納米技術(shù)在化學(xué)強(qiáng)化采油中的最新應(yīng)用進(jìn)展

解國(guó)松

（東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318）

盡管石油公司努力使用不同的提高采收率技術(shù)，包括聚合物驅(qū)、注氣、表面活性劑、低礦化度水和熱采方法等，但油田總產(chǎn)量仍處于或接近下降階段。盡管約有50%的原始油層仍以旁路油層或剩余油的形式困在油層中，但一些老油田仍面臨廢棄。近十年來(lái)，許多研究人員試圖利用納米技術(shù)[1]在油氣工業(yè)上的應(yīng)用，通過(guò)創(chuàng)新一些新技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)更多的石油商業(yè)開采，延緩油田的廢棄。納米技術(shù)是世界范圍內(nèi)最新的工業(yè)創(chuàng)新，它使用1～100nm的納米顆粒來(lái)增強(qiáng)不同溫度下流體的流變性能。該技術(shù)涵蓋了納米尺度材料、系統(tǒng)和器件的結(jié)構(gòu)、表征和應(yīng)用。通過(guò)將這些納米材料（納米顆粒）添加到各種基底流體中，可以設(shè)計(jì)和生產(chǎn)具有不同物理性質(zhì)的不同納米流體?？偟膩?lái)說(shuō)，在提高采收率的應(yīng)用中，納米顆粒的應(yīng)用有一些有利的結(jié)果[2]。如降低界面張力（IFT）還原、潤(rùn)濕性改變、重油溶脹、瀝青質(zhì)穩(wěn)定、降低油粘度、提高抽提液粘度、納米乳液生成、孔道堵塞、解縫壓力等。在某些情況下，納米顆粒在儲(chǔ)層流體中的分散可能會(huì)產(chǎn)生多種積極的結(jié)果。除了在回收率增強(qiáng)機(jī)制中的作用外，納米顆粒在多孔介質(zhì)中的傳輸效率也很重要，并且已經(jīng)得到了研究。Rodriguez[4]等人認(rèn)為，除了納米顆粒由于體積小而易于通過(guò)多孔介質(zhì)中的孔喉外，由于其表面活性和高穩(wěn)定性，納米顆粒還可以保持分散在溶液中。Kanj[5]等人用量化了可在多孔介質(zhì)中進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)的納米顆粒的適用尺寸，并報(bào)道了200μm大小的顆?？梢院苋菀椎剞D(zhuǎn)運(yùn)，具有很高的分散穩(wěn)定性。此外，李和Torsaeter研究了運(yùn)輸和吸附行為的各種類型的硅NPs通過(guò)多孔介質(zhì)。結(jié)果表明，親水性SiO2無(wú)結(jié)構(gòu)顆粒（NSP）比親水性SiO2膠態(tài)納米顆粒（CNP）具有更好的吸附能力。Aurand和Torsaeter則認(rèn)為，使用氣相SiO2NPs的納米流體的吸附效率和回收性能優(yōu)于使用膠體SiO2NPs的納米流體[6]。最近的幾項(xiàng)研究表明，不同類型的納米顆粒在提高原油采收率[3]方面具有很好的作用，特別是硅基納米顆粒，因?yàn)樗鼈兙哂懈淖儩?rùn)濕性、降低界面張力（IFT）和提高流動(dòng)性比的能力。在他們的嘗試中，Onyekonwu和Dogolo研究了各種多晶硅 NPs（PSNP），如親油親水（LHPN）、親水親油（LHPN）和中性濕PSNP（NWPN）提高采收率的能力;他們發(fā)現(xiàn)這3種NPs都能有效地改變儲(chǔ)層巖石的潤(rùn)濕性，使之形成強(qiáng)親水體系。在各種實(shí)驗(yàn)研究中，Hendraningratet等證實(shí)了硅基NPs通過(guò)改變儲(chǔ)層巖石表面力來(lái)提高采收率的作用。他們的結(jié)果表明，在大多數(shù)納米流體驅(qū)油[3]過(guò)程中，NPs的能力受到一些重要參數(shù)的驅(qū)動(dòng)，如NPs的大小、巖石的初始潤(rùn)濕性、NPs的濃度、注入速率和溫度。此外，Shahrabadi等人研究了疏水性和親脂性多晶硅（HLP）納米流體[3]對(duì)原油采收率的影響。結(jié)果表明，HLP NP的最佳潤(rùn)濕性從123.34°降至95.44°接觸角，IFT從25.6降至1.75mN·m-1，最佳濃度為4gr/lit。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，Mohammadiet al.發(fā)現(xiàn)Al2O3NP也可以作為提高砂巖油藏采收率的活化劑。后來(lái)，Tarek報(bào)道了一種新型的提高采收率的方法，即由不同種類的NPs組成的納米流體，如氧化鋁（Al2O3）、氧化鐵（Fe2O3）和氧化硅（SiO2），比僅由一種納米顆粒制備的納米流體具有更好的采收率。這篇綜述將分析和討論最新發(fā)表的關(guān)于納米顆粒在化學(xué)強(qiáng)化采油效率的影響文獻(xiàn)。我們的目的是解釋聚合物、表面活性劑和智能水驅(qū)中的納米顆粒對(duì)潤(rùn)濕性和界面張力的影響。

1 納米技術(shù)化學(xué)驅(qū)油

近年來(lái)，許多研究表明，將納米顆粒（NPs）加入到化學(xué)溶液中，可以獲得更好的化學(xué)EOR性能。Dogolo等人在不同的分散介質(zhì)（包括分選水、鹽水、乙醇和柴油）中，使用不同類型、不同粒徑的NPs進(jìn)行了一些提高采收率的實(shí)驗(yàn)。他們報(bào)道說(shuō)，由于原油粘度的降低，分散在蒸餾水和鹽水中的鋁有提高原油采收率的高趨勢(shì)。而這兩種硅基NPs分散的乙醇提高原油采收率的能力[7]是由于潤(rùn)濕性的改變。但在蒸餾水和鹵水中分散MgO和ZnO時(shí)，存在一些滲透問(wèn)題;這導(dǎo)致了較差的石油采收率。所以化學(xué)驅(qū)油中加入NPs，研究其對(duì)潤(rùn)濕性改變、IFT降低和采收率的影響。

1.1 納米顆粒聚合物驅(qū)

為了獲得更好的聚合物驅(qū)流動(dòng)性能，近年來(lái)對(duì)NPs的應(yīng)用引起了極大的興趣。Cheraghianet al.研究了NPs在水溶性聚合物吸附到碳酸鹽和砂巖表面的作用。他們發(fā)現(xiàn)，在碳酸鹽巖和砂巖巖石中，納米粘土和納米SiO2可以減少聚合物溶液的吸附。Cheraghian研究了不同濃度的氧化鈦（TiO2）[8]對(duì)聚合物粘度的影響，以提高稠油油藏的采收率。他的結(jié)果表明，NPs2.3 wt%濃度的聚合物溶液對(duì)流體剪切應(yīng)力有直接影響，與聚合物驅(qū)相比，提高采收率約3.9%。最近，Khalilinezhadet等研究了親水硅膠NPs對(duì)聚合物驅(qū)過(guò)程中稠油采收率的影響。他們發(fā)現(xiàn)硅橡膠可以增加溶液的粘度，減少聚合物的吸附。他們還指出，與傳統(tǒng)聚合物驅(qū)相比，聚合物驅(qū)驅(qū)油可提高稠油的采收率和分散SiO2NPs的突破時(shí)間[9]。

1.2 納米顆粒表面活性劑驅(qū)

為了更好地進(jìn)行表面活性劑驅(qū)油，許多學(xué)者將表面活性劑與納米顆粒的驅(qū)油效果結(jié)合起來(lái)進(jìn)行了研究。Kothari等研究了鐵磁NPs在表面活性劑驅(qū)[10]提高采收率中的應(yīng)用;他們的結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的表面活性劑驅(qū)相比，由于IFT的減少更多，因此，可以獲得更好的波及效率。Le等也研究了SiO2NPs與表面活性劑的組合作為納米表面活性劑驅(qū)驅(qū)油降低IFT的效率;結(jié)果表明，納米SiO2對(duì)提高采收率的機(jī)理有很大的影響，包括表面活性劑對(duì)巖石表面吸附的減少、原油與鹵水的相互作用、驅(qū)油效率等。此外，Zargartalebi等人使用兩種硅基NPs，包括親水和輕度疏水的熏蒸結(jié)合十二烷基硫酸鈉（SDS）溶液，結(jié)果表明，表面活性劑對(duì)巖石表面的吸附作用由于NPs的形成而減弱，NPs保留了巖壁溶液中的表面活性劑分子，阻止了它們?cè)趲r石表面的吸附，因?yàn)閳F(tuán)簇與帶電固體表面之間存在靜電斥力。在他們的研究中關(guān)于NPs吸附表面活性劑的影響，艾哈邁迪，Shadizadeh說(shuō)明NPs吸附表面活性劑[11]有著直接的影響，通過(guò)添加硅NPs到自然表面活性劑解決方案，其吸附碳酸鹽，砂巖和頁(yè)巖已經(jīng)減少。同時(shí)，Cheraghian研究了TiO2對(duì)稠油油藏表面活性劑[12]化學(xué)驅(qū)效率的影響。他們指出，與單獨(dú)注入表面活性劑相比，注入納米鈦表面活性劑溶液可使采收率提高約4.85%。Emadi等研究發(fā)現(xiàn)，在Cedr萃?。–E）表面活性劑中加入SiO2NPs，對(duì)表面活性劑驅(qū)的驅(qū)油性能有很大的影響，可以提高采收率，降低井網(wǎng)密度。

1.3 納米顆粒表面活性劑聚合物驅(qū)

目前，SP化學(xué)驅(qū)的性能是通過(guò)添加納米顆粒來(lái)提高的。許多研究人員的實(shí)驗(yàn)室工作結(jié)果表明，在表面活性劑-聚合物驅(qū)中使用NPs大大提高了采收率。Sharma等對(duì)Pickering乳狀液穩(wěn)定條件下納米SP驅(qū)和SP驅(qū)的采收率進(jìn)行了對(duì)比研究。他們報(bào)告說(shuō)，與常規(guī)SP驅(qū)相比，采用Pickering乳化液可使油田的累計(jì)采收率提高60%。隨后，Sedaghat等研究了SiO2和TiO2NPs對(duì)稠油油藏聚合物表面活性劑驅(qū)效率的影響。研究結(jié)果表明，這兩種類型的NPs均對(duì)潤(rùn)濕性的改變、IFT的降低和石油產(chǎn)量的增加有重要的影響。然而，與納米鈦相比，SiO2NPs在減少接觸角和回收效率方面更有效。Sharma和Sangawi也研究了硅烷在SP驅(qū)油中的應(yīng)用，他們指出，硅烷-SP納米流體可以顯著提高采收率，因?yàn)樗梢越档万?qū)油液的IFT，增加驅(qū)油液的粘度，改變潤(rùn)濕性，使其從中等濕性變?yōu)閺?qiáng)親水性。近年來(lái)，Cheraghian在其關(guān)于NPs對(duì)采收率影響的實(shí)驗(yàn)室工作中指出，添加NPs可以大大提高SP驅(qū)油的效率，SP溶液的吸附量隨著NPs濃度的增加而減少。這是由于表面活性劑[13]具有體積小、表面高、接觸面積小等特點(diǎn)，使其不能與巖石表面接觸。

1.4 智能納米流體注水

目前，以提高采收率為目的lo薩爾-納米流體對(duì)原油采收率的影響受到了廣泛的關(guān)注。Haroun[14]等研究了碳酸鹽巖油藏智能水驅(qū)過(guò)程中不同NPs對(duì)采收率的影響。他們的結(jié)果表明，注入這種智能納米流體后，原油采收率從63%提高到85%左右。Assef等對(duì)MgO對(duì)LoSal水驅(qū)的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究;他們強(qiáng)調(diào)多孔介質(zhì)的Zeta電位通過(guò)在LoSal溶液中加入MgO NPs而變得更具有正電性。因此，在二價(jià)鹽和一價(jià)鹽同時(shí)存在的情況下，細(xì)小顆粒的遷移減少，提高了LoSal水驅(qū)的性能。Huang等人研究了將NPs與水驅(qū)相結(jié)合以提高高含水油藏水波及效率的效果。研究結(jié)果表明，在注水開發(fā)過(guò)程中，粘土和細(xì)粒粘土穩(wěn)定形成，原油采收率顯著提高約37%。

2 納米粒子對(duì)潤(rùn)濕性改變的影響

潤(rùn)濕性改變是提高采收率的重要機(jī)制，從親水體系向強(qiáng)親水體系轉(zhuǎn)變對(duì)提高采收率具有重要作用。眾所周知，可以利用表面活性劑、低礦化度鹽水和選擇性離子等活性物質(zhì)和技術(shù)來(lái)改變巖石表面的潤(rùn)濕性。幾年前，許多研究人員發(fā)現(xiàn)，有一種強(qiáng)烈的NPson潤(rùn)濕性改變的影響。為了更好的理解機(jī)制降低接觸角和改變儲(chǔ)層的潤(rùn)濕性從親油系統(tǒng)對(duì)水潤(rùn)濕，有必要考慮在納米液驅(qū)楔裂壓力的概念。分離壓力可以直接提高原油在孔隙介質(zhì)中的驅(qū)替效率。這主要是由于潤(rùn)濕性的改變，但有效地改變了界面張力。Chengara等指出，納米顆粒在巖石表面形成一層薄膜，在注射壓力的作用下形成薄膜，并傾向于將它們排列成有序的層。因此，在界面上施加的附加分離壓力要大于在散裝液體中施加的分離壓力。此外，Mc-Elfresh等人報(bào)道，在巖石表面形成的納米流體膜具有分離和釋放儲(chǔ)層烴的能力。因此，潤(rùn)濕系統(tǒng)可以由親油變?yōu)橛H水。另一方面，Aveyard等解釋說(shuō)，NPs濃度、大小、鹽度、溫度和表面巖石性質(zhì)等參數(shù)會(huì)影響膜的形成。因此，Ju等在他們的數(shù)值研究中發(fā)現(xiàn)，增加潤(rùn)濕性控制納米顆粒（IOWCA）比增加水潤(rùn)濕性控制劑（IWWCA）更能提高采收率，達(dá)到66.41%。

3 納米粒子對(duì)界面張力降低的影響

油藏油水界面張力降低是提高采收率的重要機(jī)理和目標(biāo)，直接影響著孔隙介質(zhì)中流體的毛細(xì)壓力、滲透率和流動(dòng)特性。這通常是使用非常昂貴的化學(xué)藥品。因此，納米流體[16]提高采收率技術(shù)作為一種新技術(shù)被開發(fā)出來(lái)，以更有效地降低采收率。因此，一些納米顆粒被作為高效的提高采收率劑，如 SiO2[17]、Al2O3和 TiO2[15，18]等。納米顆粒通常試圖在水和原油之間的界面形成一層。這一層在非混相之間產(chǎn)生的界面張力較小，這取決于納米流體中NPs分散的濃度。2012年，Roustaei等人在實(shí)驗(yàn)中研究了不同多晶硅NPs包括疏水性和親油性多晶硅（HLP）和中性濕性多晶硅（NWP）對(duì)IFT降低和提高采收率的影響，他們指出HLP和NWP都提高了采收率。但是從他們的結(jié)果可以看出，HLP NPs對(duì)IFT的影響更大，而NWP納米流體對(duì)潤(rùn)濕性改變的影響更大。

4 研究結(jié)論

世界石油生產(chǎn)仍然不是高度依賴化學(xué)提高采收率。然而，中國(guó)在化學(xué)采油方法的應(yīng)用方面處于領(lǐng)先地位。盡管在過(guò)去的20年中，人們對(duì)基于化學(xué)方法來(lái)提高石油的可回收性的研究興趣不斷增加，但在加拿大和美國(guó)，表面活性劑、聚合物、SP和ASP工藝的大量項(xiàng)目仍在進(jìn)行中，它們大多處于試點(diǎn)階段。除了在勘探、鉆井技術(shù)、生產(chǎn)、煉油和運(yùn)輸?shù)确矫娴膽?yīng)用外，納米顆粒在提高采收率方面的應(yīng)用也引起了人們極大的興趣，并為許多實(shí)驗(yàn)研究做出了貢獻(xiàn)。本文綜述了近年來(lái)NPs在化學(xué)提高采收率方面的應(yīng)用研究進(jìn)展。通過(guò)本次審查，得出以下結(jié)論:

（1）常規(guī)化學(xué)采油方法面臨的一些挑戰(zhàn)和難題，通過(guò)引入納米流體來(lái)解決問(wèn)題。

（2）NPs影響了三次采油機(jī)制，如楔裂壓力、潤(rùn)濕性改變，減少界面張力和流動(dòng)性比率。

（3）NPs分散在不同含水階段(即水、醇類、表面活性劑和聚合物)和提供高采油性能。