纳米微片在海上稠油开采中的应用可行性实验研究

张强，陈士佳，李奇，吴晓燕，张军辉，刘观军，任树亮

（1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452；2.海洋石油高效开发重点实验室，天津 300452；3.中海油能源发展股份有限公司提高采收率重点实验室，天津 300452）

渤海油田探明储量中55%左右为稠油储量，其中普通稠油储量占比51.9%，特稠油储量占比为3.6%。目前稠油油藏的开发主要通过冷采降黏和蒸汽热采等方式开展，但在海上平台开展冷采和热采均存在成本高、施工难度大等问题。因此，开展海上油田稠油开采新技术、新体系的研究，对于海上油田稠油提高采收率具有重要的意义[1-4]。针对渤海某稠油油田储层高孔、中高渗的特征，地下原油黏度为400 mPa·s，阶段开采的含水率已达85%，需要开发新型适宜稠油油藏开发的体系，进一步扩大波及、提高洗油效率。纳米材料是一种近几年来新出现的智能材料，受到人们越来越多的关注[5-7]。在采油领域中，由于其具有独特的小尺寸、高比表面、表面效应强，可以有效的改变岩石的润湿性，具有独到的驱洗效果。

本文选取纳米微片作为研究对象，其为一种片状的纳米材料，呈金属光泽的小颗粒，在油-水界面中易形成面-面的接触，提高接触效率。在常规的措施中，具有润湿反转、乳化降黏、洗油等性能。室内实验考察了纳米微片与目标油田的配伍性、界面特性、降黏-乳化性能以及驱替性能；通过微观驱油实验，评价了纳米体系的驱油效果，分析其在海上油田应用的可行性，为海上稠油高效开发开采提供新思路[8-10]。

1 实验部分

1.1 实验材料

渤海油田稠油油样，黏度为400 mPa·s（油藏温度52 ℃）；渤海某油田地层模拟水（矿化度9 200 mg/L），纳米微片（片状黑色纳米材料，几何尺寸60 nm×80 nm×1.2 nm）。

1.2 实验设备

DV2T 黏度计，TW20 恒温水浴，动静态光散射仪，接触角测试仪，ISCO 流量泵；活塞式中间容器（0.2～1 L，工作压力≤32 MPa），压力传感器，30 cm×2.5 cm填砂管（工作压力≤32 MPa）。

1.3 实验内容

1.3.1 纳米微片静态性能评价 利用模拟地层水配制不同浓度的纳米微片溶液，采用动静态光散射仪测试其不同老化时间条件下的粒径大小；利用接触角测试仪测试其在油湿界面的润湿性能；将配制的溶液与原油配制不同含油率的油水混合样，通过黏度计等测试其乳化降黏性能。

1.3.2 纳米微片驱油性能评价 采用填砂管物理模拟模型为驱替岩心模型，将经过处理后的填砂管模型抽真空后饱和模拟水、模拟油。利用恒速驱替泵开展水驱实验，直至出口端采出液的含水率达到98%停止注入；按照设计的参数，注入纳米微片溶液后；后续水驱至含水率98%停止实验，计算最终的驱油采收率，研究纳米微片的驱油效果。

2 结果与讨论

2.1 纳米微片的静态性能评价

2.1.1 分散性能测试 选用纳米微片不同浓度的溶液（浓度0.005%、0.010%、0.015%、0.020%）进行分散性能测试，利用动静态光散射仪测试其在不同浓度、静置不同时间后的粒径分布，见图1。

图1 不同浓度的纳米微片在不同时间的分散粒径分布Fig.1 Dispersed particle size distribution of nanosheets with different concentrations at different times

从图1 可以看出，随着静置时间的推移，溶液中的粒径并未出现大幅度的上升，未出现明显的聚集，表明体系在溶液中分散性及稳定性较好。

2.1.2 界面性能测试 将纳米微片注入到经过油湿预处理的毛细管中，观察注入前、后油水界面的变化，分析纳米材料对油水界面的影响，实验结果见图2。由图2 可以看出，纳米微片的注入，毛细管表面由油湿界面逐渐向水湿界面改变。

图2 纳米微片对油水界面的影响Fig.2 Influence of nanosheets on oil and water interface

为进一步说明纳米微片具备改变油水界面性质的特性，进行了接触角的性能测试。将纳米微片溶液滴在经过油湿处理的玻璃薄片上，利用接触角测定仪测试纳米微片溶液在油湿玻璃薄片上接触角的变化；同时测试了在油-水-固条件下，油滴悬浮在纳米溶液中，在油湿界面上的变化，实验结果见图3、图4。

图3 纳米微片润湿性实验Fig.3 Wettability experiment of nanosheets

图4 纳米微片液-固-液接触角测试Fig.4 Liquid-solid-liquid contact angle test of nanosheets

图3 为液固接触角的测试，可以看出，初始接触角为92.67°，表现为油湿界面；随着老化时间的推移，接触角变为34.92°，变为水湿界面。

图4 为油-水-固的三相界面接触角测试，随着老化时间的推移，油滴与玻璃表面的接触角逐渐变小。可以看出，纳米微片在油水界面聚集，会不断的渗透进油滴与岩石的界面中，改变岩石表面的润湿性，将油滴慢慢的从固体表面剥离。

2.1.3 乳化降黏性能测试 将不同浓度的纳米微片溶液与脱水原油（初始黏度400 mPa·s）配制成不同含油率的油水体系，在52 ℃下恒温30 min，玻璃棒搅拌1 min，测定其在52 ℃下的黏度，实验结果见图5。

图5 不同条件下的纳米微片降黏率Fig.5 Viscosity reduction rate of nanosheets under different conditions

随着纳米微片浓度的增加，降黏率越高，溶液中的含油量越低，降黏率越高；当纳米微片的浓度大于0.005%时，不同含油率的条件下，降黏率均能达到90%以上，具有较好的降黏性能。

将0.005%的纳米微片溶液与脱水原油（初始黏度400 mPa·s）配制成不同含油率的油水体系，置于离心管中，在52 ℃下恒温30 min 后，手动振荡100 次后，记录其破乳的时间，实验结果见图6。

图6 不同油水比的破乳效率Fig.6 Demulsification efficiency of different oil water ratios

由图6 可以看出，含油量越少，乳化效果越好，破乳所需时间越长；静置15 min 后，油水混合液的破乳率均达到85%以上。当纳米微片体系与原油接触后，其较强的乳化能力、分散能力会与原油形成纳米级的乳状液分散在溶液中，在初期的微动力条件下形成稳定的乳状液；但纳米颗粒会在静置后从油水界面中不断的脱离，其形成的乳状液会不断破乳分层。

2.2 驱油效果评价

选取0.005%的纳米微片及黏度不同的原油进行岩心动态驱替实验，考察纳米微片在不同渗透率下的驱油效果，实验结果见表1。

表1 不同条件下纳米微片的驱油效果Tab.1 Oil displacement effects of nanosheets under different conditions

由表1 可以看出，随着渗透率的升高，纳米微片的提高采收率幅度逐渐下降；与高渗透率的岩心相比，低渗透率的岩心具有更高的比表面积，在低渗透率的岩心中，纳米微片与原油具有更长的接触时间，有效的发挥其楔形渗透作用，不断的进入原油与岩石的界面，将原油从岩石表面剥离，有效提高原油采收率。

2.3 纳米微片微观可视化驱油机理

为了表征纳米微片在孔隙中的作用机理，对渗透率为2 500 mD 的微观模型，以25 μL/min 的注入速率注入质量分数为0.005%的纳米微片，实验结果见图7、图8。

图7 纳米微片的微观驱油效果Fig.7 Microscopic oil displacement effect of nanosheets

图8 纳米微片的微观驱油机理Fig.8 Microscopic oil displacement mechanism of nanosheets

从图7 可以看出，水驱后注入纳米微片体系可以有效的动用水驱未动用的剩余油，较水驱提高采收率约为12%。从图8a 可以看出，在纳米驱油体系注入岩心后，在水驱未动用的部分，油滴会随着体系的流动而逐渐的聚并，形成油墙，逐渐被驱替出来。放大局部水驱驱替通道。从图8b 可以看出，较大油滴在纳米颗粒的作用下，会分散成小油滴，通过较小的孔道被驱替出来。

通过纳米体系的界面特性与微观驱油实验研究可以看出：纳米微片体系改变了岩石表面的润湿性，从油湿界面变为水湿界面，使得油膜在驱动力的作用下更易脱离岩石表面；纳米颗粒会逐渐渗透至油与岩石的接触表面，从而形成一个楔形渗透的区域，在驱动液的作用下，纳米流体会沿着岩石表面楔形区域扩散，降低油与岩石表面的作用力，从而从岩石表面脱落。

3 结论

纳米微片是一种几何尺寸60 nm×80 nm×1.2 nm的黑色片状驱油体系，其具有良好的分散性能，在30 d的老化实验中，溶液中的颗粒未发生明显的聚集，分散性能较好。

通过对其界面性能分析，其具有较强的亲油-亲水特性，可以有效的改变界面的润湿性能，降低岩石孔隙的毛管阻力，使得原油在岩石表面附着力降低，更易被驱替出来。

该纳米微片在水相中分散较为稳定，具有较好的较强的油水界面性能，可以有效的降低原油的黏度，其15 min 的破乳率达到85%以上，完全满足作业现场产出处理需求。

岩心驱替实验表明，低渗较高渗条件更有利于纳米微片的功能发挥，在1 000 mD 的油藏条件下，0.005%的纳米微片可以在水驱基础上提高采收率12.58%。