CN114324066A - 一种岩心用改性纳米材料的评价方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种岩心用改性纳米材料的评价方法，能够提高效果评价的准确性以及简便性。与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：①纳米技术效果评价实验装置实现了纳米技术效果评价的系统化以及集成化，使得纳米技术效果评价更加精确以及简便；②纳米技术效果评价方法可以准确的对纳米技术的疏水性能、润湿性以及降阻性能进行表征，更加符合现场的技术要求。

Description

一种岩心用改性纳米材料的评价方法

技术领域

本文涉及但不限于一种用于评价岩心用改性纳米材料的评价方法及实验装置。

背景技术

目前海上油田步入高含水阶段，注水开发采用大泵提液后，单井配注指标提高，但由于注水层的堵塞问题，导致注入压力较高，能耗巨大，注水困难，明显制约了稳产和进一步提高采收率。在达到高含水期的海上油田，往往需进行提液稳产的作业，提液的同时也需保证注水井有足够的注入能力，以维持较高的地层压力。为保障注水井的有效注入，目前很多注水井需要进行酸化作业，否则无法实现正常注入，严重影响了平台的正常生产。但简单的酸化作业也不能从根本上解决注水井堵塞的问题，并且随着酸化作业的增多，酸化有效期会逐渐变短。因此，有必要对注水井的堵塞机理及其对注入过程的影响进行研究，并相应的提出增注措施。

纳米技术是20世纪80年代末新发展起来的技术，主要研究组成尺寸在0.1nm至100.0nm的物质体系运动规律和相互作用，及其在各个领域应用的一门崭新的综合性科学技术。其中纳米材料也被用于油田解堵、除垢、减压增注的运用中来，纳米技术运用的关键是通过表面改性和表面包覆等手段控制纳米材料的表面物理化学性质。纳米材料的应用主要通过在注入井工作液中添加纳米颗粒或纳米复合材料来实现。在复杂地层、极端环境中，应通过粒子类型选择、表面修饰、改性或添加化学稳定剂，使纳米材料工作液满足上述条件，以获得纳米材料多功能性和适应性，来达到矿场所需要的效果。

发明内容

以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制本申请的保护范围。

本发明的目的是提供岩心用改性纳米材料的评价方法，以提高纳米技术效果评价的准确性以及简便性。

本申请提供了一种岩心用改性纳米材料的评价方法，包括：对使用了所述改性纳米材料的岩心依次进行降阻性测试、疏水性评价以及润湿性的性能测试；

根据岩心的降阻性测试结果判断是否进行疏水性评价；

根据岩心的疏水性评价结果判断是否进行润湿性测试；

在同一块使用了所述改性纳米材料的岩心上进行取样进行上述测试；

若润湿性测试的结论为水滴在使用了所述改性纳米材料的岩心上的接触角大于90°，则能够判断所述改性纳米材料在岩心中的吸附赋存状态稳定，否则所述改性纳米材料在岩心中的吸附赋存状态不稳定。

在本申请提供的一种实施方式中，若所述降阻性测试结论为：使用包含所述改性纳米材料的混合液相对于水注入岩心后阻力系数降低幅度为50％至70％，则进行疏水测试；

在本申请提供的一种实施方式中，通过公式(1)计算所述阻力系数，

式(1)中，R为阻力系数；μ_w为测定温度下注入液体的粘度，mPa·s；△L为岩心长度，cm；K_we为岩心渗透率，mD；A为岩心截面积，cm²；所述岩心渗透率K_we根据公式(2)计算得出；

式(2)中，φ为岩心孔隙度，％；r为岩心孔隙半径，mm；τ为所述注入液体注入后的孔道迂曲度；

在本申请提供的一种实施方式中，包含所述改性纳米材料的混合液的组成包括所述改性纳米材料和水；可选地，所述改性纳米材料和水的重量比为(0.01至1):10；优选地，包含改性纳米材料的混合液的表面张力不低于30mN/m。

在本申请提供的一种实施方式中，驱替岩心用水的矿化度为0.01g/L至0.1g/L；包含改性纳米材料的混合液中的水的矿化度为0.01g/L至0.1g/L。

在本申请提供的一种实施方式中，所述若疏水性测试结论为：所述改性纳米材料的振动波数为1000cm^-1至5000cm^-1，则进行润湿性测试；

在本申请提供的一种实施方式中，通过公式(3)计算所述振动波数，

式(3)中，v为振动波数，cm^-1；K为化学键力常数，N/cm；m₁为经过改性的纳米材料的相对分子质量、m₂为未经过改性的纳米材料的相对分子质量，α的取值为0至1，与纳米颗粒吸附特性相关，所述改性纳米材料吸附效果越好α取值越接近1，所述改性纳米材料吸附效果越差，α取值越接近0。无机纳米颗粒SiO₂，其吸附性能最好，其α取值为1；有机纳米颗粒C60，其吸附性能较好，α取值为0.5，金属纳米颗粒Al₂O₃，其吸附性能较差，α取值为0.1。

在本申请提供的一种实施方式中，所述润湿性测试为采用接触角法对改性纳米二氧化硅改变岩心润湿性的能力进行测量；

在本申请提供的一种实施方式中，包括如下步骤：

将包含所述改性纳米材料的混合液注入所述岩心，之后烘干岩心测量水滴滴落在所述岩心表面时接触角。可选地，所述岩心为降阻性测试中注入了包含所述改性纳米材料的混合液的岩心。

又一方面，本申请提供了一种用于上述评价的方法的纳米技术效果评价实验装置，包括控制系统、降阻性测量系统以及润湿性测量系统，所述降阻性测量系统和所述润湿性测量系统通过信号传输线依次串联；

所述降阻性测量系统被配置成：获取所述岩心的长度、所述岩心截面积、所述岩心孔隙半径、所述测定温度下所注入液体的粘度、所述注入液体注入后的孔道迂曲度和所述岩心孔隙度；

所述润湿性测量系统被配置成：获取所述岩心的水润湿角，所述岩心为降阻性测试中注入了包含所述改性纳米材料的混合液的岩心。

控制系统被配置成，若降阻性测量系统测量的结果符合要求，则所述控制系统进行疏水性评价，若疏水性评价的结果符合要求，则向润湿性测量系统传递信号进行测试。

本申请提供的测量方法，与每个系统单独测量相比，可以提高降阻性、疏水性以及润湿性测量的精度，能够整体测量，节省疏水性以及润湿性分开测量的操作步骤。

与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：①纳米技术效果评价实验装置实现了纳米技术效果评价的系统化以及集成化，使得纳米技术效果评价更加精确以及简便；②纳米技术效果评价方法可以准确的对纳米技术的疏水性能、润湿性以及降阻性能进行表征，更加符合现场的技术要求。

本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的其他优点可通过在说明书中所描述的方案来发明实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本申请技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为本申请实施例2注入改性纳米二氧化硅前岩心粘土矿物SEM图片。

图2为本申请实施例2注入改性纳米二氧化硅后岩心粘土矿物SEM图片。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

实施例1

本实施例提供了一种纳米技术效果评价实验装置，包括降阻性测量系统、疏水性测量系统以及润湿性测量系统。

所述降阻性测量系统被配置成：获取所述岩心的长度、所述岩心截面积、所述岩心孔隙半径、所述测定温度下所注入液体的粘度、所述注入液体注入后的孔道迂曲度和所述岩心孔隙度；

所述润湿性测量系统被配置成：获取岩心的水润湿角，岩心为降阻性测试中注入了包含所述改性纳米材料的混合液的岩心。

控制系统被配置成，若降阻性测量系统测量的结果符合要求，则所述控制系统进行疏水性评价，若疏水性评价的结果符合要求，则向润湿性测量系统传递信号进行测试。

在本实施例中所述改性纳米材料为改性纳米二氧化硅，也可以使用其他改性纳米材料。

测试方法如下：

首先，获取岩心的长度△L，岩心截面积A，岩心孔隙度φ；岩心孔隙半径r；分别获取在进行降阻性测量温度下的清水的粘度以及含有改性纳米二氧化硅的液体的粘度μ_w；分别获取清水和含有改性纳米二氧化硅的孔道迂曲度τ；所述岩心孔隙半径可以按照以下文献提供的方法获得：岳文正,陶果,赵克超.用核磁共振及岩石物理实验求地层束缚水饱和度及平均孔隙半径[J].测井技术,2002,26(1):4。所述孔道迂曲度可以按照以下文献提供的方法获得：陈立民,盖德林,孙艾茵,等.孔道迂曲度τ的一种简便算法[C]//全国结构工程学术会议.2011。

以固定的驱替流速先后(先后使用水和驱替液进行驱替)使用清水和含有纳米二氧化硅的驱替液进行驱替，驱替流速可以选择0.1ml/min至0.9ml/min，分别获取清水驱替下的岩心两端稳定压差和含有纳米二氧化硅的驱替液驱替下的岩心两端的稳定压差。根据清水的稳定压差和驱替液的稳定压差、驱替前后的岩心重量，计算岩心的孔隙度φ；

将以上参数带入公式(1)和公式(2)即可获得清水或含有纳米二氧化硅的液体的阻力系数；当使用含有纳米二氧化硅的驱替液驱替时获得的阻力系数相较水驱替时的阻力系数下降幅度达到50％至70％，进行疏水测试。

采用接触角法对改性纳米二氧化硅改变岩心片润湿性的能力进行测量，将岩心切割成三毫米左右的薄片，并将两侧表面处理平整，厚度一致，将处理好的岩心浸泡在改性纳米二氧化硅分散液中二十四小时后，将岩心放入120℃烘箱中四小时烘干，将处理好的岩心薄片放在测试台上，通过注射泵控制注射器将水滴滴在岩心薄片表面，利用支撑架将测试台进行固定，通过升降台调节高速相机高度使得可以清楚拍摄到液滴，处理实验照片，结合公式4计算得到岩心薄片的润湿角(或其他现有技术中获取润湿角的方法)。

公式4：

式中，θ为液滴与纳米固体表面的接触角，°；r_B为液滴的最大半径，cm；h为高速相机与待测固体表面之间的初始距离，cm；D为拍摄到反射光斑照片的初始半径，cm；r为液滴上光接触点对应的液滴半径，cm；△D为拍摄到竖向移动前后反射光斑的直径差，cm；△h为高速相机与待测固体表面之间竖向移动间距，cm。

实施例2

本实施例中，水的矿化度为0.05g/L、改性纳米二氧化硅的尺寸为30nm，改性方法为将3-氨基丙基三甲氧基硅烷作为改性剂，通过改进的溶胶凝胶法对纳米粒子表面进行了改性(改性后的纳米二氧化硅的分子式为C₇H₁₉NO₅Si₂)；水与改性纳米二氧化硅的重量比为50:0.8，配置驱替液；

放置在实施例1的测量装置中进行测试，获取岩心的长度为60.12cm、岩心截面积为4.91cm²、所述驱替液在40℃下的粘度为0.6563mPa·s，水在40℃下的粘度为0.5495mPa·s，岩心孔隙半径为0.010mm，岩心孔隙度为20％，驱替液注入后孔道迂曲度为9.4，清水注入后孔道迂曲度为16.8；将以上数据输入控制器，根据公式1进行计算，得到阻力系数从0.76(水)，下降至0.28(含有改性纳米二氧化硅的驱替液)，阻力系数下降幅度为62.4％，下降幅度在50％至70％之间，因此控制器进入疏水性判断。

控制器根据公式3进行疏水性判断，其中化学键力常数K为1145N/cm、α取值为0.6，未经过改性的纳米二氧化硅的分子质量为60，改性的纳米二氧化硅的分子量：253.3。将以上数据输入控制器，根据公式3进行计算，获取振动波数为3602cm^-1，在1000cm^-1至5000cm^-1的范围内，因此控制器控制润湿性测量系统开始测量。

采用接触角法对改性纳米二氧化硅改变岩心片润湿性的能力进行测量，将岩心切割成三毫米左右的薄片，并将两侧表面处理平整，厚度一致，将处理好的岩心浸泡在改性纳米二氧化硅分散液中二十四小时后，将岩心放入120℃烘箱中四小时烘干，将处理好的岩心薄片放在测试台上，通过注射泵控制注射器将水滴滴在岩心薄片表面，利用支撑架将测试台进行固定，通过升降台调节高速相机高度使得可以清楚拍摄到液滴，处理实验照片，结合公式4计算得到岩心薄片的润湿角。

计算岩心薄片的接触角为105.1°，接触角大于90°，能够确定改性纳米二氧化硅在岩心中吸附赋存状态稳定。通过以上检测可以快速验证改性纳米二氧化硅在岩心中吸附赋存状态稳定。

图1和图2为改性纳米二氧化硅在岩心中吸附赋存前后的电镜照片，从图2中可以看出，改性纳米二氧化硅在岩心中吸附赋存状态稳定。

实施例3

本实施例使用的改性纳米二氧化硅与实例2中不同的是尺寸为50nm；根据实施例1和实施例2的方法对该改性纳米二氧化硅进行评价，降阻性测试的测量结果为阻力系数下降幅度在85.4％，下降幅度在50％至70％以外，由此可以判断该改性纳米二氧化硅在岩心中吸附赋存状态不好，可以基于此预测通过该改性方法制备的改性纳米二氧化硅的应用前景差。

对比例1

使用现有技术中的方法分别对同一岩心独立测量疏水性以及润湿性，振动波数为890.2cm^-1，计算岩心薄片的接触角为80.1°。判断改性纳米二氧化硅在岩心中吸附赋存状态不好，与通过本申请的方法计算相比，结果不一致，振动波数误差为33.4％，接触角误差为31.2％，后面疏水性以及润湿性误差较大，并且单独测量所花费的时间多了约3倍。

振动波数测量：郜振宁.硝酸根分子振动的计算与测量[D].中国海洋大学,2011.。

接触角测量：李健,费潇,王腊梅,等.基于液滴局部轮廓的接触角测量方法[J].科学技术与工程,2021.。

本申请提供的技术方案降阻性测量系统测量的结果可以快速验证改性纳米二氧化硅在岩心中吸附赋存状态稳定如何，若状态稳定，则进行疏水性测量系统测量切块岩心，测量的结果判断岩心切块后改性纳米二氧化硅的吸附赋存状态，若稳定，最后进行润湿性测量系统测量岩心薄片，这样使得三个测量系统相互串联起来，会显著提高疏水性测量系统以及润湿性测量系统测量的精度与效率。

经过改性纳米二氧化硅分散液处理好的岩心可以使用在三个测量系统中，保证了样品测量的统一性使得测量数据更加准确。

虽然本申请所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本申请而采用的实施方式，并非用以限定本申请。任何本申请所属领域内的技术人员，在不脱离本申请所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本申请的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种岩心用改性纳米材料的评价方法，包括：对使用了所述改性纳米材料的岩心依次进行降阻性测试、疏水性评价以及润湿性的性能测试；

根据岩心的降阻性测试结果判断是否进行疏水性评价；

根据岩心的疏水性评价结果判断是否进行润湿性测试；

在同一块使用了所述改性纳米材料的岩心上进行取样进行上述测试；

若润湿性测试的结论为水滴在使用了所述改性纳米材料的岩心上的接触角大于90°，则判断所述改性纳米材料在岩心中的吸附赋存状态稳定，否则所述改性纳米材料在岩心中的吸附赋存状态不稳定。

2.根据权利要求1所述的岩心用改性纳米材料的评价方法，其中，若所述降阻性测试结论为：使用包含所述改性纳米材料的混合液相对于水注入岩心后阻力系数降低幅度为50％至70％，则进行疏水测试。

3.根据权利要求2所述的岩心用改性纳米材料的评价方法，其中，可选地，通过公式(1)计算所述阻力系数，

式(1)中，R为阻力系数；μ_w为测定温度下注入液体的粘度，mPa·s；△L为岩心长度，cm；K_we为岩心渗透率，mD；A为岩心截面积，cm²；所述岩心渗透率K_we根据公式(2)计算得出；

式(2)中，φ为岩心孔隙度，％；r为岩心孔隙半径，mm；τ为所述注入液体注入后的孔道迂曲度。

4.根据权利要求3所述的岩心用改性纳米材料的评价方法，其中，包含改性纳米材料的混合液的组成包括所述改性纳米材料和水。

5.根据权利要求4所述的岩心用改性纳米材料的评价方法，其中，所述改性纳米材料和水的重量比为(0.01至1):10。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的岩心用改性纳米材料的评价方法，其中，所述水的矿化度为0.01g/L至0.1g/L。

7.根据权利要求1所述的岩心用改性纳米材料的评价方法，其中，若疏水性测试结论为：所述改性纳米材料的振动波数为1000cm^-1至5000cm^-1，则进行润湿性测试。

8.根据权利要求7所述的岩心用改性纳米材料的评价方法，其中，通过公式(3)计算所述振动波数，

式(3)中，v为振动波数，cm^-1；K为化学键力常数，N/cm；m₁为经过改性的纳米材料的相对分子质量、m₂为未经过改性的纳米材料的相对分子质量，α的取值为0至1，所述改性纳米材料吸附效果越好α取值越接近1，所述改性纳米材料吸附效果越差，α取值越接近0。

9.根据权利要求1、2、3、4、5、7或8所述的岩心用改性纳米材料的评价方法，其中，所述润湿性测试为采用接触角法对改性纳米二氧化硅改变岩心润湿性的能力进行测量；可选地，包括如下步骤：将改性纳米二氧化硅引入所述岩心，之后烘干岩心测量水滴滴落在所述岩心表面时的接触角。

10.一种用于权利要求1至9中任一项所述评价的方法的纳米技术效果评价实验装置，包括控制系统、降阻性测量系统以及润湿性测量系统，所述降阻性测量系统和所述润湿性测量系统通过信号传输线依次串联；

所述降阻性测量系统被配置成：获取所述岩心的长度、所述岩心截面积、所述岩心孔隙半径、所述测定温度下所注入液体的粘度、所述注入液体注入后的孔道迂曲度和所述岩心孔隙度；

所述润湿性测量系统被配置成：获取岩心的水润湿角，岩心为降阻性测试中注入了包含所述改性纳米材料的混合液的岩心；

控制系统被配置成，若降阻性测量系统测量的结果符合要求，则所述控制系统进行疏水性评价，若疏水性评价的结果符合要求，则向润湿性测量系统传递信号进行测试。

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