納米材料改變巖石礦物潤濕性的研究進(jìn)展

佘躍惠， 曾 琦， 董 浩， 胡琳琪， 高國賓

(1.長江大學(xué)石油工程學(xué)院, 武漢 430100; 2.非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心, 武漢 430100)

隨著大多數(shù)地區(qū)的高品質(zhì)石油資源逐漸被開采，越來越多的油田進(jìn)入了開采的中后期[1]，據(jù)預(yù)測，到2030年，全球能源需求將增長50%[2]，與此相反，石油資源卻在逐漸減少。對于低滲透油藏，由于水質(zhì)不合格和油藏堵塞等問題,長期注水將導(dǎo)致注入壓力不斷升高，注水量無法滿足需求(即高壓欠注)。由于傳統(tǒng)的提高采收率技術(shù)存在問題，如化學(xué)試劑成本昂貴、化學(xué)試劑還會導(dǎo)致地層損害和環(huán)保問題等。石油開采領(lǐng)域的研究轉(zhuǎn)向納米材料[3]。納米材料為尚未解決的技術(shù)問題提供了一種新途徑。油藏巖石潤濕性是巖石物理的重要特征，潤濕性變化對滲透率和采收率等參數(shù)評價具有重要作用[4-5]。以納米材料作為介質(zhì)注入地下，與傳統(tǒng)的提高采收率(enhanced oil recovery, EOR)工藝中所使用的氣驅(qū)、水驅(qū)和化學(xué)驅(qū)相比，納米材料顯示出一些不同尋常的優(yōu)勢性能，可以改變巖石的潤濕性，提高采收率[6]。

石油工業(yè)的潤濕性變化是指儲集層巖石的潤濕性恢復(fù)到原始狀態(tài)的過程，即親水性變好。大多數(shù)油氣藏在原油從烴源巖運(yùn)移之前表現(xiàn)為親水性。當(dāng)巖石與鹽水界面或鹽水與油界面之間的引力超過斥力時，巖石的潤濕性會發(fā)生變化。此后，水層坍塌，油接觸巖石表面[7]。1958年，美國報(bào)道了儲層潤濕性對石油生產(chǎn)的重要作用。早期的研究還報(bào)道了碳酸鹽巖儲層的中性潤濕性和強(qiáng)親油潤濕性。這說明潤濕性變化在天然裂縫性碳酸鹽巖儲層中具有重大的意義[8]，即油藏潤濕性由親油變?yōu)橛H水可以提高石油產(chǎn)量。

盡管有許多關(guān)于納米顆粒將儲層巖石從親油性變?yōu)橛H水性的報(bào)道，但是在潤濕性變化實(shí)驗(yàn)中還存在一些局限性，仍然無法得出有關(guān)納米顆粒在實(shí)際復(fù)雜油藏條件下性能的結(jié)論。例如，通常通過接觸角測量來確定納米顆粒的潤濕性變化。在這種方法中，在進(jìn)行試驗(yàn)之前，先將巖石礦物浸入納米顆粒流體進(jìn)行處理，或者在將油滴附著在巖石表面之前與納米顆粒流體接觸[9]。

1 不同的儲層巖石系統(tǒng)

雖然世界各地親油油藏和親水油藏的數(shù)量存在爭議，但可以肯定的是，石油開采過程中，70%強(qiáng)親水油藏逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)親油油藏，也有文獻(xiàn)報(bào)道了不同程度的中性潤濕油藏[10]。此外，Cao等[11]認(rèn)為親水油藏以砂巖為主，而親油油藏以碳酸鹽巖為主。

1.1 油/鹽/砂巖系統(tǒng)

近十年來，大多數(shù)針對潤濕性變化的試驗(yàn)研究都是為了將納米材料應(yīng)用于油/鹽/砂巖體系中。一般情況下，由于砂巖儲層多為親水型，采收率高于碳酸鹽巖儲層。在巖心驅(qū)替試驗(yàn)中，近年來對納米材料及其在改變砂巖樣品潤濕性方面的研究主要集中在砂巖巖心上。巖心主要是從不同油藏的砂巖塊中切割而來。Hendraningrat等[12]使用砂巖巖芯樣品來評估硅基納米流體的潤濕性行為，研究結(jié)果表明，納米流體改變了石英的潤濕性，使其對水的潤濕性提高了15%～33%。Giraldo等[13]采用干凈的硅砂作為砂包的填料，在50 ℃和19.3 MPa進(jìn)行試驗(yàn)，在水驅(qū)中利用0.05%的氧化鋁納米材料將親油巖石潤濕性轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)親水性，有效滲透率從521.6 mD增加到696.2 mD，增加了33%。隨后，不同的研究人員將試驗(yàn)應(yīng)用于巖石的親水態(tài)、親油態(tài)或中性潤濕態(tài)，然后比較了潤濕性變化采油率的變化。任坤峰等[14]針對蓬萊稠油油藏注水井注水壓力高、吸水能力差等一系列問題采用了SiO2納米材料+復(fù)配表面活性劑+助劑等制備了一種復(fù)合納米降壓增注體系。該體系能夠讓巖石的表面潤濕性發(fā)生改變，通過潤濕性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模擬地層水與巖心切片表面的接觸角為46.5°，該切片通過該液體處理后，接觸角變?yōu)?34.5°，能表現(xiàn)為明顯疏水性；巖心實(shí)驗(yàn)，使用該體系能夠降低 40%的注入壓力，納米材料通過改變巖石潤濕性可達(dá)到稠油油藏降壓增注的目的。

1.2 油/鹽水/碳酸鹽系統(tǒng)

據(jù)估計(jì)，世界上碳酸鹽巖(白云巖和石灰?guī)r)占油氣藏的比例超過50%，屬于明顯的天然裂縫性油氣藏[15]。研究表明，84%的碳酸鹽巖地層為親油型，8%為中性，8%為親水型。儲層的親油性是導(dǎo)致儲層注水效率低的因素之一。很多學(xué)者試圖通過納米材料改變這些巖石潤濕性。Ahmadi等[16]在壓力為12 MPa和溫度為100 ℃的條件下，使用來自伊朗西南部的碳酸鹽巖心樣品，進(jìn)行巖心驅(qū)替實(shí)試，將納米材料濃度提高到0.6%，最終采收率提高到65.23%；但將納米材料的濃度提高到超過1%，最終采收率沒有明顯變化。Moslan 等[17]研究了納米氧化鋁顆粒對碳酸鹽巖儲集層潤濕性變化的影響，并確定這種納米材料能夠?qū)櫇裥韵到y(tǒng)從油潤濕變?yōu)樗疂櫇瘢⑹共捎吐侍岣?1.25%。同時，Moghaddam等[18]研究了多種納米材料對碳酸鹽巖潤濕性改變的影響，如ZeO2、CaCO3、SiO2、碳納米管(CNT)等。 在所有納米顆粒中，最終通過對潤濕性的定性和定量結(jié)果，SiO2、TiO2、CaCO3為較好的改變潤濕性的納米材料。Bila等[19]研究出了新型巖石微觀模型，可以觀察到各類巖石的橫斷面，包括其孔隙喉道大小及注入納米材料后的明顯變化。

相比之下，盡管世界上大多數(shù)儲層為碳酸鹽巖，但碳酸鹽巖的研究較少，研究表明，不同的納米材料對油/鹽水/碳酸鹽巖體系的潤濕性有較大的影響。因此，建議深入研究納米材料在碳酸鹽巖體系下潤濕性變化的情況。對于不同巖石體系，納米流體均具有穩(wěn)定的性能，并且能夠?qū)r石表面的潤濕性改變?yōu)閺?qiáng)水潤濕，并且比常規(guī)化學(xué)驅(qū)油效果更好[20-21]。

2 用于潤濕性變化的納米顆粒

納米材料被定義為大小在1～100 nm的顆粒[22]。Fakoya等[23]使用的納米粒子大小僅僅只有20 nm。其粒徑與儲層孔徑相比要小得多。許多研究人員發(fā)現(xiàn)不同種類納米材料都能有效改變巖石潤濕性(表1[17-18，20-21])。納米材料可以很容易地流過多孔介質(zhì)，并且不會導(dǎo)致地層滲透率降低。因此，納米材料可以影響到更多的區(qū)域，并增加宏觀波及效率[24]。納米材料在鉆井和油田作業(yè)中表現(xiàn)出良好的性能，而且在改善表面活性劑驅(qū)、抑制瀝青質(zhì)等石油工業(yè)的諸多方面也有良好的應(yīng)用前景。

表1 納米粒子對接觸角影響的研究[17-18，20-21]Table 1 Research on the impact of nanoparticles on contact angle[17-18，20-21]

用于研究的各種納米材料類型的選擇是有限的。由于SiO2存在于地層中，價格便宜，可通過物理/化學(xué)方法改性且對環(huán)境友好[25]。這些納米材料分散體往往是不穩(wěn)定的，并在苛刻的條件下(高溫、高壓和鹽度)容易發(fā)生聚集。因此，在某些低含油氣儲層中，它們可以作為潤濕性變化的良好選擇。多晶硅是第一種用于改變巖石潤濕性的納米材料。多晶硅的主要成分是SiO2。這些SiO2納米粉體具有較強(qiáng)的疏水性和親油性，是1種新型的注劑。多晶硅還可吸附在巖石表面，改變巖石的潤濕性。根據(jù)顆粒的表面潤濕性，多晶硅可分為3種不同類型的疏油親水多晶硅(lipophobic and hydrophilic polysilicon, LHP)、中性可濕性多晶硅(neutral-wet polysilicon, NWP)和疏水親油多晶硅(hydrophobic and lipophilic polysilicon, HLP)。由于多晶硅吸附對巖石潤濕性的影響不同，這3種類型均可用于不同類型油藏的采油。同時，表面活性劑與納米材料結(jié)合適用于砂巖以及碳酸鹽巖儲層，并且其中性電荷可提高在高鹽儲層中的相容性[26]，但因表面活性劑吸附在地層會導(dǎo)致表面活性劑流失，消耗很多表面活性劑，經(jīng)濟(jì)成本高[27]。近年來，Al2O3、2rO3、TiO2、MgO等金屬氧化物納米粒子被報(bào)道在改變潤濕性上具有前景，如Mohammadi等[28]研究了TiO2納米顆粒對接觸角影響，結(jié)論是TiO2納米流體使接觸角變小，這意味著可潤濕性從親油性變?yōu)橛H水性。

Safari等[29]選擇了14種不同大小的疏油親水多晶硅納米材料(LHPN)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，LHPN濃度越高(0.1%)，親水越強(qiáng)。Al-Anssari等[30]研究了SiO2納米顆粒對碳酸鹽巖潤濕性變化的影響，并得出納米材料使巖石親油性向親水性轉(zhuǎn)變的結(jié)論。Sajjadian等[31]研究了使用含SiO2和碳的納米流體對生產(chǎn)率指數(shù)的影響，同時記錄了潤濕性從親油到親水的轉(zhuǎn)變，采收率增加了5%。Li等[32]使用Wenzel模型研究了表面粗糙度對表面潤濕性的影響，結(jié)果表明，由納米顆粒吸附引起的具有不均勻粗糙度的孔壁是潤濕性變化的主要機(jī)理。Ni等[33]研究了表面粗糙度和表面自由能對表面潤濕性的影響，得到結(jié)論是表面粗糙度越高，表面自由能越低，潤濕性變化越明顯，使用的納米顆粒具有納米結(jié)構(gòu)，覆蓋了固體表面，將潤濕性從油濕變?yōu)樗疂?。綜上所述，自從發(fā)現(xiàn)潤濕性變化能明顯提高石油的產(chǎn)量，研究人員一直關(guān)注納米材料改變潤濕性的能力。納米材料易吸附在儲層巖石表面，形成親水層，進(jìn)而改變潤濕性。

由于納米材料應(yīng)用于巖石潤濕性的改變，其中幾個參數(shù)對提高其性能和提高最終采收率具有重要影響，如納米材料類型、濃度、尺寸、吸附時間、暴露時間、巖石類型、熱穩(wěn)定性、壓力穩(wěn)定性等。為了研究潤濕性變化，一些研究人員使用了小于40 nm的納米材料。預(yù)測未來的研究可能集中在合成或制備更小尺寸的納米材料。這是因?yàn)檫@樣的納米材料導(dǎo)致接觸角和潤濕性有較大的變化。Nazari Moghaddam等[34]比較了包括金屬納米材料在內(nèi)的不同納米材料在碳酸鹽巖上的性能，在所有的研究中，選擇CaCO3和SiO2納米材料作為實(shí)驗(yàn)材料，基于接觸角測量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行了巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。Roustaei等[35]研究了納米流體濃度對潤濕性的影響，一組放在油中老化碳酸鹽巖心切片上，油相接觸角為35°，表明存在強(qiáng)親油性，另一組用6個不同濃度(0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%)的納米顆粒浸泡過的巖心切片測量其接觸角，油相的接觸角增加到130°，表明巖心潤濕性發(fā)生了變化，結(jié)果表明，濃度為0.4%的納米流體顯著改變巖石的潤濕性，從強(qiáng)親油狀態(tài)變?yōu)閺?qiáng)親水狀態(tài)。通過對不同巖石類型表面的進(jìn)一步研究，揭示了納米材料對巖石表面潤濕性的不同作用；研究了高溫200 ℃和高壓3.45 MPa對納米材料影響，高溫使表面更加親水，然而，高壓對接觸角的影響較小。此外，納米流體在高溫下很穩(wěn)定。

Sofla等[36]測試pH和鹽度對納米材料穩(wěn)定性影響，納米粒子很容易分散在去離子或低鹽度水中，而在高鹽度海水或地層水中不穩(wěn)定。低pH可以減少納米顆粒在表面的吸附，從而產(chǎn)生較小的接觸角，造成較小潤濕性變化甚至不改變?；谝幌盗形⒘黧w研究，Betancur等[37]研究了使用表面活性劑和納米材料混合物對提高采收率效率的影響，得到結(jié)論是提高采收率的主要原因是增強(qiáng)了注入液穩(wěn)定性，改善了多孔介質(zhì)潤濕性。Keykhosravi等[38]研究存在一價和二價鹽即NaCl和MgCl2的二氧化硅納米顆粒的穩(wěn)定性，SiO2納米流體在MgCl2存在下的平均粒徑為與48 h后的NaCl相比，幾乎是其8倍，還發(fā)現(xiàn)zeta中MgCl2存在下的電位明顯小于NaCl。這種差異表明MgCl2中的二氧化硅納米顆粒之間的排斥力強(qiáng)度比NaCl弱，因此，二價陽離子易導(dǎo)致二氧化硅納米流體的穩(wěn)定性降低。

正因?yàn)槎鄠€因素都能對納米材料產(chǎn)生不同的影響，對改性的納米材料與其未改性的納米材料的比較也是有必要的，雖然納米材料具有很多優(yōu)良的特點(diǎn)，但是也存在許多問題，如工業(yè)大量生產(chǎn)存在難度、納米粒子的穩(wěn)定性也存在問題等，針對納米材料對潤濕性變化的作用機(jī)理還需要進(jìn)一步研究。

3 潤濕性變化測量

研究人員一直在研究合理、可靠的方法和儀器來測量潤濕性變化。Rao等[39]研究了不同類型的常用潤濕性測量儀器。然而，測量潤濕性變化還沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。有些方法是被大家認(rèn)可的，因?yàn)椴捎盟鼈兊玫搅肆己玫脑囼?yàn)結(jié)果。下面介紹了幾種常用的潤濕性測試方法。這些方法主要分為兩大類，即以平板和基板為主體的靜態(tài)方法和以儲層巖心或者模擬的巖心為主要研究對象的動態(tài)方法。

3.1 靜態(tài)方法

接觸角測量是一種研究潤濕性變化的常規(guī)方法，可以用來分析潤濕性變化，因?yàn)閹r石傾向于親油轉(zhuǎn)向親水。雖然許多關(guān)于潤濕性變化的研究都采用了接觸角測量，但對接觸角測試的形式還沒有全面的標(biāo)準(zhǔn)。此外，將接觸角值作為潤濕性定義的基礎(chǔ)仍存在爭議。

Morrow[40]通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證接觸角測量可用于靜態(tài)狀態(tài)下的測量。Sharma等[41]總結(jié)出大多數(shù)研究者都使用靜態(tài)方法測量納米材料對潤濕性的影響。Sangwook等[42]通過實(shí)驗(yàn)，測試了表面材料(玻璃、金和硅片)對接觸角和界面張力的影響，結(jié)果表明，液滴形狀分析是評價真實(shí)平衡接觸角的一種合適方法，玻璃和金板上的接觸角測角儀的測量結(jié)果有很好的一致性。隨后，Aurand[43]通過X射線觀察巖心礦物組成，接觸角測量能清晰地觀察到納米材料對巖石的潤濕性變化，結(jié)果表明納米材料影響潤濕性變化，并影響界面張力。

隨著科技的不斷發(fā)展，用于測量接觸角的技術(shù)從簡單的數(shù)碼相機(jī)和接觸角的快照到環(huán)境掃描電子顯微鏡等先進(jìn)技術(shù)[44]，接觸角測量是一種可以通過圖像看出潤濕性變化的常規(guī)方法，具有直觀和簡單易操作的特點(diǎn)，所以接觸角測量檢測潤濕性變化的方法一直深受人們喜歡。利用納米材料進(jìn)行的潤濕性變化研究如表2[30，34-35，41-48]所示。

3.2 動態(tài)方法

3.2.1 宏觀巖心驅(qū)油模型

通過宏觀模型驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，研究了納米流體的驅(qū)油性能。驅(qū)油系統(tǒng)可以是簡單的、手動的、單用途的，也可以是先進(jìn)的、模塊化的、計(jì)算機(jī)控制的，并可根據(jù)不同的要求進(jìn)行配置。此外，在不同油藏條件下，需要配備不同的附件[49]。

在進(jìn)行巖心驅(qū)替試驗(yàn)之前，正確準(zhǔn)備巖心是很重要的。Hendraningrat等[12]先將巖心浸泡于甲苯中，在65～70 ℃下放置6 h，然后再在相同的溫度下在甲醇中浸泡6 h。最后，通過將巖心在70 ℃的烤箱中再加熱6 h烘干。Giraldo等[13]將巖心樣品浸泡于甲苯中，隨后，在40 ℃下干燥24 h。Mohammadi等[50]在巖心驅(qū)替試驗(yàn)之前，用索氏萃取法清洗巖心，然后將清洗后的巖心放在150 ℃的烤箱中48 h，對巖心抽取真空，以確保巖芯中沒有空氣，巖心在室溫下用鹽水飽和，以確定其孔隙度和滲透率，將原油注入巖心，直到?jīng)]有鹽水產(chǎn)出，然后將巖心放在原油中老化5 d，以恢復(fù)儲層條件。Roustaei等[35]將巖心在Dean-Stark裝置中，在自然環(huán)境壓力下，與甲苯蒸氣接觸4 d，然后，將其抽空60 min，用5%NaCl鹽水溶液飽和之后，將樣品放入巖心夾持器中，并用重油置換鹽水，直到不再采出鹽水，然后將芯塞在80 ℃的油中老化20 d。老化后，將重油置換為6倍孔隙體積(pore,PV)的十氫化萘，然后用輕油置換，最后，在室溫下老化10 d，以恢復(fù)儲層平衡狀態(tài)。

綜上所述，在不同親油、親水或中性潤濕條件下，巖石/鹽水系統(tǒng)需要不同的準(zhǔn)備，以恢復(fù)儲層平衡狀態(tài)。

表2 基于靜態(tài)方法的含納米材料的潤濕性變化的研究[30，34-35，41-48]Table 2 Studies on wettability changes of nanomaterials based on static methods[30，34-35，41-48]

為了評估納米流體對潤濕性變化的影響，可以用各種納米流體、使用不同的注入順序、不同巖心中注入的流體的老化時間、不同實(shí)驗(yàn)條件(環(huán)境條件，儲層條件或特殊溫度/壓力)等。Ju等[51]利用疏油性-親水性多晶硅納米顆粒(LHPN)在溫度80 ℃條件下，進(jìn)行巖心驅(qū)替研究，該納米流體具有良好的性能，在注入2倍孔隙體積的LHPN納米流體后，采收率增加了17.6%。Esfandyari等[52]研究了溫度對納米材料的影響，在26、40、50、60 ℃的不同溫度下，使用3種金屬氧化物納米材料(Al2O3、TiO2、SiO2)做了巖心實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在60 ℃下進(jìn)行第2次采油后，3種納米材料采收率最高；同樣，通過SiO2納米流體獲得了采收率57.7%，而使用Al2O3和TiO2采收率則達(dá)到65.7%和61.9%，后通過接觸角測量，發(fā)現(xiàn)巖石從潤濕性從親油性變?yōu)榱擞H水性，得到結(jié)論：較高的溫度可能對某些納米材料，如Al2O3納米材料有效，發(fā)現(xiàn)通過納米材料改變潤濕性是提高采收率的重要機(jī)制。Roustaei等[35]在水驅(qū)后基于納米流體的老化時間改變潤濕性進(jìn)行2組納米流體驅(qū)替實(shí)驗(yàn)；一組是注入納米流體后立即水驅(qū)，另一組是將納米流體老化24 h后水驅(qū)，結(jié)果表明，第1組原油采收率增加了9%和12%(注入1倍孔隙體積的納米流體后立即進(jìn)行水驅(qū))。第2組的采油量增加了16%和17%，明顯可以看出納米流體老化24 h得到了更高的采油量。

Keykhosravi等[53]證明γ-Al2O3納米材料可以提高原油采收率，在天然巖石中通過注水沒有得到任何油，注入納米材料后，采出大量的油，結(jié)果還表明，納米顆粒的濃度從0.01%增加到0.3%能使采油率不斷提高，最高可達(dá)到原始采油量的11%，而濃度進(jìn)一步增加到0.5 wt%則導(dǎo)致采油的增加量減少，采油結(jié)果與接觸角測量結(jié)果一致，在接觸角測量中，γ-Al2O3納米顆粒成功地將巖石的潤濕性從強(qiáng)親油性改變?yōu)橛H水性。Rellegadla等[54]使用200 nm鎳納米顆粒和黃原膠的混合物做實(shí)驗(yàn)得到結(jié)論：用黃原膠和鎳納米顆?；旌衔锘厥盏臍堄嘤偷淖罡呋厥章蕿?.98%，而分別用黃原膠和納米顆粒驅(qū)油的殘余油回收率分別為4.48%和4.58%,結(jié)果表明，納米粒子輔助聚合物驅(qū)油方法能夠提高采收率。Keykhosravi等[38]通過巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，使用含有NaCl的SiO2納米流體采出油的量增加14%，而含MgCl2的SiO2納米流體的油回收率最低，穩(wěn)定性也極差，得到結(jié)論：二價陽離子Mg2 +導(dǎo)致部分SiO2納米材料沉淀，并形成較大顆粒的納米顆粒分散體，而影響SiO2納米材料改變巖石潤濕性的能力，從而降低采油量。通過以上的實(shí)驗(yàn)表明，通過單一變量或者多個變量的改變，對潤濕性變化的程度都完全不同。表3[12，15，35，38，52，54-57]所示為使用納米材料進(jìn)行宏觀模型巖心驅(qū)替方法的潤濕性變化的部分研究。

3.2.2 微觀巖心驅(qū)油模型

進(jìn)行微觀模型巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)主要研究孔隙尺度二維結(jié)構(gòu)的流動行為。玻璃微模型研究還可以包括圖像分析。此外，可以在視覺上觀察到孔喉內(nèi)的流體分布的任何改變。此外，還可以定量評估采油情況。與宏觀模型驅(qū)替類似，微觀模型需要一個準(zhǔn)備過程，但以不同的方式具有高精度。Mohajer等[58]通過微觀模型沖洗溶劑(去離子水、二氯甲烷、丙酮和甲苯)進(jìn)行清洗過程以確保其精度。

Mohebbifar等[45]使甲苯蒸汽在整個微模型中循環(huán)幾分鐘，然后用乙醇溶液循環(huán)，然后用去離子水(通過低流速高壓泵)進(jìn)行水驅(qū)，最后，該模型用重質(zhì)原油飽和并老化20 d，注入1倍孔隙體積的生物聚合物(黃原膠)和SiO2納米材料，結(jié)果顯示，最終采收率增加了12%以上，最終回收率為78%。Lu等[59]在2017年通過11次巖心驅(qū)油測試，研究了SiO2納米顆粒濃度、注入速率和注入方案等注入?yún)?shù)對采油率的影響，觀察到石英/油/鹽水系統(tǒng)之間的潤濕性變化，得到結(jié)論：納米顆粒傾向于黏附在巖心的孔隙表面，使巖心變?yōu)榱藦?qiáng)親水性，與常規(guī)水驅(qū)相比，采油量可額外增加4.48%～10.33%。

Sharma等[60]使用常規(guī)油田聚合物聚丙烯酰胺(PAM)和納米顆粒(SiO2和黏土)配制了新型Pickering乳液，與傳統(tǒng)的表面活性劑和聚合物驅(qū)油相比，這些表面活性劑在高溫下穩(wěn)定，不僅可以改變潤濕性，穩(wěn)定并降低乳液的界面張力，在高溫下觀察到的原油采收率提高了約80%。隨后，Al Yousef等[61]通過將表面活性劑與SiO2納米材料的協(xié)同作用，能使納米顆粒發(fā)揮更好的效果，該實(shí)驗(yàn)中用的表面活性劑為復(fù)合納米流體(CNF)陰離子表面活性劑，使用的納米材料是改性的SiO2納米粒子，通過將表面活性劑與表面改性的SiO2納米粒子混合，還可以提高泡沫穩(wěn)定性，只使用表面活性劑采油，采油率達(dá)到76%，加入SiO2納米材料后，采油率能高達(dá)80%[62]。Liang等[63]證明由于低滲透率巖石具有較大的比表面積，可以讓表面活性劑形成液態(tài)納米流體(LNF)的熱力學(xué)穩(wěn)定狀態(tài)，可以最大程度地減少表面活性劑在巖石表面的吸附,盡管吸附的納米顆粒少，仍然能有效地改變巖石的潤濕性，提高原油采收率。

表3 基于宏模型巖心驅(qū)替法的納米顆粒改變潤濕性研究[12，15，35，38，52，54-57]Table 3 Research on the wettability change of nanoparticle based on macro model core displacement method[12，15，35，38，52，54-57]

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，研究人員使用幾種表面成像技術(shù)來測量潤濕性變化。這些方法對評價潤濕性變化具有一定的參考價值。薄膜干涉儀也可用于潤濕性變化研究。納米顆粒的濃度和低pH環(huán)境都可能影響納米顆粒在巖石表面的吸附，從而影響其潤濕性。納米粒子濃度越高，納米粒子吸附越多，親水性越強(qiáng)。納米流體的pH越低，納米顆粒在表面上的吸附越少。然而，即使吸附的納米粒子很少，也足夠?qū)櫇裥愿淖冇H水性[64]。

4 結(jié)論與展望

潤濕性作為巖石儲層的一個關(guān)鍵性質(zhì)，研究其變化在石油開采中具有重要意義。納米材料由于其獨(dú)一無二的性質(zhì)，在改變儲層巖石潤濕性中顯示出了很好的效果。納米材料可以進(jìn)入多孔介質(zhì)中的通道，并改變它們的表面特征，而且它極易吸附在巖石表面形成親水層。世界上大多數(shù)儲層為碳酸鹽巖儲層，但對其研究還較少，需要深入研究納米材料改變碳酸鹽巖儲層潤濕性機(jī)理。

隨著納米技術(shù)研究的不斷深入，已經(jīng)確定了納米材料尺寸、類型、濃度、溫度、鹽度和分散介質(zhì)等參數(shù)會影響其性能，通過改變參數(shù)，能更好發(fā)揮其優(yōu)良性能。雖然納米材料具有很多優(yōu)良的特點(diǎn)，但也存在一些問題，如納米材料還未能大量工業(yè)化應(yīng)用，針對納米材料對儲層潤濕性變化的作用機(jī)理還需要進(jìn)一步研究。

為了研究納米流體對動態(tài)潤濕性變化的影響，通過宏觀模型和微觀模型巖心驅(qū)替系統(tǒng)進(jìn)行不同條件的潤濕性變化和驅(qū)油實(shí)驗(yàn)。表明納米材料能改變巖石表面的潤濕性，注入納米溶液的原油最終采收率明顯高于注入水的最終采收率。通過納米材料與表面活性劑的協(xié)同作用，能得到更好的驅(qū)油效果。

納米技術(shù)是涵蓋微生物學(xué)、化學(xué)和物理學(xué)等學(xué)科的綜合性跨領(lǐng)域技術(shù)，在各個行業(yè)領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用。隨著學(xué)科之間的不斷交叉和發(fā)展，納米技術(shù)必將會深入石油行業(yè)的各個領(lǐng)域，因其具有無毒、環(huán)保、改變潤濕性且提高采收率的良好性質(zhì)，已被應(yīng)用于各種復(fù)雜油藏，雖然在實(shí)用層面和經(jīng)濟(jì)層面還需要進(jìn)一步改善提高，但納米技術(shù)會為提高原油采收率帶來新的機(jī)遇和新的挑戰(zhàn)。