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納米材料在提高驅油效率方面可圈可點

如何應用納米材料提高驅油效率

自20世紀80年代末期合成納米粒子之后,納米材料改變潤濕性又取得了突出進展。本文先介紹了潤濕性改變的基本原理,然后論述了納米材料如何改變潤濕性改變。眾多納米材料之中,納米二氧化硅和有機硅聚合物提高水驅采收率的效果更好。石油圈原創www.h29736.cn

介紹

潤濕性是一種液體在一種固體表面或者體系內另一種液體表面鋪展的能力或傾向。潤濕性也可由液滴與表面的接觸角來定義。其是流體和巖石礦物之間的粘附力作用的結果。巖石的潤濕性范圍從強親水到強親油,這是由地層水-原油-儲層巖石之間的相互作用而造成的?;谶@些相互作用和潤濕性,巖石可分為不同類型。

1.如果原油或鹽水在巖石表面沒有平鋪或者兩者平鋪趨勢相同,那么該體系為中性潤濕性或中等潤濕性。

2.由于不同種類的礦物共存在同一油藏中,所以預計將會出現不同的潤濕性。如果這種多樣化潤濕性在油藏中不可忽略,那么,在油藏中不同位置會觀察到流體和巖石之間的不同化學作用。因此,一部分儲層呈現強親水性,而另一部分則呈現為強親油性。這種潤濕性不均勻的形式稱為部分潤濕。

3.在某些情況下,較小的孔隙被水充滿,可以認為是親水的,而較大的孔隙被石油占據。這種類型的潤濕性分布稱為混合潤濕,一般這種類型的油藏殘余油飽和度較低,這是因為原油更容易從大孔隙中被驅出。

如何應用納米材料提高驅油效率

固-液和液-液體系的表面能是由流體和巖石的化學組成所決定的。換句話說,巖石礦物組成和流體的化學性質影響相對粘附張力,進而影響潤濕性。

完整論文詳細討論了常見的測量潤濕性的方法,包括:(1)Amott潤濕指數法;(2)美國礦業局(USBM)潤濕指數法;(3)Amott-USBM潤濕測試法;(4)接觸角法。

因為任何潔凈的巖石均表現出親水性,所以可以判斷所有油藏最初都是水濕的。水后來被運移進來的油所替代,有時會從開始時的親水轉變為相對親油。原油中的極性組分隨后起到表面活性劑的作用,穿透孔隙表面的薄水層吸附在巖石表面上。

基于礦物組成,巖石自身可能親水或親油。親水時,水占據小孔隙并覆蓋大孔隙的表面,而油則是在大孔隙中,并與上述水表面直接接觸。無論是在水驅之前(因為油的存在會阻止水流動)還是水驅之后(因為殘余油飽和度影響水的相對浸透性),大孔隙中的水相相對浸透性都小。

在親油系統中,液體所處于的位置正好相反。當注水驅替時,較大孔隙內的水相相對浸透性增加,而且與水濕體系相比起更加阻礙了原油滲流速度。換句話說,與親水體系相比,親油體系不適合注水開發,因為大量原油將在水竄入生產井后滯留在親油體系內。此時,如果油水粘度比高,將造成水線突破過早、殘余油飽和度過高的問題。

改變潤濕性的方法

多種方法可用于改變潤濕性。這些方法大多數由于成本過高而不能大規模使用,只能用于實驗室巖心實驗,得到不同潤濕性的小塊巖心。這些潤濕性轉換方法包括以下幾種。

如何應用納米材料提高驅油效率

有機硅烷處理法。有機硅烷在不同行業被廣泛用為潤濕性轉換劑。在其他領域,他們被用作疏水試劑,在石油工業被稱之為油潤濕劑。石油圈原創www.h29736.cn

環烷酸處理法

環烷酸是長鏈大分子有機物,其鏈中含有原油中所含有的各種羧酸,具有一定粘度且不溶于水,但溶于有機溶劑和原油。因為他們有毒性、危害環境且粘度高,所以只可以用在實驗室內改變潤濕性。在一般情況下,環烷酸能使碳酸鹽巖更親油,這是因為其與碳酸鹽發生反應,但在硅質砂巖中則產生相反的變化。

瀝青質處理法。瀝青質是原油中的極性重質組分。如前文所述,我們認為巖石最初是親水的,然而在油運移期間其中一些部分則變為親油的。原油中的瀝青質便是潤濕性發生改變的原因之一。瀝青質破壞薄層水膜并吸附在大孔隙的巖石表面,可導致大孔隙親油。

加熱法。原油運移期間,親水巖石部分轉變為親油巖石,當儲層達到臨界毛細管壓力時,原油中的重質組分可穿過孔隙表面上的厚水膜,沉積在巖石表面,使其表面親油??梢酝ㄟ^加熱硅酸鹽巖使其變為親水。加熱可使沉積(吸附)的活性組分解吸,再次留下親水表面。大多數的天然裂縫性儲層為油濕,因此在這種儲層中注水是不會有效的。水通過裂縫后會被巖石吸收,導致采收率非常低。然而,通過注入熱水或蒸汽,體系可能會變成水濕,進而提高采收率。水驅前緣位于潤濕過渡帶。

表面活性劑法。表面活性劑是唯一一種可大規模改變潤濕性且提高采收率的材料。通過使用這些表面活性劑和腐蝕劑,降低了界面張力,產出更多的石油。然而,由于這些表面活性劑的吸附消耗、與鹽水中二價陽離子相互作用沉淀,導致只能提高5%的石油產量。因為殘余油飽和度高,親油油藏注水效果通常很差。然而,通過使用表面活性劑,可以減少界面張力或造成潤濕性反轉,從而提高采收率。

納米材料改變潤濕性

使用納米材料是最近常用的改變潤濕性的方法,在很多情況下其作用效果顯著。因粒子尺寸降低了,所以大大提升其效果。遺憾的是,這種精密的改變潤濕性的方法卻比較昂貴和不實用。

在大多數情況下,改變巖石的潤濕性是為了得到更高的原油采收率,然而,在少數情況下(主要是實驗),表面需要達到某種特定的潤濕性,因此制造這種特定的潤濕性表面也是十分必要的。納米結構改變表面潤濕性可以通過電化學方法、等離子體蝕刻或電子噴霧來實現。

納米有機硅聚合物(NPS)是一種用于改變巖心潤濕性室的納米顆粒。NPS分為三種:疏水性和親水性有機硅聚合物(LHP)、中等潤濕性有機硅聚合物(NWP)和疏水親脂性有機硅聚合物(HLP)。

LHP吸附在孔隙表面,親油體系變為親水體系,這將增大油相的相對浸透性,降低水相相對浸透性。這種情況有利于水驅。NWP吸附將降低表面張力并增大油相相對浸透性,這也是有利的。然而, HLP的吸附會產生不利影響,因為它使孔隙表面親油,這將增大水驅過程中殘余油飽和度。HLP以擴散和對流方式運移,隨著不斷積累,將會堵塞孔隙,降低孔隙度和絕對滲透率。

HLP使得體系更加親油,相反,LHP使得體系更加親水。通過在親水系統添加LHP,介質會變得強親水,這將阻礙水驅時流體的流動。NPS的第三種類型——NWP,降低原油和地層水之間的界面張力。這些納米粒子需要一種攜帶液來保存粒子潤濕特性。醇類可用于攜帶NWP 和HLP ,其中乙醇被認為是最好的選擇,因為此時它可由弱表面活性劑轉變為強表面活性劑,顯著降低界面張力。使用LHP時,建議用水作載體。

如前文所述,親油體系水驅后殘余油飽和度很高,而親水體系通常更適合注水開發。然而最適合用于水驅的體系其實是中性潤濕體系,在理想情況下,不會有任何液體滯留在巖石表面。因此,所有改變潤濕性操作的目的都是將體系轉變為中性潤濕狀態。石油圈原創www.h29736.cn

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