1、大庆石油地质与开发 Petroleum Geology Oilfield Development in Daqing2023 年 6 月 第 42 卷第 3 期June，2023Vol.42 No.3DOI：10.19597/J.ISSN.1000-3754.202109029纳米颗粒对原油 CO2体系界面张力的影响林魂1，2，3 袁勇2，3 赖向东4 董明达1（1.重庆科技学院安全工程学院，重庆401331；2.页岩气勘探开发国家地方联合工程研究中心，重庆401120；3.自然资源部页岩气资源勘查重点实验室，重庆401120；4.中国石油井控应急救援响应中心，四川 广汉618300）摘要：注
2、CO2开发含沥青质油藏会导致沥青质沉淀，造成储层堵塞，而注入纳米颗粒能够有效抑制沥青质沉淀。在明确原油注CO2产生沥青质沉淀特征的基础上，选取不同地区4种沥青质质量分数的原油，分别测定了无机纳米颗粒SiO2、金属氧化物纳米颗粒 Co3O4和Fe3O4作用下的CO2与原油的界面张力，并评价了原油性质对纳米颗粒性能的影响。结果表明：原油中沥青质沉淀量随压力的增加而增大，CO2与原油间界面张力随压力的增加呈现出先快速下降后逐渐变缓的趋势，对应的一次接触最小混相压力也随沥青质沉淀量的增加而增大；纳米颗粒具有较高的表面活性和比表面积，能够吸附沥青质颗粒，抑制沥青质聚集，有效降低油气体系界面张力，其中纳米
3、颗粒性能高低依次为无机纳米颗粒SiO2、金属氧化物纳米颗粒 Co3O4和Fe3O4；纳米颗粒性能随原油黏度和沥青质质量分数的增加而变好，随原油中硫质量分数的增加而变差。研究成果为改善CO2驱替效果和抑制沥青质沉淀提供了参考和借鉴。关键词：注CO2；沥青质沉淀；纳米颗粒；界面张力；最小混相压力中图分类号：TE349 文献标识码：A 文章编号：1000-3754（2023）03-0099-08Effect of nanoparticles on interfacial tension of crude oil CO2 systemLIN Hun1，2，3，YUAN Yong2，3，LAI Xian
4、gdong4，DONG Mingda1（1.School of Safety Engineering，Chongqing University of Science&Technology，Chongqing 401331，China；2.NationalLocal Joint Engineering Research Center for Shale Gas Exploration and Development，Chongqing 401120，China；3.Key Laboratory of Shale Gas Exploration，Ministry of Natural Resour
5、ces，Chongqing 401120，China；4.CNPC Well Control Emergency Rescue Response Center，Guanghan 618300，China）Abstract：Asphaltene precipitation can be induced by CO2 injection in asphaltene-bearing reservoir，causing reservoir blocked，while precipitation can be effectively inhibited by injection of nanoparti
6、cles.Based on clarifying precipitation characteristics of asphaltene in crude oil injected by CO2，crude oil with 4 asphaltenes mass fractions are chosen from different blocks，interfacial tensions between CO2 and crude oil under actions of inorganic nanoparticle SiO2 and metal oxide nanoparticles Co3
7、O4 and Fe3O4 are measured respectively，and influences of crude oil properties on performances of nanoparticles are evaluated.The results show that the increase of asphaltene precipitation amount in crude oil with pressure increase leads to the trend of interfacial tension between CO2 and the crude o
8、il decreasing rapidly at first and then slowing down gradually with pressure increase，and corresponding first contact minimum miscibility pressure also increases with asphaltene precipitation increase.Nanoparticles have high surface ac收稿日期：2021-09-14 改回日期：2022-03-15基金项目：重庆市自然科学基金面上项目“考虑化学渗透压的页岩储层压裂液
9、渗吸机理与模型研究”（cstc2019jcyj-msxmX0457）；重庆市教委科学技术研究项目“致密油藏CO2吞吐排驱机理及影响因素研究”（KJQN202001508）。第一作者：林魂，男，1988年生，博士，副教授，从事非常规油气藏压裂液渗吸和返排研究。E-mail：2023 年第 42 卷 第 3 期大庆石油地质与开发tivity and specific surface area，which can adsorb asphaltene particles，inhibit asphaltene aggregation and effectively reduce interfacial
10、tension of oil-gas system.Performances of nanoparticles are ranked in the order of inorganic nanoparticle SiO2，metal oxide nanoparticles Co3O4 and Fe3O4.Performances of nanoparticles increase with increase of crude oil viscosity and asphaltene mass fraction，and decrease with increase of sulfur mass
11、fraction in crude oil.The research provides references for improving CO2 displacement effect and inhibiting asphaltene precipitation.Key words：CO2 injection；asphaltene precipitation；nanoparticles；interfacial tension；minimum miscibility pressure0引 言 减少温室气体排放、积极应对气候变化，已成为全球共识。中国为积极践行 2060 年之前实现碳中和目标，正
12、不断加大对碳中和技术的研发投入。其中，将 CO2注入油气藏储层既能提高油气采收率，还能有效永久封存 CO2，是 CCUS（Carbon Capture，Utilization and Storage）技术的一项重要组成部分及科学问题13。虽然 CCUS 技术已经在国内外多种类型油气藏得到成功应用，但注 CO2开发稠油或含沥青质轻质油藏的可能性及适应性仍然有待研究。当 CO2注入含沥青质原油时，小分子体积的 CO2会不断与包裹在沥青质颗粒表面的胶质争夺吸附空间，在降低胶质与沥青质之间作用力的同时还会使胶质从沥青质颗粒表面解吸，造成沥青质颗粒吸引碰撞并聚集，引发沉积现象46。为抑制沥青质沉积，降低
13、储层伤害，改善 CO2驱替效果，国内外学者提出了纳米颗粒吸附法和化学溶剂注入法，化学溶剂法虽然能抑制沥青质沉淀，但价格昂贵，且容易引发环境安全问题78。目前，广泛应用及性能较好的纳米颗粒主要包括金属氧化物纳米颗粒、有机和无机纳米颗粒，其中金属氧化物纳米颗粒具有酸碱性，能够与沥青质分子发生极性相互作用，比两性纳米颗粒的作用效果更好912。N.N.Nassar等13通过实验发现金属氧化物对沥青质的吸附能力依次为 CaO、Co3O4、Fe3O4、MgO、NiO、TiO2。C.Franco 等14测定了 12个纳米颗粒的等温吸附线后发现，纳米颗粒对沥青质的吸附速度很快，可以在 2 min 内达到吸附平
14、衡，等温吸附线符合 Langmuir 和 Freundlich 模型。B.J.Abu Tarboush 等15研究了在稠油油藏中 NiO 纳米颗粒对沥青质的吸附能力，发现在储层适当位置注入纳米颗粒能够达到每克纳米颗粒吸附 8.2 g 沥青质的能力。E.A.Taborada 等16研究了纳米颗粒对重质油黏度及流动性的影响，结果表明增加纳米颗粒浓度可以使原油黏度降低90%，原油采收率提高约16%。目前国内外研究主要集中在纳米颗粒对沥青质的吸附能力和效果上，很少研究纳米颗粒对CO2-原油体系界面张力的影响。本文通过开展注CO2沥青质沉淀实验，在明确沥青质沉淀特征的基础上，针对不同地区4种沥青质含量的
15、原油，分别测定了当下主流纳米颗粒 SiO2、Co3O4和 Fe3O4作用下的油气界面张力，评价了原油性质对纳米颗粒性能的影响。取得的成果可为改善 CO2驱替效果、抑制沥青质沉淀提供参考和借鉴。1实 验1.1实验样品实验所用原油分别取自鄂尔多斯盆地吴起油田Y3区、松辽盆地辽河油田杜 84区及江汉盆地江汉油田王场区。原油样品经过滤除杂、脱水处理后分别测定其基础物性（原油黏度、密度及组分等），并采用四组分（SARA）方法和 X 射线荧光能谱法分别测定原油中沥青质质量分数和硫质量分数。5种原油样品物性及参数见表 1，其中 E 型原油样品不含沥青质，为B型原油去除沥青质后的原油，去除方法见参考文献17。
16、实验中所用纳米颗粒包括3种，金属氧化物纳米颗粒（Fe3O4、Co3O4）和无机纳米颗粒 SiO2，均是由同一家专业纳米颗粒生产公司（亚美纳米科技有限公司）提供，纳米颗粒直径为 1030 nm，纯度为 99.5%。纳米颗粒的平均粒径采用 Micrometritics 公司研发的 Nanoplus3 型孔径测定仪在 25 条件下通过动态光散射（DLS）实验进行测定。纳米颗粒的 BET 表面积采用 Quantacrome 表面积仪在真空、10-2 MPa、140 下通过氮气吸附实验进行测定。采用 ChemBet TPR/TPD 仪在 100200 通过NH3测定纳米颗粒吸附解吸能力，并测定吸附量。实验所用纳米颗粒基础物性参数见表2。实验所用CO2气体纯度为99.99%。1002023 年第 42 卷 第 3 期大庆石油地质与开发林魂 等：纳米颗粒对原油CO2体系界面张力的影响1.2实验仪器本次实验的核心仪器为 Corelab 公司生产的高温高压界面张力仪，该装置核心部分为一个带蓝宝石视窗可视化的高压腔，腔体最大承温和承压分别为 200、100 MPa。在高压腔顶部悬挂有一根毛细管针（针孔直径
