功能纳米流体分散液的制备与降压排油

胡海霞，张 俊，鲁大丽

(长江大学工程技术学院，荆州 434020)

低渗油藏和致密油藏的储量在非常规资源中极其丰富，但这类油藏渗透率低、孔喉结构复杂，通常采用水平井多级压裂开采，但地层能量衰竭快，产量递减也很迅速，因此，需要及时补充储层能量。相比其他油藏注水，低渗和致密油藏面临着注入压力高、注入难，地层能量难以补充的困难[1-3]。纳米二氧化硅的工业化生产使纳米材料广泛应用于化工、石油、材料等行业[4-5]，为了充分发挥纳米材料的特性，对纳米改性接枝是最常用的手段[6-8]。在油田领域，水基型功能纳米二氧化硅流体具有较好的适配性和实用性，同时，在渗透率极低条件下，小尺度的纳米流体更容易进入储层，发挥化学剂的作用，对提高采收率非常有利[9-11]。现研究一种疏水性功能纳米二氧化硅材料，可以形成均匀透明的水基纳米分散流体，分析其改善岩石壁面润湿性的机理，可以明显降低油藏流体的注入压力，在进入地层后还能发挥渗吸排油提高采收率，为现场的施工应用提供一定的指导依据。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

纳米二氧化硅，南京先丰纳米材料科技有限公司；γ-巯丙基三甲基硅烷KH-580，南京品宁偶联剂公司；阴-非离子表活剂APE-X、NaOH、无水乙醇均为分析纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；模拟油，黏度3～5 mPa·s；模拟地层水(38 000 mg/L)天然岩心，长10 cm，直径2.5 cm，渗透率10～50 mD。电子天平，梅特勒-托利多仪器有限公司；FS-1800N超声波分散仪，重庆科亦欣有限公司；SHZ-IIIA水循环真空泵，郑州瑞德仪器公司；HD-U805光学水滴润湿接触角测量仪，昆山市海达精密仪器有限公司；Nicomp 380激光粒度仪，奥法美嘉集团有限公司。

1.2 改性纳米流体分散液的制备

将纳米二氧化硅和γ-巯丙基三甲基硅烷按照物质的量之比1∶2.2的量加入烧瓶中，采用pH调节剂调节混合溶液pH=5.5～6.0，在50～70 ℃搅拌反应2～3 h，用无水乙醇洗涤多次，烘干研磨得到改性纳米二氧化硅材料。加入适量的表面活性剂APE-X作为纳米材料得分散助剂，待溶液搅拌均匀后置于超声波分散仪中分散至澄清，无不溶物。

1.3 实验方法

1.3.1 纳米分散液对岩石润湿性与吸附测试

将石英玻璃片依次用石油醚、无水乙醇洗净，放入密闭容器中进行吸附48 h，取出后用去离子水淋洗，采用光学水滴润湿接触角测量仪呈像测量接触角。扫描电镜测试，先将岩心切片，同样处理岩心薄片，采用日立S4800扫描电子显微镜扫描处理前后的薄片。

1.3.2 纳米分散流体降低注入压力测试

连接物模装置的管线，检查连通性，将低渗岩心放入夹持器中，将注入端压力，回压加至16 MPa，等待30 min压力平衡后，将泵设为恒流速注入模拟地层水/纳米流体，流速为0.1 mL/min，纳米流体分散液配方为0.05wt%改性纳米+0.01wt%APE-X，期间记录时间、压力与流量数据，当注入端的压力接近45 MPa时，停止实验。

1.3.3 纳米分散流体渗吸排油测试

将低渗天然岩心洗净烘干，真空充分饱和模拟油，取出岩心除去表面的浮油，迅速放入装有不同体系的容器中，隔段时间观察记录出油量。

2 结果与讨论

2.1 改性纳米颗粒的红外表征

原始的二氧化硅红外图谱(图1)中，2 965 cm-1和2 877 cm-1处为—CH3、—CH2—的特征吸收峰，1 630 cm-1和3 426 cm-1处为水中—OH的弯曲振动和反对称伸缩振动吸收峰，1 090 cm-1处为Si—O—Si的反对称伸缩振动吸收峰，958 cm-1为Si—OH弯曲振动吸收峰，487 cm-1和810 cm-1处的特征峰分别为Si—O的弯曲振动和对称伸缩振动峰。改性后二氧化硅图谱(图1)中，3 426 cm-1处峰强度明显变小，说明羟基量也变少，硅烷偶联剂与纳米二氧化硅发生缩合作用，证实纳米二氧化硅已接枝改性。

图1 改性前后纳米二氧化硅红外谱图Fig.1 Infrared spectra of nano-silica before and after modified

2.2 改性纳米流体的分散性能

通常纳米二氧化硅在水溶液中容易发生聚沉，为了使改性的纳米材料分散均匀，优选出具有耐温耐盐性能的分散剂APE-X，得到纳米流体的最优配方：0.05wt%改性纳米+0.01APE-X。如图2所示，改性后疏水纳米二氧化硅在分散剂的物理作用下，稳定分散澄清透明。经过动态激光散射粒度仪测试得出，改性后的纳米二氧化硅粒径分布在20～30 nm，在油田现场注入时，这种粒径小且分布窄的纳米流体是非常有利的。

图2 改性纳米颗粒粒径分布Fig.2 Particle size distribution of modified nanoparticles

2.3 纳米流体的润湿性与吸附性

改性后的纳米二氧化硅颗粒表面被疏水链修饰，为了验证其对岩石表面的润湿效果，将石英片浸入0.1wt%纳米流体分散液中48 h，再烘干，测量表面接触角。实验结果如图3所示，处理后的石英片表面为水湿，表面的水相接触角为38°，功能二氧化硅纳米流体处理过的疏水石英片表面的接触角为146°。结合图4扫描电子显微镜的微观测试分析，经过纳米流体处理后的低渗岩心薄片，功能二氧化硅纳米颗粒能够均匀吸附在石英片表面，使石英片表面的润湿性从亲水转变为疏水，表明改性的二氧化硅纳米流体具有良好的润湿反转效果。

图3 改性二氧化硅吸附前后润湿角变化Fig.3 Changes of wetting angle before and after adsorption of modified silica

图4 改性二氧化硅在岩心表面的吸附Fig.4 Adsorption of modified silica on core surface

2.4 纳米流体对油田降压增注的效果

采用优化后的纳米流体分散液配方(0.05wt%改性纳米+0.01wt%APE-X)进行实验，结果如图5所示，随着模拟水的注入增加，注入端压力持续上升至极限；当注入纳米流体时小于0.3倍孔隙体积(PV)时，注入压力明显减缓，注入压力降低率呈现上升趋势，随着注入量的增加，纳米颗粒在储层表面形成更多吸附层，减弱了水流在微通道中毛管力，降低水膜层厚度，减少了注入阻力，最高的注入压力降低率可达到34%，继续增加注入量依然可以起到降压效果，储层表面吸附接近饱和或者颗粒过多造成吸附层不均匀，表现出注入压力降低率平缓下降[12]。

图5 纳米流体的降压增注效果Fig.5 Effect of reducing pressure and increasing injection of nanofluids

图6 不同体系的渗吸采油效果Fig.6 Effect of imbibition in different systems

2.5 纳米流体对渗析排油效果

为了研究功能纳米材料注入后的渗吸排油能力，将饱和油的岩心置于三种体系的渗吸瓶，分别是0.1wt%纳米分散流体、0.1wt%非离子表面活性剂OP-10及模拟水体系。通过静态渗吸实验研究了以上三种体系的渗吸排油效果，实验温度70 ℃，待渗吸出油量稳定不变，计算采出程度。如图6所示，模拟地层水渗吸速度最慢，采出程度最终稳定在11%，OP-10表面活性剂能够起到促进渗吸排油，功能纳米流体分散液的渗吸排油效果最优，最终采收程度高达24%，一方面是因为疏水纳米吸附储层后产生的“滑移效应”，毛管力减小，流体更容易进入微孔道；另一方面是分散剂降低油滴与岩石壁面的附着力，起到高效洗油的效果。

3 结论

(1)采用硅烷偶联剂改性到超疏水的纳米二氧化硅，在分散剂做作用下得到稳定、澄清透明的纳米流体分散液，优选配方为0.05wt%改性纳米+0.01wt%APE-X。

(2)通过测量纳米流体分散液浸湿前后石英片的润湿接触角，表明纳米流体分散液很好的润湿反转性，从亲水(38°)转变为疏水(146°)，微观扫描电镜显示出改性纳米材料均匀地吸附在岩石壁面。

(3)对比模拟地层水，纳米分散液流体能够明显降低注入压力，当注入量为0.3PV时，最高降压率可达34%。进入地层纳米流体同时还具有很强渗吸排油功能，其采出程度明显高于单一作用的表面活性剂。