(dāng)注入納米流體時小于0.3倍孔隙體積(PV)時，注入壓力明顯減緩，注入壓力降低率呈現(xiàn)上升趨勢，隨著注入量的增加，納米顆粒在儲層表面形成更多吸附層，減弱了水流在微通道中毛管力，降低水膜層厚度，減少了注入阻力，最高的注入壓力降低率可達到34%，繼續(xù)增加注入量依然可以起到降壓效果，儲層表面吸附接近飽和或者顆粒過多造成吸附層不均勻，表現(xiàn)出注入壓力降低率平緩下降[12]。

圖5 納米流體的降壓增注效果Fig.5 Effect of reducing pressure and increasing injection of nanofluids

圖6 不同體系的滲吸采油效果Fig.6 Effect of imbibition in different systems

2.5 納米流體對滲析排油效果

為了研究功能納米材料注入后的滲吸排油能力，將飽和油的巖心置于三種體系的滲吸瓶，分別是0.1wt%納米分散流體、0.1wt%非離子表面活性劑OP-10及模擬水體系。通過靜態(tài)滲吸實驗研究了以上三種體系的滲吸排油效果，實驗溫度70 ℃，待滲吸出油量穩(wěn)定不變，計算采出程度。如圖6所示，模擬地層水滲吸速度最慢，采出程度最終穩(wěn)定在11%，OP-10表面活性劑能夠起到促進滲吸排油，功能納米流體分散液的滲吸排油效果最優(yōu)，最終采收程度高達24%，一方面是因為疏水納米吸附儲層后產(chǎn)生的“滑移效應(yīng)”，毛管力減小，流體更容易進入微孔道；另一方面是分散劑降低油滴與巖石壁面的附著力，起到高效洗油的效果。

3 結(jié)論

(1)采用硅烷偶聯(lián)劑改性到超疏水的納米二氧化硅，在分散劑做作用下得到穩(wěn)定、澄清透明的納米流體分散液，優(yōu)選配方為0.05wt%改性納米+0.01wt%APE-X。

(2)通過測量納米流體分散液浸濕前后石英片的潤濕接觸角，表明納米流體分散液很好的潤濕反轉(zhuǎn)性，從親水(38°)轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷?146°)，微觀掃描電鏡顯示出改性納米材料均勻地吸附在巖石壁面。

(3)對比模擬地層水，納米分散液流體能夠明顯降低注入壓力，當(dāng)注入量為0.3PV時，最高降壓率可達34%。進入地層納米流體同時還具有很強滲吸排油功能，其采出程度明顯高于單一作用的表面活性劑。