纳米材料在提高原油采收率中的研究进展*

孔腾霄

（东北石油大学 石油工程学院，黑龙江 大庆 163318）

经过多年的不断努力和创新，我国构建了以水驱为核心，化学驱、CO2驱、微生物驱为辅助的一次二次提采体系[1]，为国内油田早中期增产稳产提供了技术支撑。随着开发步入中后期，储层非均质性日益增强，层间矛盾不断加深，导致常规驱油剂面临“注不进，采不出”的窘迫处境[2]，如何在克服常规驱油剂成本高、自适应性差的前提下，研发新型驱油技术已成为现阶段油气行业的焦点。

自20 世纪以来，纳米工程作为一种新型功能技术登上了历史舞台，纳米颗粒（NPs）因其表面活性高、可塑性强及延展性好等优势，已被成功应用于油田提高采收率领域，涉及降压、增注、增产等多个生产环节[3]。我国的智能纳米材料技术还处于初级阶段，目前，现场应用成功的纳米驱油技术报道较少，纳米材料的智能化进程滞后，仍需进一步探索。

1 驱油纳米材料性能

作为一种新兴的驱油技术，纳米材料在表面效应、润湿性及颗粒运移等层面具有异于常规驱油剂的特性。

1.1 小尺寸与表面效应

NPs 是一种超细颗粒材料，以空间维度为标准可划为：零维、一维及二维结构，其独特的微观尺寸结构赋予了其表面活性高、吸附性强等性能。NPs 粒径越小，表面积和表面能越大，其分子表面富含许多不饱和悬空键，可捕捉周围游离粒子，呈现出高化学活性[4]。

1.2 润湿特性

与传统表面活性剂不同的是，纳米材料极易粘附于岩石表面，改善其表面润湿性。通过改性，纳米颗粒可具备双向的润湿性能，结合现场应用需求，可灵活调整纳米材料对岩石的润湿改变[5]。在增注阶段，利用纳米材料将矿物表面的润湿性由憎油转变为亲油，降低驱替流体的渗流阻力，大幅提升波及范围。在增产阶段，则将矿物润湿性由憎水转为亲水，实现油水两相分离，大大增加洗油效率。

1.3 抑制微粒运移特性

在水驱排采过程中，矿物颗粒会在流体作用下发生运移。部分强水敏性储层，由于其中黏土矿物遇水发生膨胀，因而造成渗流通道堵塞，水驱效果大打折扣。在驱替液中引入纳米颗粒后，大量纳米粒子因其强吸附性聚集于岩石表面，可有效保证矿物表面颗粒的稳定性，抑制颗粒发生运移[6]。此外，纳米颗粒还具备较强的防膨胀性，可弱化储层水敏效应。

2 纳米材料在提高原油采收率中的应用

2.1 纳米SiO2

目前，纳米SiO2已进入商业化生产和应用阶段，因其抗温、清洁及高比表面积等特点，广泛应用于化学驱油领域。纳米SiO2经复配或改性后，都可大幅度提高原油EOR，其原理见图1。

图1 纳米SiO2 驱替残余油机理示意图Fig.1 Schematic diagram of residual oil displacement mechanism of nano-SiO2

复配后的纳米SiO2表面活性剂能够有效降低两相表面张力，提高驱替剂的黏弹性，进而增强对剩余油的驱替作用。而改性后的纳米SiO2，则通过吸附作用聚集于固液两相间形成膜结构，加大油的连续性，进而将更多的剩余油携出。

Baragaua 等[7]以纳米SiO2与醋酸钙不动杆菌为原料进行复配，经研究发现，复配材料可大幅降低两相界面张力，且增黏效果强，可显著提升原油EOR。Raza 等[8]采用溶胶-凝胶法制备了具备SiO2外壳的纳米片（CSAJN），经驱油实验表明，CSAJN 配注量仅用0.006%时便可促使油水间的扩散压力骤增，进而使更多的残余油从矿物表面剥离。解统平等[9]以丙烯酰胺对纳米SiO2改性，应用评价结果显示，改性纳米SiO2表面活性剂润湿反转性优异，具有优异的增产效果。陆小兵等[10]通过醇酯对纳米SiO2实施改性，发现经改性后其稳定性和抗剪性能明显增强，能够有效改善油水流度比，增大驱替效率。

现阶段，纳米SiO2改性工艺流程繁琐，如偶联剂改性、原位改性法等，如何通过相关技术改良简化其改性过程是纳米SiO2未来的主要攻关方向。

2.2 纳米TiO2

纳米TiO2颗粒具有与纳米SiO2相似的物化性质，但在表面活性和吸附性方面更胜一筹。当前关于纳米TiO2提采方面的研究尚浅，针对其在提高原油EOR 的应用不多，仍需更多的室内和现场试验来佐证。现有研究表明，改性纳米TiO2及其复配物提采性能显著。（1）纳米TiO2可有效降低渗流阻力，促使剩余油更易被采出；（2）纳米TiO2具有良好的导流能力，通过封堵高渗层，将驱替流体导向低渗层，实现小孔道中的剩余油开发。

Nasr 等[11]在低浓度盐水驱替剂中引入纳米TiO2，结果显示，经纳米TiO2修饰的盐水，原油EOR提高率达到42.5%。Ashrafizadeh[12]在烷基硫酸钠和聚丙烯酰胺中加入纳米TiO2，经对比实验得出，纳米TiO2的加入比单一使用两种驱替液采收率都高。冯晓羽等[13]利用油酸对纳米TiO2实施改性，发现改性后的NPs 疏水性明显增强，受油酸分子影响，粒子间斥力增大，有效规避了NPs 的团聚现象，显著增大注入流体的波及范围。李营[14]采用AgNO3、TiO2为原料，合成了Ag-TiO2纳米颗粒（图2），通过对其性能的研究，得出该体系可通过改变矿物表面润湿性，大幅改善驱替效果。纳米TiO2提高ROR 虽具备一定的优势，但也并非十全十美。由于其分子结构中富含大量羟基，在化学键作用下，TiO2颗粒易发生聚并形成大粒子团，造成渗流通道堵塞，影响驱油效果。如何有效抑制纳米TiO2的聚并现象仍需研究人员进一步研究。

图2 Ag-TiO2 结构示意图Fig.2 Structure diagram of Ag-TiO2

2.3 聚合物纳米微球

纳米聚合物微球遇水极易膨胀，且黏弹性强，纳米微球引入储层后，可实现逐级封堵储层孔隙，进而改变驱替流体的渗流方向，扩大波及范围，实现原油增产。且其受储层酸碱度、高温高压等环境的影响小，适应性强，可应用于高盐度、强非均质等复杂油藏的开发。聚合物微球经改性后，抗温抗盐性能得到明显增强，加之尺寸小、可塑性强，能够满足致密油藏开发的需求。

Zhao 等[15]针对聚合物微球排驱机理开展研究，得出其主要利用封堵或桥塞形式，达到大孔隙封堵的目的，实现深部调驱。赵华强等[16]对纳米微球的调驱机理实施了探究，发现微球进入油藏储层后，聚并于大孔隙处造成渗流改向，后续流体会优先进入低渗小孔道将其中剩余油携出，封堵驱替交替进行，进一步增大驱替流体的波及范围。袁伟峰等[17]将纳米聚合物与低盐度水驱相结合，应用于低渗透油藏采油，结果显示，复合体系可实现无效水流通道的封堵，驱替小孔道中的剩余油。

聚合物微球增产效果显著，在国内多数油田皆有应用。但由于其粒径尺寸与储层孔隙配伍性差，且成本较高，极大限制了聚合物微球的普及和推广。

2.4 碳质纳米材料

碳质纳米材料是当下提高EOR 领域的新兴技术，其在改性后可有效改善矿物表面的润湿性。且经改性的碳质纳米材料吸附能力强，可聚集于油水界面，生产一层弹性界面膜，可显著降低两相界面张力，在驱替剂作用下实现驱油。经大量研究表明，碳质纳米材料在常规储层和致密储层中均有较好的驱替效果，应用前景广阔。

Wu 等[18]以石油焦为原料，开发出一种荧光碳纳米颗粒（图3），该纳米材料不仅耐温耐盐性能强，同时在低浓度下便可达到提采的目的。

图3 从石油焦制备CQDs 和N-CQDs 示意图Fig.3 Schematic diagram of CQDs and N-CQDs prepared from petroleum coke

Olayiwola 等[19]采用气相沉积法，研发出纳米多孔石墨烯（NPG），对其性能评价得出，NPG 经改性后会与矿物间形成π 键吸附，在三相界面形成楔形膜，大大改善增产效率。Philippova 等[20]引入SiO2、石墨烯GR，经气相沉积法制备得到高稳定、强吸附的SiO2-GR 纳米复合材料，可有效加强驱替液的稳定性，大大降低两相界面张力。Sikiru 等[21]基于单一驱替剂提采效果低的问题，以过烷基胺对GR 进行改性，经现场应用发现，加入该驱替液后剩余油的流动性得到有效改善，EOR 大大提高。

碳质纳米材料虽应用潜力大，但由于研制成本高、相关理论研究不足等原因，发展滞后，未来需对其理论和经济性能进行深入研究。

2.5 纳米纤维素

纳米纤维素（NC）是一种经济环保的生物高分子材料，其进入矿物与剩余油之间后，可降低剩余油在矿物表面的吸附力，改善矿物表面润湿性。同时可起到乳化原油的作用，最终实现原油增产。纳米纤维素虽在提采方面表现突出，但易受流体中电解质的影响，需通过改性才能真正发挥其增产效果。这是因为电解质会弱化NC 分子间的斥力，使体系中的NC发生絮凝和沉淀，导致其失效。

Saha 等[22]利用丙烯酸丁酯对纳米纤维素进行改性，得到了复合NC 材料，结果显示，该复合驱替液的黏度和耐盐性均有所提升，驱替效率明显优于接枝前。Jalal 等[23]以甲基丙烷磺酸接枝在NC 表面，获得了一种纳米纤维素排驱剂NC-KYSS，能够在矿物表面大范围扩散，且黏弹性和缔合能力强，可有效携带残余油从孔隙中采出。Yin 等[24]开展了HPAM、Al2O3及NC 对CO2泡沫驱稳定性的影响对比实验，结果显示，NC 的稳泡效果最好。这是因为NC 可在CO2分子表面形成骨架膜，长期保证泡沫稳定性的同时，增大泡沫驱替剂的黏弹性，增强其携油能力。魏兵等[25]从微观角度出发对NC-KYSS 的驱油机理进行研究，发现其经表面功能化改性后，NC-KYSS可有效驱替低渗层中的原油，改善洗油效率。

纳米纤维素在改性后驱油性能显著增强，但由于其分子链中的醚键耐温性差，当温度高于120℃后会发生断裂，且在高盐条件下NC 极易发生絮凝，如何有效解决以上难题是NC 今后的主攻方向。

2.6 纳米复合驱

传统复合驱往往自适应性差、投入大，很难达到大幅增产的目的。基于此，诸多专家和学者针对纳米复合驱的应用开展了大量研究。目前，已获取初步应用的纳米复合驱技术有：纳米三元复合聚合物驱、纳米复合表面活性剂驱及聚合物复合纳米微球等。

Soleimani 等[26]针对纳米颗粒聚合物驱进行了原油驱替实验，结果表明，该纳米复合驱可有效分散NPs 的突破时间，大幅降低聚合物的吸附量。郭宇[27]针对低渗油藏增产效果差、见水快等问题，以纳米颗粒、水溶性表面活性剂为原料，制备了一种纳米颗粒表面活性剂复合驱替剂，经现场考察得出，该复合驱抗温抗盐性能强，使用后可长期保证原油产量。沙鹏[28]为解决油井无效注水、水窜现场突发等现场难题，利用分散聚合反应获得了聚合物复合纳米微球驱油剂，经研究发现，CMQ-2 的黏弹性、封堵性均优于单一纳米微球，具有优异的驱油性能。曹孟菁等[29]利用丙烯酰胺、甲基丙磺酸及芥酸酰胺为引发剂，结合蒸馏沉淀法制备了纳米三元复合聚合物，目前已成功应用于多个井场。纳米复合驱不仅能够弱化聚合物吸附、增大体系黏度，同时可在低浓度下实现降低IFT 和润湿反转，低成本达到原油提产，一举多效。

3 评价纳米材料

3.1 技术特点对比

智能纳米材料以其独特的优势已被成功应用于油田提采领域，例如江苏油田的纳米乳液技术、新疆油田的多轮纳米调驱技术、渤海油田的纳米微球提采技术及胜利油田的纳米稠油降黏技术等[30]。纳米材料从技术、成本、环境层面考虑，优势性显著，但各具特色，现阶段主要的智能纳米材料提采技术优缺点见表1。

表1 几种主要纳米材料优势对比Tab.1 Comparison of technical advantages of several main nanophase materials

3.2 面临的挑战

当前虽然部分智能纳米材料已成功应用于各个油田提采领域，并取得了一定成效，但由于相关技术条件的限制，在应用过程中势必会存在不少技术壁垒。

（1）在技术领域，我国对简化改性过程、抑制粒子聚并等相关理论的研究不够深入，针对纳米颗粒的驱油提采机理有待深究，尚未实现目标化部署。

（2）在经济领域，纳米材料的制备和复配过程复杂，投入资金大，同时新型智能纳米材料的研发亦相应增大了提高采收率的成本。

（3）在环保领域，部分纳米材料由高分子有机化合物复配而成，注入目标地层后会对储层造成一定的伤害，同时增加了油田采出水的处理难度。

（4）在安全领域，纳米材料多以固态粉状或液态流体形式存在，一旦被吸咽到人体内，会作用于体内细胞，影响人的正常身体机能。

4 展望

纳米材料驱油经过多年的不断创新和发展，我国在油田提采领域已取得了阶段性的进步。但对简化改性过程、合理配置加注量及提升驱替效率等方面的研究仍有待加强，有诸多关键技术需要突破。建议加大对智能纳米材料的研发力度，集成流体力学、材料科学及微观物理学等多门学科，赋予纳米颗粒目标化、经济化和智能化，真正意义上实现纳米材料的“一剂多能”和“一剂多用”。同时加强各方的协同合作，研发新型纳米驱油技术，为油田提高EOR 提供技术支撑。

随着相关技术的不断革新和改进，未来智能纳米材料一定会成为油田开发行业的生力军，在提高采收率领域大放异彩。