纳米颗粒材料在油气田开发中的应用进展*

赵跃军，李宜霖，董驰，赵宇璇，陈昊

(1. 东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆 163318；2. 东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江大庆 163318；3. 中国石油新疆油田公司，新疆克拉玛依 834099)

纳米颗粒材料(nanoparticles, NPs)是指尺寸为1～100 nm的纳米粒子，因其表面存在等离子体共振效应，具有优异的催化活性、内在的反应活性、良好的吸附亲和性和分散性[1]。这些特性受到材料的晶界、单位体积表面积、粒径、纯度、导热系数等因素的影响。较大的表面积增强了纳米颗粒材料的热物理性质，小粒径增加了其作为吸收体流体的潜力。在力学性能方面，纳米颗粒材料与其他复合材料相比，具有较高的延展性、较高的平均硬度和较大的应变性[2]。

纳米颗粒表面积与体积的比值远超过常规尺度比值，粒子表面积也高于大部分由相同材料制成的微观粒子与宏观材料。更重要的是，即使在油气储层的高温高压条件下，纳米颗粒材料也能表现出较强的化学稳定性，并且具有较强的选择性吸附性，这对油气田开发提高采收率过程的优化至关重要[3-4]。

纳米颗粒材料按照材质不同进行分类，可分为金属及金属氧化物材料、有机材料、无机材料、纳米复合材料、纳米聚合材料等，其性质见表1。

表1 纳米颗粒材料种类统计

1 驱油机理

纳米颗粒材料的驱油机理通常较为复杂，是多种驱油机理相互耦合，最终起到提高采收率的作用。总体上，纳米颗粒材料驱油机理可分为宏观驱油机理和微观驱油机理两部分。

1.1 宏观驱油机理

1.1.1 改变润湿性

纳米颗粒材料通过吸附于岩石表面来改变其润湿性[15]。不同的纳米颗粒具有不同的润湿性，亲水性纳米颗粒可以将亲油地层改变为中性或亲水，亲水的纳米颗粒材料应优先用于亲油地层，而疏水的纳米颗粒材料应用于亲水地层,从而提高原油采收率[16]。纳米流体对储层润湿反转的机制分为纳米颗粒材料的润湿铺展[17]以及纳米颗粒材料和岩石壁面的吸附作用[18]两方面。

1.1.2 降低界面张力

由于纳米颗粒材料的低界面张力(如磁性铁纳米颗粒[19])，使其容易进入物性较差地层，并与残留在岩石孔隙中的原油发生作用，使得原油和水之间的表面张力降低，从而使油滴从岩石孔隙中流出，聚结成油带，在注入介质的驱动下被采出[20]，从而提高驱替效率，起到进一步提高采收率的效果。

1.1.3 改善流度比

纳米颗粒材料能够增加注入介质的黏度或降低地层原油的黏度，来改善两者之间的流度比，提高驱替效率。有研究发现，氧化铜纳米颗粒材料能够提高注入水的黏度[21]；氧化铝纳米颗粒材料与盐水混合能够通过破坏C—S键来降低地层原油黏度[22]；同时纳米颗粒的存在增加了稠油固体分子之间的碰撞裂解概率，增加了小分子挥发分与不易挥发的饱和分比例，促进稠油固体组分裂解，使稠油固体的黏度减小[23]。

1.1.4 扩大波及体积

雷群等[24]采用低场核磁共振岩心驱替装置测试了纳米颗粒材料驱油剂扩大水驱波及体积的效果，结果表明纳米颗粒材料驱油剂能够在水驱的基础上增加 10%～20%的波及体积，机理为在纳米颗粒材料的作用下水分子间的氢键缔合作用被减弱，水分子间的网络结构被改变，从而使注入水进入了常规水驱试验中不能波及的低孔低渗区域。

1.2 微观驱油机理

1.2.1 分离压力

分散在水中的纳米颗粒在布朗运动和颗粒间静电排斥力的共同作用下，具有在不连续流体的三相界面处形成楔形膜的趋势，并逐渐向前推进，从而产生了分离压力[25]。分离压力的形成导致三相界面力的平衡被打破，引起系统的某些特性发生改变，最终可能表现为驱替现象[26]。吴伟鹏等[27]对此机理进行了深入研究，发现在分离压力驱动下，纳米流体能够沿着表面扩散从而使微观模型喉部的油滴脱落。

1.2.2 密度差异

在含水饱和度较高的细小孔隙中，由于水和纳米颗粒之间的密度差异，纳米颗粒会在孔喉处聚集，使得注入的流体能够流向邻近的孔隙，从而增加了孔隙的压力，导致该孔喉处的流动阻力变大，促使水流向相邻的孔隙并驱替出孔隙中的原油，原油被驱替后流动阻力减小、孔隙压力下降，纳米颗粒逐渐随水运移而出，孔隙恢复流通，在这种情况下，纳米颗粒可以被载体流体再次取代[28-29]。

1.2.3 纳米减阻机理

纳米减阻的理论依据是纳米颗粒材料的吸附作用和水流滑移效应。纳米颗粒材料进入储层微孔道后，与水之间发生竞争吸附，纳米颗粒材料利用其多氢键的优势牢固吸附在微孔道壁面，形成纳米结构层。这种纳米结构层具有极强的疏水作用，使水流在“纳米效应”的作用下产生一定滑移现象，从而提高了流速，起到了减阻的作用[30]。

2 纳米颗粒材料在油气田开发中的应用

2.1 纳米颗粒材料作为驱油剂

室内驱油试验是确定特定油藏条件下采收率的常用方法。在岩心驱油试验中，纳米颗粒材料是重要的驱油剂。Ehtesabi等[31]使用TiO2纳米颗粒材料对砂岩岩心进行驱油试验。试验结果表明：使用矿化度5 g/L的盐水时，采收率为49%；而使用TiO2纳米颗粒材料的采收率高达80%。Li等[32]利用不同的SiO2纳米颗粒材料进行了多次驱油试验，结果表明，注入SiO2纳米颗粒材料可在极低质量浓度(0.01 mg/L)的情况下提高采收率。Youssif等[33]比较了水驱和碳纳米颗粒材料的驱油效果，注入水的油藏采收率可达到46%～63%，而通过选择合适的碳纳米颗粒材料，采收率可提高到57%～85%。

2.2 纳米颗粒材料作为调剖剂

Lakatos等[34]发现纳米颗粒材料可以改善堵水调剖剂的原位成胶能力，调控成胶时间。Hou等[35]研制了一种新型的有机-无机纳米颗粒材料复合凝胶调剖剂，该复合凝胶体系在酸性环境下表现出良好的耐高温、高压、高弹性的性能，封堵率达到95%以上，是一种环境友好型调剖剂。郭宇[36]研究了由纳米颗粒材料和表面活性剂复配而成的调剖剂的性能，复合体系的最佳注入参数为PV数0.5，质量浓度为1.5 g /L的纳米微球溶液和PV数0.5，质量浓度1.0 g/L的表面活性剂溶液。Ito等[37]研发了一种碳纳米管/橡胶复合材料，该纳米复合材料具有较好的耐温(260 ℃)、耐压(310 MPa)性能，可应用于高温、高压储层改善注水采油剖面。

2.3 纳米颗粒材料作为稳定剂

Pei等[38]研究了铝、铜等纳米颗粒材料及其氧化物对乳状液稳定性的影响。研究发现，亲水纳米颗粒材料的应用使油水分离更加容易，乳液稳定性下降。在另一项研究中，Al-Otaibi等[39]发现稳定的乳状液可以由二氧化碳、纳米颗粒和水形成。纳米颗粒材料的浓度和基液体积分数是影响乳状液稳定性的重要参数。Ashrafizadeh等[40]使用SiO2纳米颗粒材料和4种表面活性剂(阳离子、阴离子、离子偶极子和非离子)对盐水中形成的油乳液进行了测量和评价，研究发现，纳米颗粒材料乳剂具有高效、低成本的特点。Aminzadeh-Goharrizi等[41]研究了纳米颗粒对水中二氧化碳泡沫的稳定性，发现纳米颗粒可以改变环境中二氧化碳的运动模式和分布，同时也降低了二氧化碳流动性。孙乾等[42]也对改性纳米颗粒在稳定二氧化碳泡沫中的性能进行了评价，发现表面改性二氧化硅纳米颗粒在水中形成的泡沫在95 ℃和矿化度高达10 g/L的条件下可保持稳定。

2.4 纳米颗粒材料作为降黏剂

控制稠油流动性的2个主要因素是原油黏度和储层渗透率。有研究发现纳米流体对沥青质沉积具有抑制作用，可以防止油流堵塞，并使油流有效流动[43]。Zabala等[44]研究表明，使用油基纳米流体(OBNs)可以在不进行连续注入的情况下，使静态条件下的油黏度降低约98%。Shokrlu等[45]研究了镍纳米颗粒材料降低水热裂解反应的活化能的原理，镍的纳米颗粒材料打破了化合物中的C—S键，从而缩短了其分子链的长度，降低了油的黏度，使稠油采收率显著提高。

2.5 纳米颗粒材料作为压裂液

2.5.1 高温压裂液

一般情况下，井底温度为170～200 ℃。传统的交联多糖水力压裂液会形成水垢，对地层造成破坏，限制了其应用，纳米颗粒材料压裂液的研发解决了这一问题[46]。纳米交联剂降低了水力压裂液的聚合物载荷和聚合物残留，改善了压裂液的流变性能和热稳定性，且在高温下无压力依赖性[47]。纳米颗粒材料还被用作黏弹性表面活性剂(VES)压裂液的增强剂，VES流体可降低压裂液的表面张力，纳米颗粒材料的加入改善了VES流体的热稳定性，降低了流体的高漏失率。其主要的缺点是流变特性随温度的升高而降低，此外目前总成本很高，该方法有待进一步研究[48]。

2.5.2 海水基压裂液

淡水资源的缺乏是影响海上油田开发的主要因素之一，为解决这一问题，Pei等[38]研发了由纳米颗粒材料与海水复配而成的海水基压裂液体系，试验结果表明，复配体系的使用降低了对聚合物溶液及瓜尔胶溶液的需求，同时使得流体黏度提高，在高温(150 ℃)和高矿化度(56 g/L)的环境下，压裂体系能够保持较高的稳定性。同时在复配体系中纳米颗粒材料的使用量较少，具有经济可行性。

2.5.3 磁性压裂液

杨倩茹等[49]利用纳米颗粒材料的电磁特性，提出了一种在压裂前置液中加入Fe3O4磁性纳米颗粒材料的方法。压裂施工过程中，混有将Fe3O4磁性纳米颗粒材料的前置液在注入压力的作用下进入地层，起到改变岩石表面润湿性的作用。压裂结束后，在反排液的作用下，纳米颗粒材料通过井筒被采出。纳米颗粒材料的可循环性解决了低渗油藏、稠油油藏的经济开发问题，因此具有广阔的应用前景。

3 纳米颗粒材料在油田现场的应用现状

实验室中的研究已证明纳米技术是潜力巨大的可提高采收率新技术，但仍存在众多的技术问题，限制了纳米技术在油田现场的应用。目前现场应用成功的纳米颗粒材料提高采收率的报道并不多见。

1998年，中国石油辽河油田在兴隆台试验区进行了分子纳米膜驱油现场试验，部分观察井的日产油量明显增加，相应含水降低。分子沉积纳米膜驱油技术(MD)改变了岩石表面的性质和与原油的相互作用状态，提高了驱油效率。但纳米膜剂在岩石表面吸附损耗严重且分子膜驱见效时间较长，限制了纳米分子膜驱油技术的发展[50]。

2011年，中国石化江苏油田进行了纳米驱油试验，结果表明对不同地层性质的区块，纳米溶液均可起到一定提高驱油效率的作用，驱油效率提高程度为 4.0%～27.9%[51]。

2018年，西部某油田对纳米颗粒材料与表面活性剂复合调驱体系的性能进行了矿场试验，结果表明，应用复配体系后注水井压力升高，对应油井产油量上升，含水率下降[36]。

4 结论与展望

随着能源需求的不断上升和常规储量的下降，石油行业不断寻找创新的方法来提高石油采收率。近年来，纳米颗粒材料在各行各业的广泛应用，引起了科研人员将其应用于石油工业的兴趣。

1)纳米颗粒材料具有尺寸小，表面积体积比大和单位质量粒子数多的特点，使其在石油天然气工业中能够显著改善流体性能，另一个重要的优势是纳米颗粒材料的成本通常比化学品低。此外，与应用于储层的其他化学物质相比，大多数纳米颗粒材料是环境友好材料，可以回收再利用。

2)纳米技术具有改变石油和天然气工业技术前景的潜力，但纳米颗粒材料用于油气田开发领域需要满足很多苛刻的条件，大多数纳米颗粒材料具有其适用性，需要进一步研究耐高温耐高盐并且极少在岩石孔隙表面吸附/滞留的纳米颗粒材料。

3)目前纳米技术的研究大多停留在实验室阶段，且对研究机理、作用机制尚未明确，还未能在油田现场大规模应用和推广。推进纳米技术的研发，将纳米技术应用于油气田开发领域，可为油田提高采收率技术带来突破。