NPS系列低渗油田纳米聚硅减阻增注材料

1.简介

随着我国经济的高速发展，对能源的需求急剧增长。石油作为一种不可替代的基础能源，在国民经济中的重要战略地位日显突出。早在10年前，我国就已成为石油进口国，此后原油进口量逐年增大，目前已由1996年的2622万吨增加到2007年的1.6亿多吨；08年第一季度进口量比去年同期增加15%，并且由于世界油价飚涨，用于原油进口费用同比增加了90%以上。我国油气后备资源严重不足，出于战略安全考虑，加强采油新技术的开发，在现有油气资源储量的基础上提高采收率是科技人员的主要努力方向。

在近期探明储量和累积探明未动用储量中，低渗透储量所占比例高达65%～70%。低渗透油藏的开采是一世界性难题，目前以注水为主要开采方式。低渗透油藏岩石埋藏致密，孔隙喉道细小,渗透性很差，油井一次采收率很低。据对全国15个低渗透油田计算，依靠天然能量开采最终采收率约为17%，而水驱开发最终采收率可达26.9%，可见注水保持压力是低渗透油田的主要开采方式。

对于注水开发油田来说，注采平衡是油田稳产的基础。但是，随着注水时间的延长，近井地带岩隙表面水化膨胀，堵塞喉道，从而使注水压力升高，甚至发展到注不进水的地步。这就要求注水开发时采取相应措施。现在多数油田采用提高注水压力来增加注水量，使注水压力越来越高，但注水压力不能超过设备和油藏的承受能力，因此仅靠提高注水压力来增加注水量不能从根本上解决问题，而且也给安全生产带来了隐患。目前，常规采用的减阻增注方法是对注水井实行酸化作业。目的是去除近井地带的污染和岩隙表面的膨化层，起到降压增注的效果。但这种方法有效期短（很多不超过3个月），作业频繁，在低渗透油藏使用效果差，成本高。

2000年，俄罗斯工程技术人员将一种称为泡雷西尔的减阻增注材料带到中国，并与胜利油田东胜公司合作施工12口井，有效率75%，有显著效果的42%。据介绍该产品是一种采用专门工艺生产的航空硅，而且它是利用γ射线激活的添加剂进行了化学改性的物质。其颗粒粒径约为5-100nm，粒径颁布较宽。生产成本高，价格昂贵，且选井条件苛刻，适用范围窄（渗透率30×10-3μm2以上）。

2002年以来河南省纳米材料工程技术研究中心（河南大学）采用原位表面修饰技术合成了超疏水性纳米聚硅材料，颗粒粒径10-20nm，分布均匀，有良好的油溶性，命名为NPS-1型纳米降压增注剂。河南大学拥有自主知识产权。

河南省纳米材料工程技术研究中心与胜利油田合作系统地研究了纳米聚硅微粒在低渗透油藏岩石表面的吸附行为和它们的相互作用，提出了降压增注机理。在油田采油现场的应用情况表明，NPS-1型纳米聚硅增注剂能够起到明显的降压增注作用，有效率高于85%。该项成果2005年元月通过了河南省科技厅成果鉴定，并实现了工业化生产。此后又推出了第二代NPS-Z型纳米降压增注剂产品，在胜利油田、江苏油田、大庆油田及新疆油田等地施工200余口井，有效率达90%以上，有效期大于6个月（一般6-24个月），增注效果显著。该产品不但适用于低渗油田，还成功用于渗透率＜1×10-3μm2的超低渗油田，效果显著，显示了无可替代的优势。

2．产品性能

纳米聚硅材料是一种以二氧化硅为主要成分的无定型白色粉末状纳米化合物，采用原位表面改性技术合成。方法是将可与岩隙表面强作用的基团（钉扎基团）和疏水基团修饰于纳米聚硅微粒的表面，制备有良好吸附性能的超疏水性纳米材料，使其牢固地钉扎在岩隙喉道的表面形成超疏水层，从而达到减小水流阻力、增加注水量的目的。同时还可有效阻止注入水对岩石浸湿和水垢附着，起到防止粘土膨胀、保持喉道畅通的作用。

产品无毒、无味、无污染，具有好的物理和化学稳定性，而且可稳定分散在多种有机介质中，具有超疏水亲油性。主要性能列于下表：
项目

NPS-1

NPS-ZY 表观密度gml〈

0.1

0.08 分散性（CCl4）%

80

90 接触角°

160

170 pH值

6.5-7.0

6.5-7.0
下图是俄罗斯的泡雷希尔材料和NPS系列产品的电镜照片。可以看出NPS系列纳米聚硅微粒离散性好，粒径分布较均匀。

此系列产品结构和性能可调，可根据不同的地质条件调整其极性大小及与地质成分相匹配，根据岩隙的孔道半径来调整纳米微粒的大小及分散度，从而使其应用范围扩大。

3．增注机理

下图是纳米聚硅增注机理的示意图。

图（A）是地层孔道原始状态，图（B）是未经处理的粘土经注入水的浸泡，膨胀而堵死孔道，图（C）是经处理后的情况，孔道变宽，注入水顺利流过。纳米聚硅的柴油悬乳液注入地层后，易于吸附在岩石和孔隙通道表面，降低水化膜的厚度或将岩石表面的吸附水驱走，从而增加了孔道的有效半径，同时使由于注水冲刷而亲水的岩石表面变为憎水，大大降低了注入水通过孔隙的流动阻力，提高了水相渗透率。由于地层渗透性的改变，泵压明显下降，注水量大幅上升。

此外纳米材料能够包覆在粘土表面，阻止注入水的浸入，起到防膨的作用

NPS-ZY纳米聚硅降压增注剂质量指标 项目

指标 NPS-1

NPS-Z 外观

高度分散白色粉末 游离水含量（%）≤

3

3 灼烧减量（%）900℃2h≤

15

15 二氧化硅含量（干基）（%）≥

80

80 碳含量（%）

0.3

0.3 比表面积（㎡g）

80±20

100±30 PH值

6.5～7.5

6.5～7.5 机械杂质个克≤

30

30 表观密度gmL≤

0.2

0.15 分散性%CCl4≥

80

85 吸油值（ml100g）

260

260 平均粒径（nm）

15～25

10～25 4、聚硅纳米降压增注技术的应用

选井条件

1　优先选取砂岩地层、井筒附近完全被水饱和的注水井；

2　NPS-1:油层渗透率一般在30×10-3～500×10-3μm2之间，

NPS-ZY:油层渗透率一般在0.5×10-3～500×10-3μm2之间；

3　首选启动压力逐渐上升，吸水指数逐渐降低的井；

4　注入水水质尽可能达标，PH值一般不超过8，否则有效期可能缩短；

5　井温低于180℃。

施工工艺

采用酸化--注入吸附方法进行施工：

1　纳米聚硅微粒的用量为每米油层1.0～1.5Kg，为保增注证效果，可以附加50%。

2　用油性介质（如柴油）或油水混合介质作为分散携带剂配制纳米聚硅微粒的悬乳液，使用浓度为1.0～1.5Kgm3。

3　施工程序：在施工前对注水管线进行酸洗，将管线内的垢进行清除。用油层清洗剂对注水管线内的污油等有机物质进行清洗，并对近井地带的油污进行清洗。

（4）注水井泵注入纳米聚硅微粒的悬浮液，从开始替入到顶替完毕，控制排量保持不变；停泵后测10min压降；关井24h或更长时间，以使纳米聚硅微粒在岩石表面产生充分的吸附，开井后直接大排量注水；拆装井口，放溢流，正常注水。

应用实例（2005年12月报告）

（1）在胜利油田纯梁采油厂和河口采油厂选取了四口注水井进行了现场试验。这四口井的详细数据见下表。

单位，井号
数据

纯梁采油厂

河口采油厂 樊17-23

梁14-71

义941-4

义941-17 施工时间

2004.8.26

2004.10.24

2004.9.12

2004.9.23 药剂用量，kg

20

7

20.4

8 施工压力，MPa

40

10-18

25-30

34 关井时间，d

2

2

2

2 注水类型

清水

清水

污水

污水 层厚，m

9.9

4.4

18.5

5 孔隙度，%

13.2-17.3

14.2-16.6

15.8

15.8 渗透率，10－3μm2

15.1-52.4

17.6-363.8

61

61 泥质含量，%

6-15.6

6.9

3.9

3.9 增注前后情况如下：

樊17-23井：该井在增注施工之前长期注水不正常，连续注水时间最长一般不超过7天，而且大部分时间处于注不进的状况。8月26日，实施聚硅纳米增注施工后，虽然泵压和油压并没有显著的降低，但是注水状况有了较为明显的改善，现已连续注水超过70天，注水量维持在10m3左右（开始1个月注水量在17m3左右）。

义941-4井：该井在增注施工之前注水量维持在每天10-20m3，实施聚硅纳米增注施工后，泵压和油压没有变化，但注水量增至每天40m3左右。

义941-17井：井在增注施工之前注水量维持在每天10-20m3实施聚硅纳米增注施工后，泵压和油压没有变化，注水量增至每天35m3左右。

梁14-71井：该井是在总结以上三口井的经验上进行施工的。在该井施工的过程中压力就有了较为明显的变化，由开始施工时的18MPa降为最后的10MPa。开井后该井油压和注水量的变化十分显著，油压由施工前的18MPa降为2MPa，注水量由施工前20m3左右增加到140m3。在排除管线损坏的因素后，可以认为是由于纳米材料的原因改变了该井的油压和注水量。

（2）江苏油田试采二厂应用报告

聚硅纳米降压增注技术在试采二厂注水井高7-15、高7-22和庄2-41A成功实施。2006年1月1日，试采二厂在油田内于高7-15井首次开展纳米增注现场试验。该井2005年平均注水压力为20MPa，平均日注水量30.2m3，压力高，不能达到日注水量50m3的配注要求。施工后初期注水压力降至15MPa，日注水量达55m3；现注水压力为17.6MPa，日注水量38m3，而同等压力条件下，原日注水量不足10m3。截至2008年6月份，平均日注水压力16MPa，平均日注水量45m3，达到现在日注水量45m3的配注要求。这次纳米增注试验在我局尚属首次，也是近年来效果最好的一次。

5、项目来源及相关专利

该项目来源于国家高技术发展计划（863计划）（2002AA302607），纳米聚硅材料是此项目的主产品之一。产品于2005年1月通过了河南省科技厅组织的技术成果鉴定。

获得相关专利三项（ZL200410010125.9；ZL200410010124.4；ZL200410010304.2）。