纳米颗粒增强提高采收率应用进展*

张小军，郭继香，高晨豪，许振芳，冯恒水

（中国石油大学（北京）非常规油气科学技术研究院，北京 102249）

近年来，中国原油产量早已不能满足国民经济建设快速发展的高需求。2018 年国内原油对外依存度高达69.8%［1］，亟需保障国家能源供应安全。然而，国内新增石油探明储量品质差，以低渗-超低渗-致密油及低丰度-特低丰度储量为主，采收率低，稳产上产难度大；国内现有主力油田年综合产量递减率大多在5%～6%，很难以新建产能弥补该产量递减［2-3］。因此，借助提高采收率技术和理论的突破，提高波及效率，改变岩石润湿性，有效增强驱替效果以提高采收率，可走出油田品质差、高含水和产量快速递减的困境，改善国家能源安全形势［4］。

现有的化学驱、气驱和热采等提高采收率方法在技术、经济或环境方面存在局限性，如指进现象、不耐盐/高温、CO2排放量高、沥青质沉积、成本高、热损失过大、水和能源消耗过大或采收率低［5］。纳米颗粒尺度小，表面能高，具有优异的表界面性质与热性能等一系列有利特性［6］。在驱替液中添加纳米粒子可以显著提高采收率（EOR），主要体现在润湿性改变［7］、油水界面张力降低［8］、流体性质改变［9-10］等。本文详述了纳米技术克服化学驱、气驱和热采等方法的常见技术问题及增强EOR的研究进展。

1 纳米颗粒增强化学驱EOR方法

纳米颗粒增强化学驱EOR时，注入的纳米颗粒与其他化学物质（如表面活性剂和聚合物）偶联，对提高采油效率具有协同效应。与表面活性剂、聚合物或纳米颗粒单独驱替相比，表面活性剂/聚合物-纳米颗粒驱替体系可获得更高的油气产量。同时，选择合适的纳米颗粒可以减少驱油过程中表面活性剂与聚合物的损失。

1.1 纳米颗粒增强聚合物驱

目前，聚合物驱是我国技术最成熟、使用最广泛的化学驱油EOR技术［11］，但化学和机械降解会降低聚合物驱油效率。如图1所示，在聚合物-纳米颗粒体系中，加入的纳米颗粒可增加注入流体的黏度，改变润湿性，还可作为流变控制剂改变体系的流变性能，以此增强聚合物驱EOR。

图1 纳米颗粒增强聚合物驱EOR机理示意图［12］

Druetta 等［13］发现纳米颗粒在聚合物驱中具有显著作用，且纳米颗粒-聚合物体系比表面活性剂-聚合物体系与碱-表面活性剂-聚合物体系更有效。Khalilinezhad 等［14］通过流变实验和数值模拟，发现分散在聚合物溶液中的二氧化硅（SiO2）纳米粒子是造成聚合物吸附减少和溶液黏度提高的原因。与传统的聚合物驱相比，若注入剂中含有一定量的分散SiO2纳米颗粒，可改善重油累积采收率和突破时间。Zeyghami 等［15］发现添加SiO2纳米颗粒会增加磺化聚丙烯酰胺溶液的黏度，并且其在较低浓度下对水解聚丙烯酰胺黏度增大的影响较小，在较高的SiO2浓度下溶液黏度随着纳米颗粒浓度的增加而迅速增大。陈五花等［16］在60 ℃下研究了纳米SiO2/部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）/NaCl 体系的性能。加入纳米SiO2后，HPAM 溶液的黏度增大，耐温、耐盐和耐剪切性均有提升，加入0.2%和0.5%的SiO2后，HPAM 的采收率分别提高了4.5 百分点和6.0 百分点。Maghzi等［17］进一步研究了在盐存在下，SiO2纳米颗粒对聚丙烯酰胺性能的影响。盐浓度的增加会降低聚合物驱体系采收率，但盐浓度对聚丙烯酰胺/SiO2纳米体系驱油采收率的影响较低。储层中出现的高剪切速率会导致聚合物降解，从而降低其黏度。因此，如何在恶劣条件下控制聚合物的降解是广泛发展该技术的关键问题之一。Maghzi 等［18］评估了SiO2纳米颗粒对聚丙烯酰胺溶液流变性能的影响，发现纳米颗粒改善了低剪切速率下聚合物溶液的假塑性行为。此外，与常规聚合物驱油相比，聚合物溶液中的纳米颗粒还可改变岩石的润湿性，使原油采收率提高10%。其他类型的纳米材料同样可以增强聚合物驱采收率。Aliabadian等［19］将0.2%基面羟基官能化的氧化石墨烯（S-GO）纳米填料加入HPAM 溶液中。S-GO 以其优异的分散性能，堵塞了线性沙袋装置中的某些水湿孔，提高了扫油效率，进而将重油采收率提高了7.8%。Cheraghian等［20］开发的一种基于聚丙烯酰胺黏土的新型纳米流体可有效改善稠油采收率。与注入1 PV 的聚合物溶液相比，纳米黏土聚合物溶液体系的采油率提高了5%。

1.2 纳米颗粒增强表面活性剂驱

表面活性剂驱油是提高原油采收率常用的化学方法。使用纳米颗粒可以改变表面活性剂的性质，增强表面活性剂溶液对驱油/采油过程的影响。

Zargartalebi 等［21］研究发现，在与表面活性剂相同浓度的条件下，纳米颗粒可以增强表面活性剂提高采收率和驱油效果。另外，疏水性纳米颗粒改性的表面活性剂比亲水性纳米颗粒改性的表面活性剂更有效。纳米颗粒增强表面活性剂驱油效果的主要机理是纳米颗粒改变储层润湿性（从水湿到油湿）和表面活性剂与纳米颗粒协同降低油水界面张力。纳米颗粒存在于表面活性剂体系中，可在油水界面间形成一薄层，显著降低油水界面张力［22］。低纳米颗粒浓度的表面活性剂溶液中，纳米颗粒在溶液表面吸附，有效降低油水界面张力；在高浓度下，纳米颗粒导致体相中表面活性剂几乎完全消耗［23］。另外，在阴离子表面活性剂中添加有色金属纳米颗粒可使油水界面张力降低70%～79%［24］。Al2O3纳米颗粒/阴离子表面活性剂体系可将岩石的润湿性从油湿性变为水湿性，最终提高原油采收率［25］。Mohajeri 等［26］发现ZrO2纳米颗粒/阳离子表面活性剂体系也可将岩石润湿性改变为水润湿性。总之，纳米颗粒可以改善表面活性剂流体和注入溶液的流变性，并通过降低油水界面张力增加毛管数，使油滴顺利通过孔喉，释放储层中的残余油，从而提高采收率。

1.3 纳米颗粒增强乳状液驱

乳状液驱的主要机理是所形成乳状液的油水界面张力较低，且乳状液液滴阻塞了储层的高渗透率区域，使注入的流体驱替被圈闭的油，进一步减少水的产生并提高驱油剂的驱替效率。纳米颗粒的浓度增加导致乳液界面被完全覆盖，并获得更小的液滴，因此乳液体系即使在高剪切速率下也能在恶劣的储层条件下保持稳定［27］。

Kumar等［28］制备的表面活性剂-聚合物-纳米颗粒乳液非常稳定，其黏度在宽范围的温度和剪切速率下保持不变，在常规注水后可使原油采收率提高24%。同时，添加纳米颗粒的表面活性剂乳液对重油的采收率也具有明显的影响。在微观模型驱油实验中，所形成的乳液表现出极有效的流动控制性，可使原油采收率提高40%［23］。

2 纳米颗粒增强气驱EOR方法

气驱EOR商用技术的应用发展已较为成熟，然而，黏性指进、重力分离、高迁移率等导致的波及效率低下仍是其最紧迫的技术挑战。纳米颗粒为打破这些技术限制开辟了新的思路。

2.1 纳米颗粒增强气驱

纳米颗粒即使在苛刻的储层条件下仍具有出色的化学稳定性，可生产高度稳定的泡沫，因此可作为气驱EOR中表面活性剂的替代品。

Nguyen 等［29］在微模型上评估了纳米颗粒稳定的CO2泡沫的稳定性和不同类型油（轻油、中油和重油）的EOR效率。由于纳米颗粒稳定的CO2泡沫驱可显著减小水包油型乳状液粒径，这3 种油均显示出可观的额外采油量和潜在价值的储层均质化效果。曲海莹等［30］发现，纳米颗粒可抑制CO2气泡的破灭、聚并和歧化，提高泡沫驱过程中CO2泡沫体系的稳定性。这些结果强调了纳米颗粒稳定的CO2泡沫驱提高采油率的孔隙尺度动力学、有效性和潜力［31］。除了CO2气体，Singh等［32］首先发现表面改性的纳米颗粒溶液和N2可产生水性泡沫，该不混溶泡沫可以回收大量原油。这些体系的回收率与使用表面活性剂作为发泡剂时获得的回收率相当或更高。另外，纳米颗粒还可增加注入气体的密度和黏度，提高驱油过程中的流动有效控制性。Shah 等［33］使用CO2纳米流体驱替重油的采收率为71.30%，比常规的CO2岩心驱替高出13.30%。CO2纳米流体的黏度是传统CO2的140倍。

2.2 纳米颗粒增强水气交替驱

水气交替驱（WAG）主要通过控制迁移率来提高波及效率。在WAG过程中加入纳米颗粒是一种新的EOR方法，称为NWAG。通过同时提高宏观和微观波及效率，该方法可以经济有效地提高采收率。

Khezrnejad 等［34］研究了二维玻璃微模型中的NWAG过程。由于界面张力的减小，在盐水中添加少量SiO2和Al2O3纳米颗粒可以使剩余油的采收率提高15%～20%。纳米颗粒的浓度和类型对提高采收率有重要影响。就采油而言，SiO2比Al2O3纳米颗粒更有效，通过添加600～700 mg/L 的SiO2纳米颗粒，可以达到65%的最大采收率。除了实验研究之外，NWAG过程的数学建模还可以提供有关实际应用的有价值的信息。AL Matroushi等［35］仿真研究了在野外规模使用NWAG 方法的可行性。与传统的WAG 工艺相比，NWAG 的应用使原油采收率提高了13%。NWAG 提高采油效率的主要原因是润湿性改变、扩散（分离压力）增加及纳米颗粒导致的油水界面张力降低。并且，纳米流体和气体的交替注入通常会导致原位泡沫的产生和乳化，可进一步提高流体波及效率，并大幅减少气体突进与指进几率［23］。

3 纳米颗粒增强热采EOR方法

3.1 纳米催化剂

稠油降黏是开采利用稠油的主要考虑因素，基于传统降黏技术（蒸汽注入、原位燃烧等）的局限性，纳米催化剂是一种较好的选择。纳米催化剂可通过破坏较重组分（沥青质、胶质）中的各种键（C—C、C—S、C—O），将其转化为较轻组分（较小化合物及低分子量油气分子）。Mo、W、C、Ni、Cu 和Fe 的纳米氧化物，负载的纳米铁粒子均是稠油热解的良好候选催化剂。

Hashemi 等［36］将通过原位制备的超分散3金属纳米颗粒（Ni、W和Mo）作为纳米催化剂回收沥青，在3.5 MPa、320～340 ℃的油砂填充床中进行了36 h的停留，有效提高了沥青回收率，规避了催化剂烧结导致的快速失活。Li 等［37］使用碳纳米催化剂在低于150 ℃的温度下，辅以微波加热，在1 h 内将原油黏度降低了96%，且成本低，对稠油的污染少，安全有效。同时，也可通过减小纳米催化剂的尺度来改善催化反应，以使其具有足够大的比表面积参与反应。但储层内注入的蒸汽或过热水的热损失率也可能影响催化剂性能（如团聚），此类技术的发展还需要继续探索。

3.2 纳米颗粒增强体系热容

在热采期间，注入热性能优异的纳米颗粒可以增加注入流体的热容量，有助于在超重油或沥青质的热回收过程中在较长时间内保持注入蒸汽的蒸汽质量，进一步提高采收率。在稠油储层中注入磁性纳米颗粒可在外加高频磁场条件下局部产热，减少热采所需能量，使该过程更经济高效。借助纳米金属氧化物吸收微波的潜力，可增加使用纳米材料时的体系温度，实现较低的微波功率下采收率的显著提高［38］。

4 结论与展望

纳米颗粒尺寸小，表面能高，具有优异的附聚性和热性能，还可作为黏度调节剂与催化剂使用，是提高EOR 效率的极佳候选者。纳米颗粒与其他驱替流体（例如表面活性剂和气体）的协同可能满足提高采收率的期望，而单独使用驱替流体或纳米颗粒可能无法实现。

对于聚合物驱，添加纳米颗粒可以增加体系黏度，改善聚合物溶液的假塑性行为，增强体系稳定性；在表面活性剂溶液中加入纳米颗粒可显著降低油水界面张力，改变润湿性，从而提高采收率；同时，纳米颗粒可使乳状液液滴更小，获得更有效的流动控制性，以提高残余油采收率。纳米颗粒稳定气体泡沫驱具有极高的应用价值与潜力。此外，纳米颗粒还可通过增加注入气体的密度和黏度，提高流体的流动控制性，进而提高驱油效率和采收率。NWAG过程可提高流体波及效率，大幅减少气体突进与指进几率，是一种具有潜在可行性的提高采收率的新工艺。纳米催化剂通常与热提高采收率相结合，通过水热解法在储层内进行原位提升。而具有高导热性的金属纳米颗粒，可在重质原油的热采过程中保持温度或蒸汽质量，以降本增效。

纳米颗粒在EOR 的应用具有极大的技术优势，但现阶段仍面临一系列问题：（1）纳米颗粒现场应用时需大剂量注入，成本较高，需进一步优化合成工艺以降低成本；（2）纳米颗粒与不同油田、不同油气井的相容性不明确，可先行进行数值模拟及实验室测试，以确定纳米颗粒在不同条件下的有效性；（3）高温高盐的复杂油藏下，纳米颗粒结构的稳定性有待商榷，可通过设计抗盐抗温的纳米颗粒或纳米复合材料避免此类问题。