趙躍軍，李宜霖，董馳，趙宇璇，陳昊

(1. 東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318；2. 東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶 163318；3. 中國石油新疆油田公司，新疆克拉瑪依 834099)

納米顆粒材料(nanoparticles, NPs)是指尺寸為1～100 nm的納米粒子，因其表面存在等離子體共振效應(yīng)，具有優(yōu)異的催化活性、內(nèi)在的反應(yīng)活性、良好的吸附親和性和分散性[1]。這些特性受到材料的晶界、單位體積表面積、粒徑、純度、導(dǎo)熱系數(shù)等因素的影響。較大的表面積增強(qiáng)了納米顆粒材料的熱物理性質(zhì)，小粒徑增加了其作為吸收體流體的潛力。在力學(xué)性能方面，納米顆粒材料與其他復(fù)合材料相比，具有較高的延展性、較高的平均硬度和較大的應(yīng)變性[2]。

納米顆粒表面積與體積的比值遠(yuǎn)超過常規(guī)尺度比值，粒子表面積也高于大部分由相同材料制成的微觀粒子與宏觀材料。更重要的是，即使在油氣儲(chǔ)層的高溫高壓條件下，納米顆粒材料也能表現(xiàn)出較強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性，并且具有較強(qiáng)的選擇性吸附性，這對(duì)油氣田開發(fā)提高采收率過程的優(yōu)化至關(guān)重要[3-4]。

納米顆粒材料按照材質(zhì)不同進(jìn)行分類，可分為金屬及金屬氧化物材料、有機(jī)材料、無機(jī)材料、納米復(fù)合材料、納米聚合材料等，其性質(zhì)見表1。

表1 納米顆粒材料種類統(tǒng)計(jì)

1 驅(qū)油機(jī)理

納米顆粒材料的驅(qū)油機(jī)理通常較為復(fù)雜，是多種驅(qū)油機(jī)理相互耦合，最終起到提高采收率的作用。總體上，納米顆粒材料驅(qū)油機(jī)理可分為宏觀驅(qū)油機(jī)理和微觀驅(qū)油機(jī)理兩部分。

1.1 宏觀驅(qū)油機(jī)理

1.1.1 改變潤(rùn)濕性

納米顆粒材料通過吸附于巖石表面來改變其潤(rùn)濕性[15]。不同的納米顆粒具有不同的潤(rùn)濕性，親水性納米顆?？梢詫⒂H油地層改變?yōu)橹行曰蛴H水，親水的納米顆粒材料應(yīng)優(yōu)先用于親油地層，而疏水的納米顆粒材料應(yīng)用于親水地層,從而提高原油采收率[16]。納米流體對(duì)儲(chǔ)層潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)的機(jī)制分為納米顆粒材料的潤(rùn)濕鋪展[17]以及納米顆粒材料和巖石壁面的吸附作用[18]兩方面。

1.1.2 降低界面張力

由于納米顆粒材料的低界面張力(如磁性鐵納米顆粒[19])，使其容易進(jìn)入物性較差地層，并與殘留在巖石孔隙中的原油發(fā)生作用，使得原油和水之間的表面張力降低，從而使油滴從巖石孔隙中流出，聚結(jié)成油帶，在注入介質(zhì)的驅(qū)動(dòng)下被采出[20]，從而提高驅(qū)替效率，起到進(jìn)一步提高采收率的效果。

1.1.3 改善流度比

納米顆粒材料能夠增加注入介質(zhì)的黏度或降低地層原油的黏度，來改善兩者之間的流度比，提高驅(qū)替效率。有研究發(fā)現(xiàn)，氧化銅納米顆粒材料能夠提高注入水的黏度[21]；氧化鋁納米顆粒材料與鹽水混合能夠通過破壞C—S鍵來降低地層原油黏度[22]；同時(shí)納米顆粒的存在增加了稠油固體分子之間的碰撞裂解概率，增加了小分子揮發(fā)分與不易揮發(fā)的飽和分比例，促進(jìn)稠油固體組分裂解，使稠油固體的黏度減小[23]。

1.1.4 擴(kuò)大波及體積

雷群等[24]采用低場(chǎng)核磁共振巖心驅(qū)替裝置測(cè)試了納米顆粒材料驅(qū)油劑擴(kuò)大水驅(qū)波及體積的效果，結(jié)果表明納米顆粒材料驅(qū)油劑能夠在水驅(qū)的基礎(chǔ)上增加 10%～20%的波及體積，機(jī)理為在納米顆粒材料的作用下水分子間的氫鍵締合作用被減弱，水分子間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被改變，從而使注入水進(jìn)入了常規(guī)水驅(qū)試驗(yàn)中不能波及的低孔低滲區(qū)域。

1.2 微觀驅(qū)油機(jī)理

1.2.1 分離壓力

分散在水中的納米顆粒在布朗運(yùn)動(dòng)和顆粒間靜電排斥力的共同作用下，具有在不連續(xù)流體的三相界面處形成楔形膜的趨勢(shì)，并逐漸向前推進(jìn)，從而產(chǎn)生了分離壓力[25]。分離壓力的形成導(dǎo)致三相界面力的平衡被打破，引起系統(tǒng)的某些特性發(fā)生改變，最終可能表現(xiàn)為驅(qū)替現(xiàn)象[26]。吳偉鵬等[27]對(duì)此機(jī)理進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)在分離壓力驅(qū)動(dòng)下，納米流體能夠沿著表面擴(kuò)散從而使微觀模型喉部的油滴脫落。

1.2.2 密度差異

在含水飽和度較高的細(xì)小孔隙中，由于水和納米顆粒之間的密度差異，納米顆粒會(huì)在孔喉處聚集，使得注入的流體能夠流向鄰近的孔隙，從而增加了孔隙的壓力，導(dǎo)致該孔喉處的流動(dòng)阻力變大，促使水流向相鄰的孔隙并驅(qū)替出孔隙中的原油，原油被驅(qū)替后流動(dòng)阻力減小、孔隙壓力下降，納米顆粒逐漸隨水運(yùn)移而出，孔隙恢復(fù)流通，在這種情況下，納米顆粒可以被載體流體再次取代[28-29]。

1.2.3 納米減阻機(jī)理

納米減阻的理論依據(jù)是納米顆粒材料的吸附作用和水流滑移效應(yīng)。納米顆粒材料進(jìn)入儲(chǔ)層微孔道后，與水之間發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)吸附，納米顆粒材料利用其多氫鍵的優(yōu)勢(shì)牢固吸附在微孔道壁面，形成納米結(jié)構(gòu)層。這種納米結(jié)構(gòu)層具有極強(qiáng)的疏水作用，使水流在“納米效應(yīng)”的作用下產(chǎn)生一定滑移現(xiàn)象，從而提高了流速，起到了減阻的作用[30]。

2 納米顆粒材料在油氣田開發(fā)中的應(yīng)用

2.1 納米顆粒材料作為驅(qū)油劑

室內(nèi)驅(qū)油試驗(yàn)是確定特定油藏條件下采收率的常用方法。在巖心驅(qū)油試驗(yàn)中，納米顆粒材料是重要的驅(qū)油劑。Ehtesabi等[31]使用TiO2納米顆粒材料對(duì)砂巖巖心進(jìn)行驅(qū)油試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：使用礦化度5 g/L的鹽水時(shí)，采收率為49%；而使用TiO2納米顆粒材料的采收率高達(dá)80%。Li等[32]利用不同的SiO2納米顆粒材料進(jìn)行了多次驅(qū)油試驗(yàn)，結(jié)果表明，注入SiO2納米顆粒材料可在極低質(zhì)量濃度(0.01 mg/L)的情況下提高采收率。Youssif等[33]比較了水驅(qū)和碳納米顆粒材料的驅(qū)油效果，注入水的油藏采收率可達(dá)到46%～63%，而通過選擇合適的碳納米顆粒材料，采收率可提高到57%～85%。

2.2 納米顆粒材料作為調(diào)剖劑

Lakatos等[34]發(fā)現(xiàn)納米顆粒材料可以改善堵水調(diào)剖劑的原位成膠能力，調(diào)控成膠時(shí)間。Hou等[35]研制了一種新型的有機(jī)-無機(jī)納米顆粒材料復(fù)合凝膠調(diào)剖劑，該復(fù)合凝膠體系在酸性環(huán)境下表現(xiàn)出良好的耐高溫、高壓、高彈性的性能，封堵率達(dá)到95%以上，是一種環(huán)境友好型調(diào)剖劑。郭宇[36]研究了由納米顆粒材料和表面活性劑復(fù)配而成的調(diào)剖劑的性能，復(fù)合體系的最佳注入?yún)?shù)為PV數(shù)0.5，質(zhì)量濃度為1.5 g /L的納米微球溶液和PV數(shù)0.5，質(zhì)量濃度1.0 g/L的表面活性劑溶液。Ito等[37]研發(fā)了一種碳納米管/橡膠復(fù)合材料，該納米復(fù)合材料具有較好的耐溫(260 ℃)、耐壓(310 MPa)性能，可應(yīng)用于高溫、高壓儲(chǔ)層改善注水采油剖面。

2.3 納米顆粒材料作為穩(wěn)定劑

Pei等[38]研究了鋁、銅等納米顆粒材料及其氧化物對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，親水納米顆粒材料的應(yīng)用使油水分離更加容易，乳液穩(wěn)定性下降。在另一項(xiàng)研究中，Al-Otaibi等[39]發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定的乳狀液可以由二氧化碳、納米顆粒和水形成。納米顆粒材料的濃度和基液體積分?jǐn)?shù)是影響乳狀液穩(wěn)定性的重要參數(shù)。Ashrafizadeh等[40]使用SiO2納米顆粒材料和4種表面活性劑(陽離子、陰離子、離子偶極子和非離子)對(duì)鹽水中形成的油乳液進(jìn)行了測(cè)量和評(píng)價(jià)，研究發(fā)現(xiàn)，納米顆粒材料乳劑具有高效、低成本的特點(diǎn)。Aminzadeh-Goharrizi等[41]研究了納米顆粒對(duì)水中二氧化碳泡沫的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)納米顆粒可以改變環(huán)境中二氧化碳的運(yùn)動(dòng)模式和分布，同時(shí)也降低了二氧化碳流動(dòng)性。孫乾等[42]也對(duì)改性納米顆粒在穩(wěn)定二氧化碳泡沫中的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)表面改性二氧化硅納米顆粒在水中形成的泡沫在95 ℃和礦化度高達(dá)10 g/L的條件下可保持穩(wěn)定。

2.4 納米顆粒材料作為降黏劑

控制稠油流動(dòng)性的2個(gè)主要因素是原油黏度和儲(chǔ)層滲透率。有研究發(fā)現(xiàn)納米流體對(duì)瀝青質(zhì)沉積具有抑制作用，可以防止油流堵塞，并使油流有效流動(dòng)[43]。Zabala等[44]研究表明，使用油基納米流體(OBNs)可以在不進(jìn)行連續(xù)注入的情況下，使靜態(tài)條件下的油黏度降低約98%。Shokrlu等[45]研究了鎳納米顆粒材料降低水熱裂解反應(yīng)的活化能的原理，鎳的納米顆粒材料打破了化合物中的C—S鍵，從而縮短了其分子鏈的長(zhǎng)度，降低了油的黏度，使稠油采收率顯著提高。

2.5 納米顆粒材料作為壓裂液

2.5.1 高溫壓裂液

一般情況下，井底溫度為170～200 ℃。傳統(tǒng)的交聯(lián)多糖水力壓裂液會(huì)形成水垢，對(duì)地層造成破壞，限制了其應(yīng)用，納米顆粒材料壓裂液的研發(fā)解決了這一問題[46]。納米交聯(lián)劑降低了水力壓裂液的聚合物載荷和聚合物殘留，改善了壓裂液的流變性能和熱穩(wěn)定性，且在高溫下無壓力依賴性[47]。納米顆粒材料還被用作黏彈性表面活性劑(VES)壓裂液的增強(qiáng)劑，VES流體可降低壓裂液的表面張力，納米顆粒材料的加入改善了VES流體的熱穩(wěn)定性，降低了流體的高漏失率。其主要的缺點(diǎn)是流變特性隨溫度的升高而降低，此外目前總成本很高，該方法有待進(jìn)一步研究[48]。

2.5.2 海水基壓裂液

淡水資源的缺乏是影響海上油田開發(fā)的主要因素之一，為解決這一問題，Pei等[38]研發(fā)了由納米顆粒材料與海水復(fù)配而成的海水基壓裂液體系，試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)配體系的使用降低了對(duì)聚合物溶液及瓜爾膠溶液的需求，同時(shí)使得流體黏度提高，在高溫(150 ℃)和高礦化度(56 g/L)的環(huán)境下，壓裂體系能夠保持較高的穩(wěn)定性。同時(shí)在復(fù)配體系中納米顆粒材料的使用量較少，具有經(jīng)濟(jì)可行性。

2.5.3 磁性壓裂液

楊倩茹等[49]利用納米顆粒材料的電磁特性，提出了一種在壓裂前置液中加入Fe3O4磁性納米顆粒材料的方法。壓裂施工過程中，混有將Fe3O4磁性納米顆粒材料的前置液在注入壓力的作用下進(jìn)入地層，起到改變巖石表面潤(rùn)濕性的作用。壓裂結(jié)束后，在反排液的作用下，納米顆粒材料通過井筒被采出。納米顆粒材料的可循環(huán)性解決了低滲油藏、稠油油藏的經(jīng)濟(jì)開發(fā)問題，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 納米顆粒材料在油田現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

實(shí)驗(yàn)室中的研究已證明納米技術(shù)是潛力巨大的可提高采收率新技術(shù)，但仍存在眾多的技術(shù)問題，限制了納米技術(shù)在油田現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用。目前現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用成功的納米顆粒材料提高采收率的報(bào)道并不多見。

1998年，中國石油遼河油田在興隆臺(tái)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了分子納米膜驅(qū)油現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，部分觀察井的日產(chǎn)油量明顯增加，相應(yīng)含水降低。分子沉積納米膜驅(qū)油技術(shù)(MD)改變了巖石表面的性質(zhì)和與原油的相互作用狀態(tài)，提高了驅(qū)油效率。但納米膜劑在巖石表面吸附損耗嚴(yán)重且分子膜驅(qū)見效時(shí)間較長(zhǎng)，限制了納米分子膜驅(qū)油技術(shù)的發(fā)展[50]。

2011年，中國石化江蘇油田進(jìn)行了納米驅(qū)油試驗(yàn)，結(jié)果表明對(duì)不同地層性質(zhì)的區(qū)塊，納米溶液均可起到一定提高驅(qū)油效率的作用，驅(qū)油效率提高程度為 4.0%～27.9%[51]。

2018年，西部某油田對(duì)納米顆粒材料與表面活性劑復(fù)合調(diào)驅(qū)體系的性能進(jìn)行了礦場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)果表明，應(yīng)用復(fù)配體系后注水井壓力升高，對(duì)應(yīng)油井產(chǎn)油量上升，含水率下降[36]。

4 結(jié)論與展望

隨著能源需求的不斷上升和常規(guī)儲(chǔ)量的下降，石油行業(yè)不斷尋找創(chuàng)新的方法來提高石油采收率。近年來，納米顆粒材料在各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用，引起了科研人員將其應(yīng)用于石油工業(yè)的興趣。

1)納米顆粒材料具有尺寸小，表面積體積比大和單位質(zhì)量粒子數(shù)多的特點(diǎn)，使其在石油天然氣工業(yè)中能夠顯著改善流體性能，另一個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)是納米顆粒材料的成本通常比化學(xué)品低。此外，與應(yīng)用于儲(chǔ)層的其他化學(xué)物質(zhì)相比，大多數(shù)納米顆粒材料是環(huán)境友好材料，可以回收再利用。

2)納米技術(shù)具有改變石油和天然氣工業(yè)技術(shù)前景的潛力，但納米顆粒材料用于油氣田開發(fā)領(lǐng)域需要滿足很多苛刻的條件，大多數(shù)納米顆粒材料具有其適用性，需要進(jìn)一步研究耐高溫耐高鹽并且極少在巖石孔隙表面吸附/滯留的納米顆粒材料。

3)目前納米技術(shù)的研究大多停留在實(shí)驗(yàn)室階段，且對(duì)研究機(jī)理、作用機(jī)制尚未明確，還未能在油田現(xiàn)場(chǎng)大規(guī)模應(yīng)用和推廣。推進(jìn)納米技術(shù)的研發(fā)，將納米技術(shù)應(yīng)用于油氣田開發(fā)領(lǐng)域，可為油田提高采收率技術(shù)帶來突破。