CN111285705B - 基于等离子体改善岩石表面水润湿性的方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于等离子体改善岩石表面水润湿性的方法及应用，尤其涉及岩石技术领域。该方法采用等离子体直接处理岩石的表面。本发明主要用于油气开采及含油土壤净化中，通过微波等离子体处理岩石，使得岩石表面水接触角得到不同程度改变，从而改变岩石表面水润湿性。

Description

基于等离子体改善岩石表面水润湿性的方法及应用
技术领域
本发明涉及岩石改性技术领域，尤其涉及一种基于等离子体改善岩石表面水润湿性的方法及应用。
背景技术
工业革命以来，随着世界工业体系的推进以及世界经济的发展，石油资源在国际市场中扮演的角色越来越重要，石油的产量和储量代表着一个国家的经济发展水平以及发展潜力。现阶段，多数主力油田经多次采油后，均已进入高含水状态，现状迫使人类继续探索提高采收率的方法。油藏的润湿性(如地下岩石润湿性)作为油藏界面现象的重要参数之一，对原油的采收率起决定性作用。然而，地下岩石的润湿性具有多样性，具有高亲油性，但又具有低亲水性，同时存在混合性和局部性的润湿性差异。因此，改善岩石润湿性使其具有高亲水性等成为原油开采的一个重要研究方向。
目前，改变岩石浸润性的方法包括改变温度、声波振动及添加酸、碱、表面活性剂等。例如李明远等【Sound vibration on wettability of rock surface[J].ActaPetroleiSinica,1999(06):57–62+107.】采用在水驱油实验中加载声波振动的方法，通过对比声波振动处理前后水与岩石表面的接触角，证明声波能有效的改变岩石表面的亲水亲油性。又如Nasralla等【Double-layer expansion:Is it a primary mechanism ofimproved oil recovery by low-salinity waterflooding？[R].SPE ReservoirEvaluation&Engineering,2014,17(1):49–59】通过接触角测定实验发现，减小注入水中盐离子浓度或者增大其pH值时，岩石-盐水-原油体系中水在岩石表面的接触角明显减小，岩石表面由中性转变为亲水性。此外，添加表面活性剂也是改变岩石润湿性的主要方法之一，但由于表面活性剂特殊的分子结构，导致其使用时缺点较多。因此，亟待探索一种新的、高效的、实用性强的改变岩石润湿性的方法。
等离子体技术作为一种高效的、绿色环保的材料改性方法，如今已在各个领域得到了广泛应用，等离子种类较多，较为常用的包括介质阻挡放电等离子体、微波等离子体和电晕放电等离子体等。然而，采用等离子体技术改变岩石表面润湿性的研究未有报道。
发明内容
本发明提出一种基于等离子体改善岩石表面水润湿性的方法，通过改变接触角的大小，从而改变岩石表面的水润湿性。
本发明提出一种基于等离子体改善岩石表面水润湿性的方法，采用等离子体直接处理岩石的表面。
进一步地，等离子体为微波等离子体。
进一步地，微波等离子体基于脉冲调制微波激励源产生。
进一步地，微波等离子体所使用的工作气体为空气。
进一步地，基于脉冲调制微波激励源产生微波等离子体时，脉冲频率为1Hz～100KHz，占空比：0～100％，微波频率为2～4GHz，峰值功率为0～200W。
进一步地，处理时，等离子体与岩石表面的距离为3～5mm。
进一步地，处理的时间为2～10分钟。
本发明还提出基于等离子体改善岩石表面水润湿性的方法在油气开采中的应用。
本发明还提出基于等离子体改善岩石表面水润湿性的方法在含油土壤净化中的应用。
本发明具有以下优势：
本发明实施例提出的利用等离子体处理岩石表面改善岩石表面水润湿性的方法，通过微波等离子体处理岩石，岩石表面的水接触角得到不同程度改变，从而改变岩石表面水润湿性。该方法操作简单，对岩石表面水润湿性改善效果较佳，安全性高，环境友好，且可与传统改变岩石润湿性方法共同使用，普适性强。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
在附图中：
图1接触角示意图。其中：1液滴，2岩石表面，∠AOC接触角。
图2不同质量比的人造砂岩。
图3微波等离子体处理岩石示意图。其中：1微波等离子体，2岩石样本。
图4岩石处理前后浸润性的变化。其中：a、b、c分别为未处理的样本11、21、42；d、e、f分别为处理后的样本11、21、42。
图5岩石处理前后表面形貌和接触角液滴图像。其中：11#、12#、13#、21#、22#、23#、41#、42#分别为样本11、12、13、21、22、23、41、42处理前后的岩石表面形貌和接触角水滴的图像。
图6羟基自由基与SiO2的反应式。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明一实施例提出一种基于等离子体改善岩石表面水润湿性的方法，采用等离子体直接处理岩石的表面。
本发明一优选实施例中，采用微波等离子体直接处理岩石的表面。
进一步地，微波等离子体基于脉冲调制微波激励源产生。
本发明实施例提出的利用脉冲微波等离子体处理岩石表面改善岩石表面水润湿性的方法，通过微波等离子体处理岩石，岩石表面水接触角得到不同程度改变，从而改变岩石表面水润湿性。
具体而言，岩石表面水接触角改变的原因有两个：一是岩石表面被等离子体轰击和刻蚀，粗糙度增加所致；二是岩石表面发生了化学反应，等离子体引发的氮化、羟基化以及自由基反应，使得岩石表面极性的亲水基团改变。
其中，岩石包括但不限于砂岩、页岩等岩石种类。优选的，岩石为砂岩。常规油气储层中砂岩储层最多。
进一步地，微波等离子体所使用的工作气体为空气。减少使用其他气体产生的成本增加。
本发明实施例中，以砂岩为例，砂岩的主要成分为石英(SiO2)，属于原子晶体，表面上分布有各类带电或中性基团，其主要包含3种不同电性的硅醇基团，中性硅醇(≡Si—OH)，正电性硅醇(≡Si—OH2 +)和负电性硅醇(≡Si—O-)，表面呈极性。
以空气作为工作气体，采用大气压空气脉冲微波等离子体射流处理人造砂岩过程中，同时发生能量传递和分子活化过程，主要分两阶段：第一阶段包括激发、解离、电离、电荷交换等过程，空气中所含有氮气、氧气、少量水和二氧化碳等成分在放电击穿产生等离子体时，会生成大量的激发态分子/原子、正负离子、臭氧和羟基自由基(OH·)等活性自由基，射线以及电磁场等，此阶段持续时间较短；第二阶段是高活性物种与砂岩表面发生反应。
具有极性基团的砂岩表面会与等离子体中的氮、氧活性物种发生反应，生成亲水的羟基和氨基等，影响SiO2的电子势垒，改变固有硅醇极性基团的带电性质和数量，生成新的亲水基团，进而增强水润湿性。例如，等离子体产生的OH·与砂岩表面的SiO2发生附图6所示反应，生成亲水的硅醇(≡Si-OH)。
本发明实施例中，基于脉冲调制微波激励源产生的脉冲微波等离子体，其作为一种高密度等离子体，在处理岩石等较难改性的物质方面具有独特优势，包括：①功率低，能耗小；②控制工作气体流速，可获得室温等离子体射流，有效避免岩石表面热破坏；③可处理任何形状的岩石，普适性强；④空气为工作气体，经济、洁净无污染；⑤安全因素高，实现高压源和等离子体发生器互相隔离，无微波泄漏和辐射。
此外，等离子体处理岩石技术还可以与传统改变岩石润湿性的超声振动、表面活性剂等方法共同使用，从而更好地改变润湿性，进一步提高油气采收率，在油气藏开发方面具有较大潜力。
本发明一实施例中，基于脉冲调制微波激励源产生微波等离子体时，采用脉冲频率为1Hz～100KHz，占空比：0～100％，微波频率为2～4GHz，峰值功率为0～200W的微波等离子体处理。
本发明一实施例中，处理时，等离子体与岩石表面的距离为3～5mm。
本发明一实施例中，处理的时间为2～10分钟。
本发明一实施例还提出上述改善岩石表面水润湿性的方法在油气开采中的应用。在油气开采过程中，改善岩石表面水润湿性，从而使油气更易被驱替出来，提高采收率。
本发明一实施例还提出上述改善岩石表面水润湿性的方法在含油土壤净化中的应用。在含油土壤净化中过程，亲水性增强，导致与水共存时含油污泥沙中的油污更容易从表面剥离下来，达到净化目的。
下面将结合具体实施例来详细说明本发明。
实施例1一种基于等离子体改善岩石表面水润湿性的方法
采用微波等离子体直接处理岩石的表面；其中，微波等离子体基于脉冲调制微波激励源产生，采用脉冲频率为1000Hz，占空比：50％，频率为2.45GHz，峰值功率为100W的微波等离子体处理，等离子体与岩石表面的距离为3mm，采用流速为10L/min的空气为工作气体，处理的时间为3min。
实施例2一种基于等离子体改善岩石表面水润湿性的方法
采用微波等离子体直接处理岩石的表面；其中，微波等离子体基于脉冲调制微波激励源产生，采用脉冲频率为800Hz，占空比：80％，频率为2.45GHz，峰值功率为150W的微波等离子体处理，等离子体与岩石表面的距离为3mm，采用流速为10L/min的空气为工作气体，处理的时间为5min。
实施例3一种基于等离子体改善岩石表面水润湿性的方法
采用微波等离子体直接处理岩石的表面；其中，微波等离子体基于脉冲调制微波激励源产生，采用脉冲频率为500Hz，占空比：100％，频率为2.45GHz，峰值功率为200W的微波等离子体处理，等离子体与岩石表面的距离为3mm，采用流速为10L/min的空气为工作气体，处理的时间为7min。
试验例
试验样品：人造砂岩。采用不同粒径的纯净石英砂与环氧树脂e44混合，其中环氧树脂e44的质量比为10％～20％，分别与粒径为100～500目的纯净石英砂混合，制成三个系列，对其进行编号(如图2所示)。石英砂与环氧树脂e44的质量比为9:1。其中，11，12，13中石英砂为200目；21，22，23中石英砂为50％200目+50％400目，41，42中石英砂为100目。
采用实施例1方法对砂岩表面进行处理(如图3所示)。
测量各砂岩表面处理前后水的接触角的变化。利用接触角θ(如图1所示)作为表征岩石润湿性能力大小的指标，对于岩石的水接触角θ，当θ＝0–75°时是亲水；当θ＝75–105°时是中等润湿；当θ＝105–180°时是疏水。当接触角的数值越小代表岩石的润湿性即亲水性越强。
直接观察处理前后砂岩对水的浸润性发现部分样品(如样品21)经等离子体处理后亲水性显著增强，水滴滴到表面后迅速渗入岩体内(如图4所示)。
利用超景深显微镜和计算机软件获得的岩石表面形貌(如图5所示)，发现微波处理岩石表面引起其粗糙度显著增加。
接触角测量仪测试接触角得到数据(如表1所示)。实验结果发现所有样本水接触角均减小，可见，该方法对各种组成的砂岩均适用。其中，样品11水接触角减小程度较小，样品12、13、21、22、23、41、42均有明显减小。样品13、22、23的水接触角均减小了约100°，减小幅度较大。由此发现，砂岩经微波脉冲等离子体处理后水浸润性发生反转，由疏水向亲水转变。
表1人造砂岩经等离子体处理前后水接触角
Figure BDA0002394132170000061
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于等离子体改善岩石表面水润湿性的方法，其特征在于，
采用等离子体直接处理岩石的表面；
所述等离子体为微波等离子体；
所述微波等离子体基于脉冲调制微波激励源产生；
基于脉冲调制微波激励源产生微波等离子体时，脉冲频率为1 Hz~100 KHz，占空比：0~100%，微波频率为2~4 GHz，峰值功率为0~200 W。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述微波等离子体所使用的工作气体为空气。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
处理时，等离子体与岩石表面的距离为3~5 mm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
处理的时间为2~10分钟。
5.权利要求1-4任一项所述的基于等离子体改善岩石表面水润湿性的方法在油气开采中的应用。
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