石油储层微孔道的纳米减阻技术是一种降低油田注水压力的新技术,其对于确保和提高油田注水量、进而提高低渗油田原油采收率具有十分重要的意义。尽管室内实验和现场试验结果都表明这种技术可以取得显著的减阻效果,但由于内在机制尚不清楚,使得这项技术的发展和应用受到了严重的制约。本文在此背景下,结合微流动方面的研究成果,针对石油储层微孔道结构的特点,提出了基于纳米滑移效应的减阻机理,并对其进行了较系统的实验验证。具体工作包括:
1)提出了以纳米滑移效应为核心的石油储层微孔道纳米减阻机理。纳米颗粒与水分子发生竞争吸附,取代水化层在储层微孔道壁面形成强吸附层。该吸附层具有纳米结构和超疏水特性,当水流从纳米层表面流过时,产生了纳米滑移效应,使流道的有效直径超过实际直径,从而使流量提高、流动阻力下降。
2)根据滑移长度的定义和多孔介质的基本渗流定律,建立了纳米颗粒吸附多孔介质的水流滑移模型,给出了滑移长度和渗透率之间的数学关系。该模型将宏观效应和微观特征联系起来,为纳米减阻机理提供了理论依据。
3)基于对储层微孔道特性和纳米颗粒表面特性的研究结果,分析了疏水纳米颗粒在地层微孔道中的微观受力特征,归纳和推导了纳米颗粒与孔壁的各种微观作用能公式,并进行了数值计算。计算结果表明,静电引力作用是纳米颗粒克服疏水阻力作用的主要因素,多氢键作用是颗粒牢固吸附在储层微孔道壁面的关键。这一结果为纳米颗粒取代水化层形成纳米颗粒强吸附层提供了理论依据。
4)采用岩心吸附和SEM扫描相结合的方法,观测了纳米颗粒在岩心表面的吸附特征和分布状态。结果表明,纳米SiO2颗粒比TiO2、ZnO颗粒与岩石表面的吸附力更强;颗粒在岩心表面的吸附特征受水膜的影响较小,但储层微孔道壁面的粗糙度对吸附特征有较大影响,粗糙度越大,纳米颗粒吸附层的厚度越大。
5)利用岩心吸附法和纳米粉体压片法构建了微纳米结构表面,测试了这些表面的接触角和滚动角,采用SEM观测了表面的微观结构。结果表明,这些表面具有微纳米复合结构,其润湿性由强亲水变为超疏水,这说明疏水纳米颗粒的吸附使岩石表面具有了超疏水特性。通过数值计算分析了影响发生去水湿现象的一些规律,揭示了岩石润湿性变化的机制。
6)基于纳米滑移效应的减阻机理开发了多种纳米增注剂样品,通过岩心流动实验评价了这些样品的减阻效果。结果表明,2种修饰剂改性的纳米SiO2和两种粒径的ShU2样品均具有明显的减阻效果,水相渗透率平均增幅达24%～59%。
7)模拟地层温度和压力条件,通过岩心流动实验对不同预处理工艺、以及纳米液注入量、纳米液浓度和关井时间等参数进行了优化,确定了矿场试验技术参数,制定了选井原则。设计了3口井的试验方案,开展了2口注水井的纳米减阻矿场试验。试验结果显示,保持注水量不变,注水压力平均降幅为4～12.5MPa。
8)在模拟纳米颗粒吸附毛细管内水的流动特性的基础上,采用LBM模拟了纳米液驱替岩心流动实验结果,反演了纳米颗粒吸附引起的实验岩心微孔道壁面的滑移长度。
