納米磁流體驅(qū)替原油的作用機(jī)理分析

李雄杰

（中國石油長城鉆探工程有限公司井下作業(yè)分公司，遼寧 盤錦 124010）

隨著納米材料的開發(fā)及學(xué)科交叉的融合發(fā)展，在尺寸和比表面積等方面具有顯著優(yōu)勢的納米材料逐漸被應(yīng)用于油氣開發(fā)的各個(gè)領(lǐng)域[1]。其中納米二氧化硅是應(yīng)用較早較為廣泛的一種納米材料，借鑒于納米二氧化硅的成功應(yīng)用，各種金屬納米材料及改性納米材料逐漸被嘗試于油氣開發(fā)的各個(gè)方面。這其中，納米磁流體因兼具磁響應(yīng)特征和納米流體的雙重優(yōu)勢決定了其在攜油驅(qū)油方面必然具有良好的應(yīng)用前景，但關(guān)于納米磁流體驅(qū)替原油的作用機(jī)理尚未見系統(tǒng)的報(bào)道，因此系統(tǒng)總結(jié)了納米磁流體驅(qū)替原油的作用機(jī)理，為納米磁流體在驅(qū)替原油中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 磁場定向力

納米磁性流體中含大量納米級固相磁性顆粒，當(dāng)存在外加磁場時(shí)，會影響納米磁流體的流動、控制磁流體的運(yùn)動路線，克服由于非均質(zhì)性而造成的低波及范圍的問題，達(dá)到提高采收率的目的。

當(dāng)存在外加的磁場時(shí)，磁性顆粒會因?yàn)榇呕刂艌龅姆较蛐纬梢环N類似鏈條的形狀，對于顆粒變成鏈狀的原因可以用相變理論來解釋。相變理論是磁性顆粒受到分子間的引力和斥力、熱運(yùn)動和布朗運(yùn)動的影響，在不存在外加的磁場的情況下，磁性顆粒會隨機(jī)分布在載液中，體系也能相應(yīng)的保持穩(wěn)定的狀態(tài)。當(dāng)處在外加的磁場中，磁性顆粒被磁化而整齊的排列起來，變成有序相。磁場越強(qiáng)，鏈化的越強(qiáng)，逐漸就會表現(xiàn)出固化的特征[2]。

磁化后的納米磁流體會產(chǎn)生其他的磁場，該磁場和外加磁場相互作用，進(jìn)而產(chǎn)生磁場力。去掉外加磁場后，納米磁流體中的磁性顆粒會進(jìn)行雜亂的運(yùn)動，宏觀上沒有磁性；當(dāng)處在外加的磁場中時(shí)，磁性顆粒會被磁化，顯示出磁性。

2 潤濕性

納米磁性顆粒在巖心內(nèi)的吸附和滯留可以部分覆蓋原有的油濕孔壁，巖石與液體間的部分界面被親水性納米磁性顆粒與液體間的界面所取代，巖心的潤濕性在一定程度上取決于納米顆粒的親水性還是疏水性。采用親油和親水的多晶硅納米顆粒為研究對象，測試砂巖的潤濕性變化，發(fā)現(xiàn)對潤濕性的轉(zhuǎn)變有效的是親水性的多晶硅納米顆粒。

Torseater[3]對納米顆粒在親水性砂巖上的潤濕性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)吸附于砂巖表面的納米顆?？梢赞D(zhuǎn)變巖石的潤濕性。為更好地理解納米顆粒對潤濕性的影響，研究了納米顆粒的加入對溶液接觸角的變化：納米顆粒濃度增加，接觸角會變小、潤濕性也由強(qiáng)油濕變?yōu)槿跤蜐瘢辉谙嗤瑵舛认?，親水性二氧化硅膠體納米顆粒比親水性二氧化硅納米結(jié)構(gòu)顆粒更能減小接觸角。

3 界面張力

界面張力是影響流體在多孔介質(zhì)中分布和運(yùn)動的主要參數(shù)，納米顆粒也被認(rèn)為具有降低界面張力的作用，降低界面張力是納米流體提高采收率的主要機(jī)制。

納米顆粒和表面活性劑驅(qū)或者聚合物驅(qū)在驅(qū)油方面具有協(xié)同作用。Suleimanov等[4]將金屬納米流體 (70～150nm)加入陰離子表面活性劑溶液中，采收率提高了35%，而單獨(dú)使用表面活性劑時(shí)采收率僅提高17%。Hendraningrat[5]等采用垂墜法測定原油與納米流體之間的界面張力，結(jié)果表明：添加納米顆?？墒菇缑鎻埩τ?4.7mN/m降至9.3mN/m。此外，當(dāng)納米流體濃度從0.01%增加到0.05%時(shí)，界面張力值從9.3mN/m降低到5.2mN/m；界面張力對納米流體濃度敏感，隨著納米流體濃度的增加而減小。

Alomair[6]等比較了SiO2和Al203納米流體對界面張力的影響，發(fā)現(xiàn)：納米流體的加入會使界面張力明顯下降；加入SiO2納米流體時(shí)的界面張力值低于Al2O3納米流體時(shí)測得的值，相比較而言SiO2納米流體具有更高的提高采收率潛力；進(jìn)一步比較三種納米顆粒 (Al2O3、SiO2和NiO)在原油和納米流體之間降低界面張力的能力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)SiO2納米顆粒與原油間的界面張力值最低，其主要原因是油水表面上SiO2納米顆粒吸附量最高。

4 其它因素

通過改變井網(wǎng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行角井和邊井交替開采的方式，可以改變磁流體驅(qū)替原油的速度和方向，有效的動用殘余油、提高了波及系數(shù)，增大了原油的采收率。說明合理的井網(wǎng)開采方式對納米磁流體驅(qū)替原油具有協(xié)同作用[7]。

除了直接依賴于納米磁流體磁化率外，磁場力還受到孔隙幾何形狀的強(qiáng)烈影響，現(xiàn)有的提高采收率方法 (如注入表面活性劑)和磁場激發(fā)的納米磁流體的協(xié)同作用有可能驅(qū)替井筒附近更多孔隙中原油[8]。

5 結(jié)語

1）納米磁流體兼具納米磁流體和磁響應(yīng)的雙重優(yōu)勢，外加磁場會影響到磁流體的流動，提高納米磁流體的波及范圍，達(dá)到提高采收率的目的。

2）納米磁流體驅(qū)替原油的作用機(jī)理歸納起來包括磁場定向力、改變潤濕性、降低界面張力、注采井網(wǎng)和儲層孔隙結(jié)構(gòu)等與磁場的協(xié)同作用等。