基于纳纤材料高稳分散体系的制备及其性能研究

高倩倩，魏鹏，刘娅含，叶丽娜·哈生，周璐

(新疆大学化工学院，石油天然气精细化工教育部重点实验，新疆 乌鲁木齐 830046)

随着石油勘探开发程度的不断深入，我国注水开发油田主体已进入高含水、低产、低效的生产阶段[1]。这是由于油藏中存在大量的大孔道或裂缝区，注水开采过程中易发生严重的窜流，导致大量剩余油富集于储层低渗区域[2]。因此，迫切需要研发经济有效且适用于油藏的封堵体系。

由纳米颗粒-油-水形成的三相分散体系(如Pickering乳液)具环保、高黏度等优势，可有效提高原油采收率[3-5]。Zhang等[6]制备了改性纳米SiO2-正癸烷-水分散体系，该体系具有良好稳定性以及剪切变稀的性质，且在低剪切下具有较高黏度。孙振民等[7]提出纳米SiO2-柴油-水分散体系用作油藏堵水剂，具有良好的堵水效果。目前所采用的纳米颗粒虽然能较好地防止分散相(油相)的聚并，但却难以有效解决水相的析出问题。

本工作使用纳米二氧化硅颗粒、纳米纤维素、白油和水制备了一种高黏性、高稳定性的分散体系。考察了颗粒的疏水性、白油黏度、纳米纤维素含量等参数对分散体系的稳定性的影响，并进一步探究了纳纤分散体系的稳定机制、黏弹性和封堵性能，以助于油藏封堵技术的发展。

1 理论基础

由3种及3种以上体系组成的多分散体系，例如颗粒-气-液体系、颗粒-液-液体系等可以根据三元组分的配比及物性呈现出多种形态。研究发现，当在连续相中加入少量的不混溶液体时，混合物的流变学特性会发生显著变化，从流体状变为凝胶状，或从弱凝胶变为强凝胶[9]。三元相图中，在颗粒-液-液体系中，颗粒聚集形貌与液相和颗粒体积分数相关(图1)。当两液相体积相当时，主要以形成Pickering乳液为主，固体颗粒吸附在液-液界面上稳定乳液滴。当其中某一种液相过量时，即第二液体少量时，分散体系分为两种不同的状态：摆动状(Pendular State)和毛细管状(Capillary State)。在这两种状态的分散体系中，第二液体都会在颗粒间形成相互联系的网络结构，进而促使混合物的流变学特性会发生显著变化，从流体状变为凝胶状或从弱凝胶变为强凝胶。

图1 三元相图中不同颗粒聚集状态的近似区域分布

2 实 验

2.1 试剂与仪器

部分疏水纳米二氧化硅(NP1、NP2、NP3和NP4，粒径约为20 nm)、纳米纤维素(长度1～5 μm，直径2～10 nm)，江苏北方世纪纤维素材料有限公司；白油(7#和50#)，山东优索化工科技有限公司；去离子水。

Brookfield DV-Ⅲ黏度计，上海邦西仪器科技有限公司；哈克MAS Ⅲ旋转流变仪；DM2700P莱卡偏光显微镜；SFJ-10手持式高速乳化器。

2.2 实验方法

2.2.1 分散体系制备

先将部分疏水纳米二氧化硅进行原位亲水化处理，将其稳定地分散到水相中并配制成实验所需浓度的纳米分散液；然后取15 mL纳米分散液，加入实验所需浓度的白油(用体积分数φ表示)，并在10 000 r/min条件下高速搅拌1 min，定期测试其析水率(体系析出的水相体积占原水相体积的分数)。

2.2.2 分散体系流变性测试

采用哈克MASⅢ旋转流变仪，选择同轴圆筒系统，固定剪切应力为0.5 Pa(线性黏弹区范围内)，进行动态频率振荡实验(实验温度偏差为±0.1 ℃、角频率振荡范围为0.6～628 rad/s)，测定体系不同振荡频率下的弹性模量(G′)和黏性模量(G″)。

2.2.3 分散体系封堵实验

将40目的石英砂分4～5段加压充填填砂管模型中，并测定基本物性参数。将0.2 PV分散体系从储液容器中泵入岩心管模型中，再进行后续水驱(注入速度为0.5 cm/mL)，记录驱替过程中压力的变化。

3 结果与讨论

3.1 纳米颗粒表面亲疏水性的影响

采用不同表面疏水性的纳米颗粒(φ=2%)，接触角如表1所示，测定其在不同含油量中形成的分散体系的稳定性变化，结果如图2所示。

表1 不同纳米颗粒的接触角

由图2可知，当颗粒中等疏水时(NP3)，析水率整体在80%以下，悬浮稳定性相对较好。当改变分散体系中油相含量时，分散体系稳定性与颗粒表面亲疏水性具有一定相关性：在一般疏水颗粒体系中(如NP1、NP2和NP3)，随着含油量增加分散体系的析水率曲线逐渐下移，表明分散体系稳定性增强；当颗粒表面强疏水(如NP4)，该分散体系则呈现出相反的趋势。这是由于NP4的强亲油性，颗粒倾向于溶入油相中形成油-固聚集体，而中性亲油颗粒(如NP3)仍可以在水相中形成胶体分散。当含油量一定时(2%)，中等疏水的纳米颗粒具有最高的分散稳定性。

图2 分散体系析水率与时间的关系

3.2 纳米颗粒浓度的影响

在不同纳米颗粒浓度下考察分散体系(φ(白油)=2%)的析水率随时间变化情况，结果如图3所示。随着纳米颗粒含量提高，分散体系的析水率是逐渐降低的，且随着颗粒表面疏水性的增加(NP1～NP3)，析水率的下降幅度越大。但在颗粒NP4中，分散体系稳定性反而比NP3稍差，例如在颗粒体积分数为5%的分散体系中。当分散体系中固相颗粒分数增加时，总体颗粒比表面积大，油更多地被颗粒包围，同时颗粒被挤压且颗粒之间发生团聚，进而提高分散体系中颗粒间的相互作用力，有利于稳定分散体系。

图3 不同纳米颗粒含量的分散体系的析水率变化

3.3 油相黏度的影响

分别采用不同黏度的白油(7#白油黏度为15.6 mPa·s，50#白油黏度为77.9 mPa·s)制备分散体系体系，其析液率变化曲线如图4所示。由图4可见，颗粒表面一般疏水时(NP1和NP2)，低黏度白油分散体系的稳定性与高黏度的相仿，这是由于在弱疏水颗粒的分散体系中，由于纳米颗粒吸附点侧重于水相中，油相性质(如黏度)对分散体系的析水速率影响较小。而在强疏水颗粒中(NP3和NP4)，高黏白油分散体系具有较高的稳定性。

图4 不同白油对分散体系的析水率的影响

3.4 纳米纤维素的影响

以二氧化硅作为固相的多分散体系，其析水率在1～2 d内达到较高值，呈现出较差的稳定性。因而，将纳米纤维素(CNF)溶入水相中，以降低分散体系析液行为。分别在不同分散体系中添加0.1%CNF，并对比分析其析液率变化情况，如图5所示。结果表明，随着颗粒的疏水性提高(NP1～NP4)，析液率的增幅显著降低，尤其是强疏水颗粒分散体系(0.3%NP3+0.1%CNF)能够稳定30 d且无析液。

图5 CNF对分散体系析水率的影响

针对强疏水纳米颗粒分散体系，通过改变颗粒和纤维素之间配比，考察分散体系30 d后的析液情况，结果见图6。由图6可知，随着CNF的增加，体系的稳定性先增加后降低，固相含量中CNF的最佳质量分数为25%左右。

图6 CNF含量对分散体系稳定性的影响(30 d后的析水率)

3.5 纳米纤维素影响机制

由图7可知，分散体系表观黏度随CNF的增加呈现出先上升后下降的趋势；加量在10%～25%范围内，分散体系的表观黏度具有较高值(3 000 mPa·s)。实验发现，分散体系的稳定性与其表观黏度有一定相关性，表明体系内部的高黏滞力可以阻碍水相的析出。同时观察到分散体系(V(NP3)∶V(CNF)=3∶1)具有良好的凝胶化特性，并在120 d内保持零析水和凝胶特征。

图7 NF含量对分散体系黏度的影响

图8是分散体系(NP3和NP3/CNF)的微观形貌。分散体系(NP3)呈现为纳米颗粒稳定的乳液(即Pickering乳液)，乳液液滴在水溶液中呈现分散状态；而在NP3/CNF分散体系中，体系中的第二液体(经油墨染色)呈现出网络结构并将水相束缚在网格中。这说明纳米纤维素的加入改变了分散体系的构象，即由乳液状向网状转变，同时纳米纤维素的水相增稠作用和其与二氧化硅间的氢键作用利于形成毛细管状态的分散体系。此外，加入CNF后，虽然对体系的表面张力和接触角影响不大，但可以降低颗粒间的距离，将大幅度提高分散体系的毛细管压力[9]，导致形成刚性的网络骨架结构，进而大幅度提高分散体系的稳定性并呈现凝胶化特性。

图8 NP3和NP3/CNF的分散体系微观形貌

3.6 流变性能

分散体系的弹性模量与黏性模量的实验结果见图9。在测定的角频率范围内，NP3分散体系在低频(1～158 rad/s)下属于黏性体、在高频(158～628 rad/s)下转变为弹性体。添加了CNF的分散体系的黏弹性模量整体增加，表明体系的黏弹性增强，同时该分散体系在角频率为63 rad/s处由黏性转变为弹性。纳米纤维素分子表面有大量的羟基能通过在链间形成强氢键作用，促使纳纤分子间的相互缠绕形成三维空间网状结构，因此导致分散体系在较低的剪切频率下(63 rad/s)表现为“类固性”。

图9 NP3和NP3/CNF分散体系的弹性模量(G′)和黏性模量(G″)与角频率的关系

3.7 填砂管封堵实验

分别在填砂管中注入分散体系，其封堵率见表2。由表2可见，两种分散体系在填砂管中产生了比较高的封堵率(>60%)。这是由于分散体系流经高渗通道时的水动力学作用或机械捕捉作用都会让部分分散体系滞留在接触的多孔介质中，导致高渗通道渗透率的降低。而NP3/CNF分散体系的封堵率高达89%，对在多孔介质的封堵效果更佳。

表2 分散体系的封堵性能

4 结 论

a.在不同含油条件下，当颗粒中等疏水时(NP3)，析水率整体在80%以下，悬浮稳定性相对较好；随着纳米颗粒含量增加，分散体系的稳定性提高；在强疏水颗粒中，高黏油相有利于分散体系稳定性。

b.在水相中添加了CNF后，分散体系的稳定性显著提高，且随着颗粒表面疏水性提高，CNF的改善效果较好；在NP/CNF分散体系中，其悬浮稳定性与表观黏度的变化一致。

c.分散体系(0.3%NP3+0.1%CNF)能够稳定120 d而不析液，并呈现出凝胶化性质，这是由于第二液体(油)和纳米颗粒能够形成刚性的网络骨架结构。

d.兼具超稳定性和凝胶化的NP3/CNF纳纤分散体系具有较高的黏弹性，并能较好地封堵高渗多孔介质，其封堵率高达89%。