Wy-气润湿性岩石吸附甲烷的实验和量子化学研究-李颖颖，宣扬，蒋官澄，王大喜，刘冰

为解决凝析气藏开采中反凝析液堵塞损害和低渗特低渗储层液相圈闭损害,气润湿方法近年来成为研究热点,然而岩石的润湿性改变后,其表面对 CH4的吸附能力变化不容忽视。为此,对气润湿反转前后固体对 CH4的吸附能力变化进行了实验和量子化学研究。采用 AST系列煤层气吸附/解吸实验装置对气润湿反转前后石英砂对 CH4的吸附能力进行测试,并依据所提出的液湿和气润湿岩石表面原子簇模型,利用量子化学从头计算法（HF-3-21G）计算了两种润湿性表面与 CH4分子的相互作用关系,包括吸附势阱和吸附距离。在同等平衡压力条件下,气润湿石英砂对 CH4 的吸附量约比液湿石英砂低 1 个数量级;量子化学研究结果表明,气润湿反转后的固体表面对 CH4分子的吸附能力减弱,吸附距离增加约 1nm,CH4分子在液湿岩石和气润湿岩石表面均为单分子层物理吸附。     

气润湿性岩石吸附甲烷的实验和量子化学研究

为解决凝析气藏开采中反凝析液堵塞损害和低渗特低渗储层液相圈闭损害,气润湿方法近年来成为研究热点,然而岩石的润湿性改变后,其表面对CH₄的吸附能力变化不容忽视。为此,对气润湿反转前后固体对CH₄的吸附能力变化进行了实验和量子化学研究。采用AST系列煤层气吸附/解吸实验装置对气润湿反转前后石英砂对CH₄的吸附能力进行测试,并依据所提出的液湿和气润湿岩石表面原子簇模型,利用量子化学从头计算法（HF-3-21G）计算了两种润湿性表面与CH₄分子的相互作用关系,包括吸附势阱和吸附距离。在同等平衡压力条件下,气润湿石英砂对CH₄的吸附量约比液湿石英砂低1个数量级;量子化学研究结果表明,气润湿反转后的固体表面对CH4分子的吸附能力减弱,吸附距离增加约1nm,CH₄分子在液湿岩石和气润湿岩石表面均为单分子层物理吸附。     

气湿反转解除裂缝-基质液锁的实验研究

地层凝析液和外来流体在致密砂岩凝析气藏储层中形成液锁效应大大降低气井产量是其开采过程中面临主要问题之一。通过填砂管模型模拟压裂后形成的支撑裂缝与基质岩心驱替实验,评价气润湿反转剂CRS-850对裂缝-基质双重介质"液锁"损害解除效果,得出如下结论:氟碳类气润湿反转剂CRS-850可实现岩心表面润湿性由强水湿性转变为气相润湿,处理后岩心端面"气-液-固"平均润湿角从33. 3°增大到101. 2°;气润湿反转剂显著提高岩心内部液相渗流能力,增加气驱渗透率,岩心气驱渗透率恢复效果显著,在气驱盐水基础上提高了501. 69%～673. 91%,表明气润湿反转剂有利于致密砂岩储层解除"液锁"损害;气润湿反转剂可进一步解除填砂模型模拟压裂后形成的支撑裂缝液锁损害,填砂管模型渗透率越低,气驱排水率越高,润湿性改变后的气驱排水率提高幅度也越大;同时,气润湿反转剂有利于解除压裂后形成的裂缝-基质岩心双重介质中液相损害,有效恢复率达19. 47%。     

致密砂岩气藏润湿性对液相圈闭损害的影响

致密砂岩储层易因外来工作液入侵造成严重的液相圈闭损害,岩石表面润湿性对于液相圈闭损害程度具有重要影响。使用氟碳表面活性剂Zonyl8740处理岩心,降低岩心表面能,制得不同润湿程度的岩心。通过岩心驱替和毛管自发渗吸实验分别研究了气湿岩心和液湿岩心的束缚水饱和度、自吸油水动态;建立初始含水饱和度岩心流动实验,对比了钻井液加入气湿反转剂前后液相圈闭损害率。实验表明,致密砂岩表面由液湿反转为优先气湿可大幅度减弱毛管自吸效应、降低自吸液量和最终滞留饱和度。气湿反转剂可有效减少钻井液对储层液相圈闭损害。对预防致密砂岩储层液相圈闭损害具有一定指导意义。     

气润湿性岩石表面吸附气体性能

油气储层岩石的润湿性不仅影响液体在孔隙中的位置和分布,也会影响气体对岩石的吸附作用。采用AST系列煤层气吸附/解吸实验装置,以石英砂模拟油气储层岩石,对气润湿反转前后甲烷气的吸附能力进行了实验研究和机理探讨。气润湿反转后,石英砂对甲烷气的吸附能力下降大约一个数量级,其根本原因是表面能的降低导致气体吸附能力变弱。     

一种新型气湿反转剂的合成与性能评价

气湿反转剂通过改变低渗凝析油气藏近井地带的润湿性,将液润湿转变为气润湿,能够有效解决油气藏的水锁危害.将多巴胺接枝到以甲基丙烯酸十二氟庚酯和丙烯酸为单体合成的含氟丙烯酸酯聚合物中,得到了一种具有强黏附性的气湿反转剂.通过傅里叶变换红外光谱、X射线光电子能谱、紫外可见光谱分析,证实了多巴胺确实引入到了合成的合氟丙烯酸酯聚合物中.接触角测量结果表明,该气湿反转剂能够有效地将岩心的润湿性由液湿改变为气湿.通过岩心自发渗吸实验发现,在气/水体系和油/气体系中,经该气湿反转剂处理后,岩心中液体的饱和度分别由处理前的59％和50.9％降到了38.9％和48.1％.岩心耐冲刷性实验结果表明,经该气湿反转剂处理的岩心表面耐冲刷性好.     

多孔介质润湿反转为优先气湿及气体润湿性

理论和实验证实凝析气藏多孔介质表面润湿性由液湿转变为优先气湿可显著提高气井产量,且气湿程度对气井产量影响较大.但是目前,气体润湿性缺少定量评价方法,无法给出气湿性定量结论.通过理论分析和实验研究,分析了润湿反转的本质并实现了多孔介质表面由液湿性转变为优先气湿;然后提出了可表征固体表面气体润湿能力大小的参数ζ,应用停滴法建立了采用气湿参数ζ进行气湿性定量评价的方法,确立了气湿性定量评价指标,并采用毛细管上升实验,进一步验证了停滴法实验结果的正确性.实验结果表明:通过降低固体表面和固—液界面自由能是实现优先气湿的有效方法,随着Zony18740含量的增加,固体表面自由能降低,其表面的憎液亲气性增强.     

工业尾气中的乙烯在络合型吸附剂上的变压吸附性能

为解决环氧乙烷装置排放气中C2H4的回收问题,采用N J型吸附剂,考察了C2H6,CO2,CH4,O2对吸附剂吸附C2H4的影响,测定了吸附剂对环氧乙烷装置排放气中C2H4的吸附性能,并初步考察了解吸性能。实验结果表明,除O2对吸附C2H4有一定影响外,N J型吸附剂吸附C2H4具有很好的稳定性,通过减压和抽真空可使吸附剂再生。在C2H4-C2H6,C2H4-CO2,C2H4-CH4体系中,C2H4的吸附容量均达10mL/g以上;在O2存在的条件下,C2H4的吸附容量约为7.5mL/g;在环氧乙烷装置的排放气体系中,C2H4的吸附容量约为6mL/g;脱附气体中C2H4的体积分数可达到50%。     

天然气中微量组分对吸附剂性能的影响

考察了天然气吸附剂LXC对天然气中微量组分C2H6,C3H8,CO2,N2的吸附和脱附特性及其对CH4吸附能力的影响。实验结果表明,天然气吸附剂LXC吸附CH4,C2H6,C3H8的吸附量依次增大,滞留比依次减小,不可逆吸附性增强;CO2在吸附剂上的吸附量和滞留量较大;N2的可逆吸附与脱附性能较好;天然气中C2H6,C3H8,CO2均能导致吸附剂LXC吸附CH4的能力降低。在20℃、充气压力3.5M Pa、放气压力0.1M Pa的条件下,吸附剂LXC对配制的混合气体经12次连续吸脱附后,其吸附能力下降27.5%。     

聚氧乙烯脂肪胺乳状液性能——不同pH值清洗条件下对硅酸盐岩储集层润湿性、渗透性的影响

通过室内岩心驱替实验、接触角测量、红外光谱分析研究了不同p H值清洗条件下聚氧乙烯脂肪胺乳状液对硅酸盐岩润湿性、渗透性的影响规律及聚氧乙烯脂肪胺在硅酸盐岩表面的吸附行为,提出了关于可逆逆乳化钻井液储集层损害特性和机理的新认识,以及可改进完井、固井效果的井眼清洗方法。研究表明:p H值为4~8的清洗条件下,聚氧乙烯脂肪胺在硅酸盐岩表面发生吸附,使岩石表面由水润湿状态转变为油润湿状态,严重损害储集层渗透性;p H值为10的清洗条件下,聚氧乙烯脂肪胺发生脱附,使储集层岩石表面恢复为水润湿状态,有利于减轻钻井液对储集层渗透性的损害。建议采用"先酸后碱"的井眼清洗方法,或者在酸清洗液中加入润湿反转剂。图2表2参21     

气湿性纳米SiO_2颗粒对岩心润湿反转及解水锁机理

使用气湿反转剂能解除凝析气藏等温降压开采过程中产生的液锁损害,但目前的气湿反转剂存在价格高、用量大、气湿反转效果差等缺点。为此,通过采用改进的Stober法制备均一粒径的纳米SiO_2颗粒,再对其表面进行功能化修饰,合成出了具备气湿反转功能的纳米颗粒,其最佳合成条件为,正硅酸乙酯和氨水的用量均为1~2 m L,非离子型氟碳表面活性剂FG24的浓度为0.3%。通过接触角法、Owens二液法和自吸吸入法研究了纳米SiO_2颗粒对岩心润湿性的影响。研究表明,用0.3%气湿性纳米颗粒流体处理岩心,水相和油相在岩心表面的接触角可由未处理时的23°和0°增至157°和135°;岩心的表面能由67.9 m N/m降至0.23 m N/m;岩心的液相饱和度由87%和73%降至3.5%和32%,水相和油相的自吸速率由0.26和0.27 m L/min在2 h内降至0。实验还测定了气、油相在气(油)-纳米流体-岩心体系中的接触角,探索分析了气湿性纳米SiO_2颗粒的作用机理。结果表明,该纳米颗粒具备良好的气湿反转功能。     

化学链燃烧中燃料气体在CaSO4(010)表面吸附扩散特性的分子动力学模拟

以CaSO4为载氧体,采用分子动力学研究了化学链燃烧中不同温度时CO在CaSO4(010)表面的吸附扩散特性,并在反应温度为1173 K时与CH4、H2在CaSO4(010)表面的吸附扩散特性对比。结果表明：CO在CaSO4(010)表面的吸附为物理吸附,吸附强度随温度升高而减弱,吸附层与体相层的分层点为距离CaSO4(010)表面0.66 nm处;CO在xy平面方向的扩散能力随温度升高而上升,符合分子碰撞理论; CO吸附于CaSO4(010)表面的原因主要为静电作用所造成的弱相互作用。与CH4、H2相比,CO在CaSO4(010)表面的吸附能力最强,吸附层中含量最多;H2在xy平面方向扩散能力最强,体相层中体积占比最大;而CH4较弱的静电作用与H2较强的位阻作用导致了二者在CaSO4(010)表面吸附能力弱于CO。研究结果可为钙基载氧体的改进与优化提供理论基础。     

新型耐温耐盐气润湿岩心的制备及性能评价

为了解非离子型气湿反转剂在改变砂岩表面润湿性方面的作用效果,获得气润湿性良好的砂岩地层,提高凝析气藏的生产能力,分别采用接触角法和Owens二液法考察了非离子型表面活性剂处理前后砂岩岩心的气润湿程度和表面自由能,研究了无机盐、温度和pH值对气润湿性的影响及气润湿反转的有效期。结果表明,质量 分数为0.3%的非离子型氟碳表面活性剂（FG24）可将岩心表面的润湿性由液润湿性反转为强气润湿性,水相和油相在岩心表面的接触角由处理前的36.0°和0°分别增至141.3°和108.0°,且岩心的表面自由能由71.0 mN/m急剧降至3.29 mN/m。在pH值为1～10、无机盐溶液质量浓度为100 g/L、温度140℃范围内,油水相在岩心表面的接触角均大于90°;岩心可在60 d 内保持强气润湿性。FG24 可将岩心表面反转为強气湿性,并具有良好的耐盐性和耐温性。图4 表1 参14     

气润湿反转提高采收率实验研究

注气开采是三次采油的一种重要开发方式,在气驱水的过程中,气润湿反转可以使毛细管压力由气驱阻力变为动力,从而提高气驱油效率.用N2和CO2做气驱水实验,研究气润湿反转对提高采收率的影响.实验所用岩心为长庆油田的低渗透率岩心,所用气润湿反转剂属阳离子型氟化物.对气润湿反转前后的岩心做气驱水实验,绘出气润湿反转前后水的采出程...     

气湿性纳米SiO2颗粒对岩心润湿反转及解水锁机理

使用气湿反转剂能解除凝析气藏等温降压开采过程中产生的液锁损害,但目前的气湿反转剂存在价格高、用量大、气湿反转效果差等缺点。为此,通过采用改进的Stober法制备均一粒径的纳米SiO2颗粒,再对其表面进行功能化修饰,合成出了具备气湿反转功能的纳米颗粒,其最佳合成条件为,正硅酸乙酯和氨水的用量均为1~2 mL,非离子型氟碳表面活性剂FG24的浓度为0.3%。通过接触角法、Owens二液法和自吸吸入法研究了纳米SiO2颗粒对岩心润湿性的影响。研究表明,用0.3%气湿性纳米颗粒流体处理岩心,水相和油相在岩心表面的接触角可由未处理时的23°和0°增至157°和135°;岩心的表面能由67.9 mN/m降至0.23 mN/m;岩心的液相饱和度由87%和73%降至3.5%和32%,水相和油相的自吸速率由0.26和0.27 mL/min在2 h内降至0。实验还测定了气、油相在气(油)-纳米流体-岩心体系中的接触角,探索分析了气湿性纳米SiO2颗粒的作用机理。结果表明,该纳米颗粒具备良好的气湿反转功能。     

CO与N_2、CH_4等组分在NA吸附剂上的动态吸附分离性能研究

用静态法测定了CO、N2、CH4、CO2在NA型络合吸附剂上的平衡吸附,并用吸附柱动态实验装置测定了CO与N2、CH4、CO2二元混合体系以及CO、N2、CH4及CO、CO2、CH4三元混合体系的动态吸附分离性能。实验结果表明,该吸附剂对CO有很高的选择性,与N2和CH4的分离系数较高,对CO2有一定吸附量,但基本不影响CO在该吸附剂上的穿透吸附量。CO与其他组分的分离系数随CO分压的增大而降低。     

X型分子筛在吸附中的应用研究进展

综述了X型分子筛在对二甲苯吸附分离、N2/O2分离等领域中的应用,骨架硅铝比、阳离子种类、含水量等均会对其吸附选择性、吸附容量产生显著影响。作为对二甲苯吸附分离吸附剂的活性组分,X型分子筛的硅铝比为2.2~2.4、阳离子为Ba2+和K+、含水量为4.0%~5.0%时具有较高的对二甲苯吸附选择性。对于N2/O2分离,硅铝比为2.0、阳离子为Li+的X型分子筛表现出较高的N2吸附容量和N2/O2分离系数,通过引入第二种阳离子还可进一步提高其N2/O2分离系数,但是H2O的吸附会显著降低其N2吸附容量。此外,X型分子筛还可用于高纯He的吸附分离,以及CO2、CO、CH4、N2、Ar、H2的选择性吸附。     

阳离子型Gemini表面活性剂对固体表面润湿反转行为的研究

本文采用油/水/固三相接触角法研究了阳离子Gemini表面活性剂(GS12-2-12)分别改变亲油/亲水云母表面润湿性的能力,利用原子力显微镜考察了Gemini表面活性剂在亲油/亲水云母表面润湿反转前后的吸附形貌.实验结果表明,在GS12-2-12浓度为800mg/L时均能使亲油表面和亲水表面发生润湿性反转.原子力显微镜吸附形貌分析数据证明润湿反转的本质是Gemini表面活性剂在固体表面形成单层吸附的结果.对于亲水固液界面,Ca2+和Na+都能够使GS12-2-12改变固液界面润湿能力增强;而使亲油固液界面的润湿能力减弱.在Na+或Ca2+存在下,GS12-2-12溶液在亲油云母表面接触角均随pH值的增加而减小;而在亲水云母表面接触角随着pH值的增加而增加.图16表2参18     

煤层气气驱吸附及解吸规律实验研究

为研究煤层气的赋存形式和气驱原理,通过实验测量了煤层气注气开采中主要涉及的3种气体CH4、CO2和N2的吸附及解吸量,并利用Langmuir模型和BET模型进行实验处理拟合等温曲线,比较3种气体吸附性的强弱和模型的适用性,得出气驱煤层气的机理。此外,还通过实验研究了注入不同气体后煤岩渗透率的变化情况,定性分析了不同气体驱替煤层气时流量的大小以及不同气体驱替的效果。研究结果表明,开采煤层气时可利用CO2和N2的竞争吸附将煤层气采出,N2具有增渗作用,CO2具有减渗作用。     

复杂组分气固吸附相平衡的计算及等温线拟合

由纯组分气体H2 、N2 、CH4 、CO2 在活性炭和分子筛上的吸附等温方程 ,根据理想吸附溶液理论 ,对复杂组分 (3组分和 4组分 )气固吸附相平衡进行了预测 ,并得到了气体在多组分条件下的吸附等温方程。从而从理论上寻求一种研究复杂组分气固吸附相平衡的方法 ,并将多元变量空间的离散数据用显式代数方程表示