石油储层微孔道纳米减阻机理研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 问题提出的背景与研究意义
• 1.2 微流动研究现状
• 1.2.1 微流动研究概况
• 1.2.2 微流动的特征与影响因素
• 1.2.3 微流动实验的差异
• 1.2.4 微流动的滑移减阻现象
• 1.2.5 微纳米结构表面的滑移效应
• 1.2.6 表面结构与润湿性的关系
• 1.2.7 微流动数值模拟研究现状
• 1.3 石油储层微孔道的流体流动特征与降阻技术研究现状
• 1.3.1 石油储层简介
• 1.3.2 储层微孔道的结构和平面特征
• 1.3.3 储层微孔道的流体流动特征
• 1.3.4 低渗透储层的减阻增注技术研究现状
• 1.3.5 纳米减阻增注技术及机理研究现状
• 1.4 本文开展的主要工作
• 第二章 石油储层微孔道纳米滑移效应的减阻机理
• 2.1 引言
• 2.2 纳米效应的滑移理论
• 2.2.1 纳米效应的滑移理论概述
• 2.2.2 纳米颗粒分布表面的滑移长度
• 2.2.3 气固复合表面的滑移长度
• 2.2.4 纳米颗粒吸附复合表面的滑移长度
• 2.3 疏水纳米颗粒吸附对单管道微流动特征的影响
• 2.3.1 疏水纳米颗粒吸附微管道的滑移模型
• 2.3.2 纳米颗粒吸附微管道（毛细管）流动实验及滑移长度分析
• 2.4 石油储层微孔道的水流滑移模型
• 2.4.1 储层微孔道的气体滑移模型
• 2.4.2 储层微孔道的水流滑移模型
• 2.4.3 纳米颗粒吸附储层微孔道的水流滑移模型
• 2.5 纳米颗粒吸附法减阻技术的作用机理
• 2.6 本章小结
• 第三章 纳米颗粒在石油储层微孔道中的受力特征
• 3.1 石油储层微孔道的表面特征
• 3.1.1 储层与微孔道壁面的矿物组成
• 3.1.2 储层微孔道的三维结构特征
• 3.1.3 储层水分析
• 3.1.4 储层微孔道壁面的电性特征
• 3.1.5 储层微孔道壁面的润湿性
• 3.2 增注型纳米颗粒的微观特征
• 2颗粒的表面活性'>3.2.1 纳米SiO₂颗粒的表面活性
• 2颗粒的微观结构'>3.2.2 疏水纳米SiO₂颗粒的微观结构
• 2的活度'>3.2.3 疏水纳米SiO₂的活度
• 2的表面电性'>3.2.4 疏水纳米SiO₂的表面电性
• 2的表面基团分析'>3.2.5 疏水纳米SiO₂的表面基团分析
• 2的分散稳定性'>3.2.6 疏水纳米SiO₂的分散稳定性
• 3.3 储层微孔道内纳米颗粒的受力特征
• 3.3.1 流动状态下的受力
• 3.3.2 静置状态下的受力
• 3.4 水分子与储层微孔道壁面的吸附机制
• 3.4.1 储层微孔道壁面的水化层
• 3.4.2 储层微孔道壁面水化层厚度
• 3.4.3 水分子间的范氏作用能
• 3.4.4 水分子与储层微孔道壁面的长程作用能
• 3.5 纳米颗粒与储层微孔道壁面的作用能
• 3.5.1 纳米颗粒与储层微孔道壁面的静电作用能
• 3.5.2 纳米颗粒与储层微孔道壁面的范氏引力作用
• 3.5.3 纳米颗粒与储层微孔道壁面的多氢键作用
• 3.5.4 纳米颗粒与储层微孔道壁面的总作用能
• 3.6 水化层的疏水阻力作用
• 3.6.1 水化层的疏水阻力作用能计算模型
• 3.6.2 水化层的疏水阻力作用能计算分析
• 3.7 纳米颗粒受力的影响因素分析
• 3.8 本章小结
• 第四章 储层微孔道中纳米颗粒与水的竞争吸附机制
• 4.1 引言
• 4.2 纳米颗粒与水的竞争吸附机制
• 4.2.1 竞争吸附机理
• 4.2.2 竞争吸附过程描述
• 4.3 纳米颗粒在岩心薄片表面吸附特征的实验研究
• 4.3.1 实验研究内容
• 4.3.2 实验研究方法
• 4.3.3 实验结果与分析
• 4.4 流动法模拟研究纳米颗粒在微孔道壁面的吸附与分布特征
• 4.4.1 实验内容与方法
• 4.4.2 实验结果与分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 纳米颗粒吸附微孔道壁面的润湿性变化机制
• 5.1 引言
• 5.2 超疏水表面的构建
• 5.2.1 实验方法与仪器
• 5.2.2 疏水纳米材料的活度
• 5.2.3 粉体压片制备
• 5.2.4 吸附法构建微纳米结构表面
• 5.3 润湿性测试分析
• 5.3.1 接触角测试
• 5.3.2 接触角测试结果
• 5.3.3 粉体压片表面的微观结构
• 5.3.4 实验小结
• 5.4 吸附纳米颗粒的岩心薄片表面的润湿性测试
• 5.4.1 在纳米ShU1-1油液中吸附的岩心薄片表面的润湿性
• 5.4.2 纳米ShU2-1油液沾吸的岩心薄片表面的润湿性
• 5.4.3 在纳米ShU2水液中随机吸附的岩心薄片表面的润湿性
• 5.4.4 吸附纳米颗粒的岩心薄片表面的结构与表面接触角
• 5.4.5 实验小结
• 5.5 纳米颗粒吸附对储层微孔道表面润湿性变化的影响
• 5.5.1 润湿性评价标准的转换
• 5.5.2 纳米颗粒吸附对岩心润湿性的影响
• 5.5.3 纳米颗粒吸附参数对岩心润湿性的影响规律
• 5.6 纳米颗粒吸附改变岩心表面润湿性的机理研究
• 5.6.1 非光滑表面的润湿性理论
• 5.6.2 吸附纳米颗粒的岩心薄片表面的去水湿研究
• 5.6.3 表面润湿性变化机制
• 5.6.4 数值分析
• 5.7 本章小结
• 第六章 石油储层微孔道纳米减阻技术室内实验和矿场试验
• 6.1 储层微孔道纳米减阻效果的实验研究
• 6.1.1 实验仪器及样品
• 6.1.2 实验内容及方法
• 6.1.3 纳米液减阻实验及结果
• 6.1.4 实验现象分析与讨论
• 6.1.5 减阻实验效果的LBM模拟
• 6.2 纳米减阻技术工艺参数优化
• 6.2.1 纳米剂浓度对减阻效果的影响
• 6.2.2 纳米液驱替量对减阻效果的影响
• 6.2.3 驱替液对减阻效果的影响
• 6.2.4 孔壁吸附纳米颗粒的耐冲刷能力评价
• 6.2.5 不同预处理工艺对纳米减阻效果的影响
• 6.3 纳米减阻技术矿场试验研究
• 6.3.1 矿场试验工艺技术
• 6.3.2 矿场试验方案设计及试验过程
• 6.3.3 矿场试验效果及评价
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 附录
• 参考文献
• 攻读博士学位期间承担的科研工作与主要成果
• 致谢