纳米技术在化学强化采油中的最新应用进展

解国松

（东北石油大学 石油工程学院提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江 大庆 163318）

尽管石油公司努力使用不同的提高采收率技术，包括聚合物驱、注气、表面活性剂、低矿化度水和热采方法等，但油田总产量仍处于或接近下降阶段。尽管约有50%的原始油层仍以旁路油层或剩余油的形式困在油层中，但一些老油田仍面临废弃。近十年来，许多研究人员试图利用纳米技术[1]在油气工业上的应用，通过创新一些新技术来实现更多的石油商业开采，延缓油田的废弃。纳米技术是世界范围内最新的工业创新，它使用1～100nm的纳米颗粒来增强不同温度下流体的流变性能。该技术涵盖了纳米尺度材料、系统和器件的结构、表征和应用。通过将这些纳米材料（纳米颗粒）添加到各种基底流体中，可以设计和生产具有不同物理性质的不同纳米流体。总的来说，在提高采收率的应用中，纳米颗粒的应用有一些有利的结果[2]。如降低界面张力（IFT）还原、润湿性改变、重油溶胀、沥青质稳定、降低油粘度、提高抽提液粘度、纳米乳液生成、孔道堵塞、解缝压力等。在某些情况下，纳米颗粒在储层流体中的分散可能会产生多种积极的结果。除了在回收率增强机制中的作用外，纳米颗粒在多孔介质中的传输效率也很重要，并且已经得到了研究。Rodriguez[4]等人认为，除了纳米颗粒由于体积小而易于通过多孔介质中的孔喉外，由于其表面活性和高稳定性，纳米颗粒还可以保持分散在溶液中。Kanj[5]等人用量化了可在多孔介质中进行转运的纳米颗粒的适用尺寸，并报道了200μm大小的颗粒可以很容易地转运，具有很高的分散稳定性。此外，李和Torsaeter研究了运输和吸附行为的各种类型的硅NPs通过多孔介质。结果表明，亲水性SiO2无结构颗粒（NSP）比亲水性SiO2胶态纳米颗粒（CNP）具有更好的吸附能力。Aurand和Torsaeter则认为，使用气相SiO2NPs的纳米流体的吸附效率和回收性能优于使用胶体SiO2NPs的纳米流体[6]。最近的几项研究表明，不同类型的纳米颗粒在提高原油采收率[3]方面具有很好的作用，特别是硅基纳米颗粒，因为它们具有改变润湿性、降低界面张力（IFT）和提高流动性比的能力。在他们的尝试中，Onyekonwu和Dogolo研究了各种多晶硅 NPs（PSNP），如亲油亲水（LHPN）、亲水亲油（LHPN）和中性湿PSNP（NWPN）提高采收率的能力;他们发现这3种NPs都能有效地改变储层岩石的润湿性，使之形成强亲水体系。在各种实验研究中，Hendraningratet等证实了硅基NPs通过改变储层岩石表面力来提高采收率的作用。他们的结果表明，在大多数纳米流体驱油[3]过程中，NPs的能力受到一些重要参数的驱动，如NPs的大小、岩石的初始润湿性、NPs的浓度、注入速率和温度。此外，Shahrabadi等人研究了疏水性和亲脂性多晶硅（HLP）纳米流体[3]对原油采收率的影响。结果表明，HLP NP的最佳润湿性从123.34°降至95.44°接触角，IFT从25.6降至1.75mN·m-1，最佳浓度为4gr/lit。通过实验研究，Mohammadiet al.发现Al2O3NP也可以作为提高砂岩油藏采收率的活化剂。后来，Tarek报道了一种新型的提高采收率的方法，即由不同种类的NPs组成的纳米流体，如氧化铝（Al2O3）、氧化铁（Fe2O3）和氧化硅（SiO2），比仅由一种纳米颗粒制备的纳米流体具有更好的采收率。这篇综述将分析和讨论最新发表的关于纳米颗粒在化学强化采油效率的影响文献。我们的目的是解释聚合物、表面活性剂和智能水驱中的纳米颗粒对润湿性和界面张力的影响。

1 纳米技术化学驱油

近年来，许多研究表明，将纳米颗粒（NPs）加入到化学溶液中，可以获得更好的化学EOR性能。Dogolo等人在不同的分散介质（包括分选水、盐水、乙醇和柴油）中，使用不同类型、不同粒径的NPs进行了一些提高采收率的实验。他们报道说，由于原油粘度的降低，分散在蒸馏水和盐水中的铝有提高原油采收率的高趋势。而这两种硅基NPs分散的乙醇提高原油采收率的能力[7]是由于润湿性的改变。但在蒸馏水和卤水中分散MgO和ZnO时，存在一些渗透问题;这导致了较差的石油采收率。所以化学驱油中加入NPs，研究其对润湿性改变、IFT降低和采收率的影响。

1.1 纳米颗粒聚合物驱

为了获得更好的聚合物驱流动性能，近年来对NPs的应用引起了极大的兴趣。Cheraghianet al.研究了NPs在水溶性聚合物吸附到碳酸盐和砂岩表面的作用。他们发现，在碳酸盐岩和砂岩岩石中，纳米粘土和纳米SiO2可以减少聚合物溶液的吸附。Cheraghian研究了不同浓度的氧化钛（TiO2）[8]对聚合物粘度的影响，以提高稠油油藏的采收率。他的结果表明，NPs2.3 wt%浓度的聚合物溶液对流体剪切应力有直接影响，与聚合物驱相比，提高采收率约3.9%。最近，Khalilinezhadet等研究了亲水硅胶NPs对聚合物驱过程中稠油采收率的影响。他们发现硅橡胶可以增加溶液的粘度，减少聚合物的吸附。他们还指出，与传统聚合物驱相比，聚合物驱驱油可提高稠油的采收率和分散SiO2NPs的突破时间[9]。

1.2 纳米颗粒表面活性剂驱

为了更好地进行表面活性剂驱油，许多学者将表面活性剂与纳米颗粒的驱油效果结合起来进行了研究。Kothari等研究了铁磁NPs在表面活性剂驱[10]提高采收率中的应用;他们的结果表明，与传统的表面活性剂驱相比，由于IFT的减少更多，因此，可以获得更好的波及效率。Le等也研究了SiO2NPs与表面活性剂的组合作为纳米表面活性剂驱驱油降低IFT的效率;结果表明，纳米SiO2对提高采收率的机理有很大的影响，包括表面活性剂对岩石表面吸附的减少、原油与卤水的相互作用、驱油效率等。此外，Zargartalebi等人使用两种硅基NPs，包括亲水和轻度疏水的熏蒸结合十二烷基硫酸钠（SDS）溶液，结果表明，表面活性剂对岩石表面的吸附作用由于NPs的形成而减弱，NPs保留了岩壁溶液中的表面活性剂分子，阻止了它们在岩石表面的吸附，因为团簇与带电固体表面之间存在静电斥力。在他们的研究中关于NPs吸附表面活性剂的影响，艾哈迈迪，Shadizadeh说明NPs吸附表面活性剂[11]有着直接的影响，通过添加硅NPs到自然表面活性剂解决方案，其吸附碳酸盐，砂岩和页岩已经减少。同时，Cheraghian研究了TiO2对稠油油藏表面活性剂[12]化学驱效率的影响。他们指出，与单独注入表面活性剂相比，注入纳米钛表面活性剂溶液可使采收率提高约4.85%。Emadi等研究发现，在Cedr萃取（CE）表面活性剂中加入SiO2NPs，对表面活性剂驱的驱油性能有很大的影响，可以提高采收率，降低井网密度。

1.3 纳米颗粒表面活性剂聚合物驱

目前，SP化学驱的性能是通过添加纳米颗粒来提高的。许多研究人员的实验室工作结果表明，在表面活性剂-聚合物驱中使用NPs大大提高了采收率。Sharma等对Pickering乳状液稳定条件下纳米SP驱和SP驱的采收率进行了对比研究。他们报告说，与常规SP驱相比，采用Pickering乳化液可使油田的累计采收率提高60%。随后，Sedaghat等研究了SiO2和TiO2NPs对稠油油藏聚合物表面活性剂驱效率的影响。研究结果表明，这两种类型的NPs均对润湿性的改变、IFT的降低和石油产量的增加有重要的影响。然而，与纳米钛相比，SiO2NPs在减少接触角和回收效率方面更有效。Sharma和Sangawi也研究了硅烷在SP驱油中的应用，他们指出，硅烷-SP纳米流体可以显著提高采收率，因为它可以降低驱油液的IFT，增加驱油液的粘度，改变润湿性，使其从中等湿性变为强亲水性。近年来，Cheraghian在其关于NPs对采收率影响的实验室工作中指出，添加NPs可以大大提高SP驱油的效率，SP溶液的吸附量随着NPs浓度的增加而减少。这是由于表面活性剂[13]具有体积小、表面高、接触面积小等特点，使其不能与岩石表面接触。

1.4 智能纳米流体注水

目前，以提高采收率为目的lo萨尔-纳米流体对原油采收率的影响受到了广泛的关注。Haroun[14]等研究了碳酸盐岩油藏智能水驱过程中不同NPs对采收率的影响。他们的结果表明，注入这种智能纳米流体后，原油采收率从63%提高到85%左右。Assef等对MgO对LoSal水驱的影响进行了实验研究;他们强调多孔介质的Zeta电位通过在LoSal溶液中加入MgO NPs而变得更具有正电性。因此，在二价盐和一价盐同时存在的情况下，细小颗粒的迁移减少，提高了LoSal水驱的性能。Huang等人研究了将NPs与水驱相结合以提高高含水油藏水波及效率的效果。研究结果表明，在注水开发过程中，粘土和细粒粘土稳定形成，原油采收率显著提高约37%。

2 纳米粒子对润湿性改变的影响

润湿性改变是提高采收率的重要机制，从亲水体系向强亲水体系转变对提高采收率具有重要作用。众所周知，可以利用表面活性剂、低矿化度盐水和选择性离子等活性物质和技术来改变岩石表面的润湿性。几年前，许多研究人员发现，有一种强烈的NPson润湿性改变的影响。为了更好的理解机制降低接触角和改变储层的润湿性从亲油系统对水润湿，有必要考虑在纳米液驱楔裂压力的概念。分离压力可以直接提高原油在孔隙介质中的驱替效率。这主要是由于润湿性的改变，但有效地改变了界面张力。Chengara等指出，纳米颗粒在岩石表面形成一层薄膜，在注射压力的作用下形成薄膜，并倾向于将它们排列成有序的层。因此，在界面上施加的附加分离压力要大于在散装液体中施加的分离压力。此外，Mc-Elfresh等人报道，在岩石表面形成的纳米流体膜具有分离和释放储层烃的能力。因此，润湿系统可以由亲油变为亲水。另一方面，Aveyard等解释说，NPs浓度、大小、盐度、温度和表面岩石性质等参数会影响膜的形成。因此，Ju等在他们的数值研究中发现，增加润湿性控制纳米颗粒（IOWCA）比增加水润湿性控制剂（IWWCA）更能提高采收率，达到66.41%。

3 纳米粒子对界面张力降低的影响

油藏油水界面张力降低是提高采收率的重要机理和目标，直接影响着孔隙介质中流体的毛细压力、渗透率和流动特性。这通常是使用非常昂贵的化学药品。因此，纳米流体[16]提高采收率技术作为一种新技术被开发出来，以更有效地降低采收率。因此，一些纳米颗粒被作为高效的提高采收率剂，如 SiO2[17]、Al2O3和 TiO2[15，18]等。纳米颗粒通常试图在水和原油之间的界面形成一层。这一层在非混相之间产生的界面张力较小，这取决于纳米流体中NPs分散的浓度。2012年，Roustaei等人在实验中研究了不同多晶硅NPs包括疏水性和亲油性多晶硅（HLP）和中性湿性多晶硅（NWP）对IFT降低和提高采收率的影响，他们指出HLP和NWP都提高了采收率。但是从他们的结果可以看出，HLP NPs对IFT的影响更大，而NWP纳米流体对润湿性改变的影响更大。

4 研究结论

世界石油生产仍然不是高度依赖化学提高采收率。然而，中国在化学采油方法的应用方面处于领先地位。尽管在过去的20年中，人们对基于化学方法来提高石油的可回收性的研究兴趣不断增加，但在加拿大和美国，表面活性剂、聚合物、SP和ASP工艺的大量项目仍在进行中，它们大多处于试点阶段。除了在勘探、钻井技术、生产、炼油和运输等方面的应用外，纳米颗粒在提高采收率方面的应用也引起了人们极大的兴趣，并为许多实验研究做出了贡献。本文综述了近年来NPs在化学提高采收率方面的应用研究进展。通过本次审查，得出以下结论:

（1）常规化学采油方法面临的一些挑战和难题，通过引入纳米流体来解决问题。

（2）NPs影响了三次采油机制，如楔裂压力、润湿性改变，减少界面张力和流动性比率。

（3）NPs分散在不同含水阶段(即水、醇类、表面活性剂和聚合物)和提供高采油性能。