非常规气藏对新型纳米排驱剂的吸附实验研究_杨笑.pdf

收稿日期 基金项目非常规油气省部共建协同创新中心（长江大学）开放基金项目“页岩气藏水相自吸微裂缝发育与水锁损害机理研究”（）。第一作者杨笑（），男，硕士，现主要从事油藏出水规律分析及优势通道识别方面的研究工作，。杨笑，雷奕，王润平，等 非常规气藏对新型纳米排驱剂的吸附实验研究 长江大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：非常规气藏对新型纳米排驱剂的吸附实验研究杨笑，雷奕，王润平，汪杰，张丽华 中石化江汉石油工程公司，湖北 武汉 中国石油集团渤海钻探工程有限公司第四钻井工程分公司，河北 沧州 长江大学石油工程学院，湖北 武汉 中国石油华北油田分公司勘探开发研究院，河北 任丘 摘要纳米排驱剂能够有效提高非常规气藏压裂液渗吸后的返排效率，提高裂缝表面气体渗透率，增大采气量，避免出现“液相圈闭”。而纳米排驱剂在岩石颗粒表面作用的长效性和向地层深部的运移能力决定了其能否有效发挥作用。研发了一种新型的纳米排驱剂 ，并对纳米排驱剂的性能进行实验研究。由于纳米颗粒对紫外可见吸收光谱的吸收作用，利用紫外分光光度计对纳米排驱剂在不同类型岩粉条件下设计的动静态吸附实验，对纳米排驱剂的作用长效性和深部运移能力进行定量和定性评价。结果表明：页岩、煤岩、碳酸盐岩、砂岩对新型纳米排驱剂均具有较好的吸附效果，吸附效果强弱依次为页岩煤岩碳酸盐岩砂岩；静态吸附实验中岩粉目数越大，吸附速率越快、吸附量越大；动态吸附实验中的陶粒支撑剂对化学剂的吸附量较低，不会影响化学剂向裂缝深部运移的有效含量，达到动态吸附平衡的注入量为，当注入量继续上升时岩粉对化学剂仍具有较强的吸附能力，从而达到化学剂随注入液向裂缝深部运移、改善地层深部开发的效果。结果对非常规气藏压裂开采具有重要指导意义。关键词非常规气藏；纳米排驱剂；吸附性能；吸光度 中图分类号 文献标志码 文章编号 （），：，“”，；，；，：；长江大学学报（自然科学版）年 第 卷 第期 （），DOI:10.16772/ki.1673-1409.20230301.006全球非常规与常规油气资源的比例接近，随着油气勘探开发技术的快速发展，非常规油气在现有经济技术条件下展示出巨大的潜力。美国“页岩气革命”极大地促进了非常规油气勘探开发技术的进步，并得到了广泛应用，但是，如何科学高效开发非常规油气藏还存在理论和技术上的诸多问题需要解决。水平井分段压裂技术作为目前最重要的低渗透气藏增产措施之一，近年来广受关注。然而，压裂过程中大量压裂液进入低渗透储层中返排不及时或生产过程中边底水入侵等，储层会产生大量外来水相滞留，形成“液相圈闭”影响气井产能，又称“水锁损害”。为此，研究人员研制出专为非常规气藏定制的增产液体技术，即纳米排驱剂增产技术，并在低渗储层中的应用已得到了良好的效果和认可。纳米排驱剂在一定的质量分数下能降低地层岩石与外来流体的表界面张力，提高液体与岩石的接触角，从而降低毛细管力，易于液体高效返排，减少油气层伤害；另一方面，纳米排驱剂由于尺寸较小，能有效进入岩石微小孔隙，提高増产液与地层的接触效率，降低储层的水锁效应，提高油气井压裂增产效果 。因此，纳米排驱剂在岩石颗粒表面是否具有吸附性能，是考察纳米排驱剂作用效果长久性的因素之一。由于溶液中的纳米颗粒对紫外可见吸收光谱具有一定的吸收作用，溶液的吸光度会随着纳米排驱剂质量分数的改变而改变，可使用紫外分光光度计对纳米排驱剂在岩粉表面的静态和动态吸附性能进行定量和定性评价 。笔者以纳米排驱剂对岩粉的动静态吸附实验为基础，研究了非常规气藏中页岩、煤岩、砂岩、碳酸盐岩这种岩粉对 新型纳米排驱剂的动静态吸附性能，对不同岩粉的吸附效果、吸附平衡时间、吸附量及注入 数等进行评价，得出的动静态吸附变化规律具有理论意义和现场指导作用。实验设计 试剂及仪器 试剂图不同目数岩粉准备（以页岩为例）（）新型纳米排驱剂制备所需的两种试剂：环己烷；聚氧乙烯醚类表面活性剂。）实验共准备了页岩、砂岩、煤岩、碳酸盐岩种岩心和 目的陶粒支撑剂，将洗油过后的岩心通过粉碎机压碎、研磨，然后将岩粉倒入振动筛最上层，振动筛由 目数的标准分析筛组成，通过振荡振动筛 ，充分分离不同目数的岩粉颗粒，将岩粉放入 烘箱中干燥 至完 全干 燥，最 终 获得 目、目、目这种目数的岩粉，如图所示。仪器 型全自动表 界面张力仪，激光纳米粒度分析仪，紫外可见分光光度计。实验方法 新型纳米排驱剂的合成及性能测试采用微乳液法合成 新型纳米排驱剂，合成步骤主要包括以下两步：分别取质量分数为 的环己烷、的聚氧乙烯醚类表活剂、的水，进行初步混合；将上述混合物溶液放置在超声振动器中，振动频率设置为 ，充分震荡 ，最后形成水包油相溶液。新型纳米排驱剂属纯物质聚氧乙烯醚类、连续相为水、分散相为环己烷，密度为 ，显中性，黏度为 ，颜色为果绿色，可与水任意比例混合。激光纳米粒度分析仪对纳米排驱剂的尺寸及分布测试结果如图所示，溶液为纳米尺寸分布，典型的尺寸大小约为 ，分子粒径较小，利于进入致密岩心孔喉中，具有应用于致密油气的潜质。第 卷 第期杨笑 等：非常规气藏对新型纳米排驱剂的吸附实验研究图纳米排驱剂粒径及分布情况 通 过 分 光 光 度 计 测 量 不 同 质 量 分 数 纳米溶液对应的信号强度并绘制曲线，如图所示，随着纳米溶液质量分数的增加，激光信号强度逐渐增强，实验采用质量分数为 的纳米溶液，对应的吸光度为 。同时采用全自动表界面张力仪测得“空气 蒸馏水”的表面张力为 ，当蒸馏水中纳米排驱剂质量分数为 时，溶液表面张力降低至 ，降低幅度达到 ，表明 的 纳米溶液具有显著降低“空气水”表面张图 标准质量分数测定曲线 力的效果。合成后的新型纳米排驱剂 主要优点包括：能够显著降低溶液的界面张力、将固相表面的润湿性由液相润湿转变为气相润湿；同时具有纳米级粒径，在固相表面具有较低的吸附量，可进入致密储层深部进行润湿改性。静态吸附实验分别称取份的 目、目、目的页岩岩粉装入容器内，称取质量分数为 纳米排驱剂溶液 与之充分混合，在室温环境下浸泡，在 、时，分别取上层清液测量吸光度，并计算单位质量岩粉在不同时刻的纳米溶液吸附量，吸附量计算公式如下：（）式中：为吸附量，；为溶液质量，；为吸附前溶液质量分数，；为吸附后溶液质量分数，；为吸附前溶液吸光度，；为吸附后溶液吸光度，；为吸附剂干重质量，。对比分析不同时间、不同岩粉对化学剂的静态吸附性能。动态吸附实验将干燥后的页岩岩粉与陶粒支撑剂分别按照质量分数 、比例进行配比，并混配均匀。将 混配均匀的岩粉和陶粒支撑剂混合物装入填砂管中，用木棒轻敲填砂管，使其充填得更严实。实验开始前关闭填砂管出液口，使用移液器将配制好的 纳米溶液从填砂管上端注入，待填砂管内岩粉被溶液完全浸泡时，量取注入溶液体积用于计算填砂管孔隙体积。打开填砂管出液口，分别取 出口溶液，使用分光光度计测定不同 数的吸光度，分析不同 数、不同岩粉、不同岩粉配比对化学剂的动态吸附性能的影响。砂岩、碳酸盐岩和煤岩动态吸附实验步骤与页岩一致。实验结果与讨论 静态吸附实验结果静态吸附实验反映了纳米排驱剂与储层岩石静态接触时在其表面的吸附能力，进而判断储层岩石对纳米排驱剂是否有较好的吸附性和长效性。长江大学学报（自然科学版）年月 浸泡时间不同目数的页岩、砂岩、煤岩、碳酸盐岩种岩粉在 纳米溶液中浸泡一定时间后，测得上层清液获得的吸光度如图所示。图不同岩样静态吸附实验结果 由图可知，种岩粉随着浸泡时间的增加，溶液吸光度都会逐渐减小并最终达到稳定，说明岩粉吸附化学剂后有较好的稳定性和持久性，能够保持化学剂长效发挥作用；溶液信号强度在 时信号保持大幅度下降，说明在该期间岩粉对化学剂大量吸附。不同目数岩粉由于不同目数的岩粉，颗粒大小和颗粒间堆积的孔隙体积不同，目数越大，单位体积内对应的颗粒数越多，单一颗粒比表面积也越大，对应的吸附速率和吸附量之间存在差异。如图可知，在 时，种岩粉还未吸附稳定，吸光度减小程度与目数成正比，相同时间内吸光度越小说明岩粉对排驱剂的吸附速率越快；种岩粉静态吸附稳定后，种目数的岩粉最终吸光度与目数成反比，吸光度越小说明岩粉对排驱剂的吸附量越多；从不同目数的岩粉对排驱剂的吸附速率和吸附量来看，吸附效果由好至差依次为 目 目 目。不同种类岩粉取 目数的种岩粉的吸光度值绘制成曲线，如图（）所示，岩粉吸附稳定后，砂岩吸光度最大，碳酸盐岩和煤岩其次，页岩最小，吸光度越小表明岩粉对排驱剂吸附效果越强；种岩粉随时间变化的单位质量吸附量和吸附速率绘制成曲线，如图（）和图（）所示。由图（）可知，页岩吸附量最大，其次是煤岩和碳酸盐岩，砂岩吸附量最小。结果表明岩粉吸附化学剂效果最好的为页岩，其次为煤岩和碳酸盐岩，吸附效果最次为砂岩。由图（）可知，种岩粉的吸附速率曲线规律基本一致。开始时，岩粉吸附速率最大，随后在间吸附速率急剧减小；在 间，岩粉吸附速率缓慢减小并逐渐趋近于；浸泡时间大于，岩粉吸附速率基本为，吸附状态保持稳定。动态吸附实验结果动态吸附实验反映出化学剂注入地层时，储层岩石对纳米排驱剂流动过程中动态接触的吸附效果，这会影响纳米化学剂向裂缝深部的运移能力和改善地层深部开发的效果。以下将从注入 数、岩粉陶第 卷 第期杨笑 等：非常规气藏对新型纳米排驱剂的吸附实验研究粒配比、不同种类岩粉个方面分析对动态吸附结果的影响。图不同种类岩粉吸光度、吸附量、吸附速度与浸泡时间的关系 ，注入 数表不同岩心出口溶液吸光度与注入 数的关系 （）数吸光度 页岩砂岩煤岩碳酸盐岩 当纳米排驱剂经过填砂管初期时，会在充填物上产生吸附，从而降低出口端溶液中纳米排驱剂质量分数，溶液对应的吸光度也会发生改变，通过测试不同注入 数对应的溶液吸光度，评价纳米排驱剂在支撑剂与岩石表面的动态吸附性能，判断达到动态吸附平衡时对应的注入 数。页岩、砂岩、煤岩、碳酸盐岩种不同岩粉和支撑剂按照不同质量配比均匀混拌后，测定的出口溶液吸光度与注入 数之间的关系曲线如表所示。页岩与煤岩的动态吸附规律一致，随着 数增加吸光度增长，且幅度较小；砂岩与碳酸盐岩的动态吸附规律一致，随着 数增加，吸光度减小且幅度较大；最终种岩粉吸光度都趋于稳定，其中页岩吸光度最小，砂岩吸光度最大。岩粉陶粒配比陶粒支撑剂对化学剂吸附量会影响化学剂向裂缝深部运移的有效含量，不同岩样配比吸光度与 数的关系如图所示。对于页岩和煤岩，岩粉陶粒配比越大，吸光度越小，吸附效果越好。对于砂岩和碳酸盐岩，岩粉陶粒配比越小，吸光度越小，吸附效果越好。岩粉与陶粒配比的动态吸附平衡时的 数要小于配比为时的 数，表明岩粉与陶粒配比小时，充填物动态吸附纳米溶液会更快达到平衡状态，说明支撑剂对化学剂的吸附量较低，不会影响化学剂向裂缝深部运移的有效含量。不同种类岩粉取岩粉与陶粒配比为的页岩、砂岩、煤岩、碳酸盐岩种岩粉的吸光度绘制与注入 数的关系曲线，如图所示。随着注入 数的增加，页岩和煤岩吸光度缓慢增长并达到稳定，砂岩和碳酸长江大学学报（自然科学版）年月图不同岩样吸光度与 数的关系曲线 图不同岩粉吸光度与 数关系曲线 盐岩吸光度逐渐降低并达到稳定。动态吸附稳定后，吸光度由小到大依次为页岩、煤岩、碳酸盐岩、砂岩，表明岩粉动态吸附化学剂效果最好的为页岩，其次为煤岩和碳酸盐岩，最次为砂岩。在注入 时，岩粉动态吸附导致溶液吸光度的变化较为明显；在注入 时，岩粉基本达到动态吸附平衡；在注入 时，溶液保持动态吸附平衡状态；大于 时，溶液吸光度仍明显小于标准 纳米溶液，表明此时岩粉对排驱剂仍具有较强的吸附能力，证明了岩粉对纳米排驱剂溶液动态吸附的长效性和排驱剂能够随注入液向裂缝深部的运移能力，进而达到地层深部改善的效果。结论）纳米溶液主要粒径尺寸为 ，小分子尺寸更利于进入致密岩心孔喉中，具有应用于致密油气的潜质；相对于水而言，纳米排驱剂质量分数为 时，溶液表面张力降低幅度达到 ，具有显著降低“空气水”表面张力值的效果。）静态吸附实验中，吸附平衡时间为 ，岩粉目数越大，对应的颗粒数越多，单一颗粒比表面积越大，对应的吸附速率越快、吸附量越大；页岩、煤岩、碳酸盐岩、砂岩四种岩粉对纳米化学溶液均具有较好的吸附效果和长效性，其中页岩对纳米溶液吸附效果最强。）动态吸附与静态吸附实验结果保持一致，岩粉动态吸附效果依次为页岩煤岩碳酸盐岩砂岩；陶粒占有量多时，充填物吸附纳米溶液会更快达到平衡状态，表明陶粒支撑剂对化学剂的吸附量较第 卷 第期杨笑 等：非常规气藏对新型纳米排驱剂的吸附实验研究低，不会影响化学剂向裂缝深部运移的有效含量；同时充填物在注入 纳米溶液时能够达到动态吸附平衡，注入到 时岩粉对化学剂仍然具有较强的吸附能力，可实现化学剂随注入液向地层深部运移，达到地层深部改善的效果。参考文献：邹才能，陶士振，杨智，等中国非常规油气勘探与研究新进展 矿物岩石地球化学通报，（）：，（）：姚军，孙海，黄朝琴，等 页岩气藏开发中的关键力学问题 中国科学：物理学 力学 天文学，（）：，：，（）：贾承造，郑民，张永峰 中国非常规油气资源与勘探开发前景 石油勘探与开发，（）：，（）：杨浩，李新发，陈鑫，等 低渗透气藏水平井分段压裂分段优化方法研究 特种油气藏，（）：，（）：蒲春生，郑恒，杨兆平，等 水平井分段体积压裂复杂裂缝形成机制研究现状与发展趋势 石油学报，（）：，（）：杨旭，李皋，孟英峰，等低渗透气藏水锁损害定量评价模型 石油钻探技术，（）：，（）：赵秋实，王倩，郑丽娜非常规气藏纳米微乳助剂增产技术研究与应用 年全国天然气学术年会 福州，：，：任晓娟，王睿，潘谦宏，等 纳米驱油剂在增注驱油中的作用 油田化学，（）：，（）：张居和，张琨，司万霞致密砂砾岩储层纳米吸附气实验分析技术及其应用 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