張創(chuàng)，王成龍，時圣彪，鄭川江

(延長油田股份有限公司志丹采油廠，陜西 延安 717500)

經(jīng)過多年不懈的探索和實踐，中國形成了水驅(qū)、CO2驅(qū)、微生物驅(qū)及SAGD等多項戰(zhàn)略性提采技術(shù)，為我國各類油田現(xiàn)場提采提供選擇[1]。隨著國內(nèi)油田逐步由常規(guī)油藏向低滲油藏轉(zhuǎn)變，加之開發(fā)過程中，非均質(zhì)性強、層間矛盾突出等一系列難題，導致常規(guī)化學驅(qū)體系面臨“注不進，采不出”的技術(shù)瓶頸[2]，亟需探索新型驅(qū)油體系以滿足現(xiàn)場應(yīng)用需求。

自20世紀以來，納米技術(shù)已被視為全球革命性的科技和技術(shù)領(lǐng)域，與生物智能、數(shù)字信息等革命比肩[3]。納米顆粒(NPs)因其表面積大、延展性高及吸附親和性強等特點，已逐漸成為油氣田開發(fā)的研究熱點，涉及鉆完井、壓裂增滲、增注提采、返排液處理等技術(shù)領(lǐng)域[4]。迄今為止，國內(nèi)外學者對納米驅(qū)油技術(shù)的探究大多集中于室內(nèi)實驗，目前現(xiàn)場應(yīng)用成功的納米驅(qū)油技術(shù)報道并不多見。

1 納米驅(qū)油技術(shù)概況

納米智能驅(qū)油技術(shù)集成了納米技術(shù)和EOR技術(shù)，具有常規(guī)EOR工藝沒有的優(yōu)勢，例如波及范圍廣、投資成本低及環(huán)境適應(yīng)性強等特點[5]。設(shè)計思路為：利用NPs驅(qū)油劑的“微觀尺度”特性，達到大范圍波及的目的；利用“強憎水強親油”特性，實現(xiàn)自動排驅(qū)和智能找油；利用“分散油聚并”特性，達到油滴聚集的目的，實現(xiàn)油墻式驅(qū)替。

1.1 分類

當前NPs驅(qū)分為納米顆粒驅(qū)和納米流體驅(qū)兩類，納米顆粒驅(qū)分為4大體系，即金屬氧化物(如MgO、Al2O3等)、有機顆粒(如碳納米顆粒、碳納米管MWNT等)、無機顆粒(如SiO2多種改性)及其它類型(如聚乙二醇PEG、納米膠體分散凝膠CDG等)，其性質(zhì)及作用見表1。納米流體驅(qū)大體分為親水型納米流體、親油型納米流體、聚合物修飾納米顆粒、納米纖維素及Janus顆粒[6]。不同分類標準納米驅(qū)油劑類型見表1。

表1 不同分類標準納米驅(qū)油劑類型統(tǒng)計Table 1 Statistics of different classification standards of nano-oil-displacing agent types

1.2 驅(qū)油機理

納米驅(qū)油技術(shù)的驅(qū)油機制是多種機理的綜合作用，是納米材料提高原油采收率研究的基礎(chǔ)，其主要機理分為微觀和宏觀驅(qū)油機理[7]。

1.2.1 微觀驅(qū)油機理

1.2.1.1 增大分離壓力 由圖1可知，分散在基載液中的納米粒子在布朗運動和靜電排斥力的作用下，在不連續(xù)連體的三相界面處形成楔形膜。該楔形膜具有不斷前進的趨勢，產(chǎn)生促進油滴剝落巖石礦物表面的分離壓。分離壓力的生成打破了三相界面的平衡，引起體系的界面張力等特性發(fā)生變化，最終表現(xiàn)為驅(qū)替現(xiàn)象。納米粒子的粒徑、濃度、溫度和體系礦化度是制約分離壓力的關(guān)鍵因素[8]。

圖1 納米流體分離壓驅(qū)油機理示意圖Fig.1 Schematic diagram of nanofluid separation and oil displacement mechanism

1.2.1.2 密度差異 在含水飽和度較高的儲層孔隙中，由于納米粒子與水存在明顯的密度差，納米微粒會聚集于細小的孔隙喉道處，導致聚集處滲流阻力增大，促使水分子無法通過而流向臨近孔隙中，驅(qū)替臨近孔隙中的原油。待原油被完全驅(qū)替后，滲流阻力顯著減少，孔隙壓力大幅度降低，納米粒子被水攜帶流出，堵塞的孔隙恢復暢通，之后納米粒子會被載體流體再次取代[9]。

1.2.1.3 納米減阻機理 NPs競爭吸附與水流滑脫作用是實現(xiàn)減阻的依據(jù)，NPs引入地層孔隙后，會與H2O發(fā)生競爭吸附，由于NPs結(jié)構(gòu)中的氫鍵含量遠大于H2O分子，導致NPs可牢牢吸附于孔道表面，形成NPs結(jié)構(gòu)層。此特殊層有很強的疏水性，流體通過時形成滑脫現(xiàn)象，進而提升了滲流速度，達到減阻效果。

1.2.2 宏觀驅(qū)油機理

1.2.2.1 降低界面張力 具有表面活性的納米顆粒進入儲層后，親水部分存在于水相中，親油部分存在于油相中，在兩相界面形成一層NPs吸附膜，取代之前的兩相油水界面。通過降低兩相間摩擦力的方式，降低界面張力，從而驅(qū)替孔隙中的剩余油，降低界面張力是納米顆粒驅(qū)提高采收率主要的機制之一。

1.2.2.2 改變巖石的潤濕性 潤濕性反應(yīng)了油水在儲層中的流動狀況和分布情況，是影響驅(qū)油效率的關(guān)鍵指標。傳統(tǒng)的化學驅(qū)需要嚴格把控儲層流體的礦化度，才能有效實現(xiàn)巖石礦物潤濕性的改變，且成本較高[10]。納米材料則是通過吸附于巖石表面，改變油水相與巖石間的接觸角，從而實現(xiàn)潤濕性的改變。不同的納米材料潤濕性也不盡相同，現(xiàn)場通常應(yīng)用親水性納米顆粒將油濕性油藏轉(zhuǎn)變成中性或水濕，進而實現(xiàn)提采。

1.2.2.3 擴大波及體積 NPs分散至基液中，會抑制H2O分子間氫鍵的締合作用，破壞H2O分子間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，促使注入水可滲流至常規(guī)水驅(qū)無法抵達的低孔低滲地帶。雷群等[11]應(yīng)用核磁共振巖心驅(qū)替裝置，開展了納米顆粒驅(qū)與常規(guī)水驅(qū)波及范圍對比實驗，發(fā)現(xiàn)納米顆粒驅(qū)波及范圍比常規(guī)水驅(qū)增大了10%～20%。

1.2.2.4 延長瀝青質(zhì)沉淀時間 瀝青質(zhì)沉淀是原油生產(chǎn)與開采常需面臨的問題，常用的EOR技術(shù)，例如CO2-EOR，很可能會由于特殊的油藏環(huán)境造成瀝青質(zhì)大量沉積，導致儲層滲透率下降。一些研究人員發(fā)現(xiàn)，NPs可在短時間內(nèi)大量吸附于瀝青質(zhì)表面，進而大幅度抑制瀝青質(zhì)的絮凝過程，延長其沉淀時間[12]。

1.2.2.5 改善流度比 納米顆?？梢杂行г龃笞⑷肓黧w的黏度或降低原油黏度，改善流度比，進而提升驅(qū)替效率。丁彬等[13]對比了水驅(qū)、NPs驅(qū)后剩余油的核磁共振實驗，研究表明，納米流體較礦化氘水驅(qū)更易進入巖心孔喉中，大幅度降低剩余油的黏度，進而提高驅(qū)替效率。

2 智能納米驅(qū)油技術(shù)應(yīng)用

2.1 納米顆粒聚合物驅(qū)

傳統(tǒng)聚合物驅(qū)往往很難實現(xiàn)大幅度提采，且適用范圍小、投資成本高，基于此，許多專家對納米顆粒聚合物驅(qū)的應(yīng)用開展了大量的研究[14]。Paria等[15]對NPs水溶性聚合物吸附性進行了研究，得出納米SiO2可大幅減少聚合物溶液的吸附量。Abhishek等[16]開展了不同濃度TiO2對聚合物黏度影響實驗，通過對比發(fā)現(xiàn)，當TiO2體積濃度達到2.3%時，對流體剪切力有直接影響。Mohammadi[17]針對NPs對聚合物驅(qū)稠油采收率的影響開展了室內(nèi)實驗，結(jié)果顯示引入NPs后溶液黏度驟增，聚合物吸附率顯著降低。與傳統(tǒng)聚合物驅(qū)相比，納米顆粒聚合物驅(qū)能夠?qū)崿F(xiàn)減少聚合物吸附、增加溶液黏度、提高原油采收率、分散納米顆粒突破時間的多重效應(yīng)，優(yōu)勢顯著。

2.2 納米顆粒表面活性劑驅(qū)

將表面活性劑與納米顆粒相結(jié)合實施原油驅(qū)替是目前新興的一項驅(qū)油技術(shù)，其設(shè)計思路見圖2。

圖2 納米流體表面活性劑驅(qū)作用機理示意圖Fig.2 Schematic diagram of the action mechanism of nanofluid surfactant flooding

納米顆粒對表面活性劑具有降吸附機制，可穩(wěn)定保留巖壁溶液中的表面活性劑分子，抑制其在礦物表面的吸附，同時納米顆粒會對分散油具有聚并效應(yīng)，形成油墻實施驅(qū)替。Kothari[18]對NPs表面活性劑驅(qū)提采效果進行了探究，指出IFT遞減率明顯大于常規(guī)表面活性劑，且波及范圍更廣。Cheraghian等[19]開展了TiO2表面活性劑室內(nèi)驅(qū)油實驗，得出相比單一表面活性劑，注TiO2表面活性劑能將稠油采收率提升4.85%。Emadi等[20]將SiO2NPs注入傳統(tǒng)表面活性劑，結(jié)果表明，改性后的表面活性劑驅(qū)油性能大大提升。經(jīng)大量研究證實，NPs表面活性劑驅(qū)不僅可實現(xiàn)IFT的減少和礦物潤濕性的改變，同時可篩選出最適的NPs和表面活性劑驅(qū)濃度，一舉多效。

2.3 納米顆粒表面活性劑聚合物驅(qū)

將NPs引入表面活性劑-聚合物驅(qū)中，同樣可大大改善復合驅(qū)的驅(qū)油效果，提高原油采收率。Sharma等[21]在關(guān)于Pickering乳狀液環(huán)境下SP驅(qū)和納米SP驅(qū)采收率對比實驗中指出，經(jīng)納米SP驅(qū)改性的乳化液可使油田采收率提升60%。Sedaghat等[22]針對SiO2和TiO2NPs對聚合物/表面活性劑驅(qū)效率的影響進行了研究，發(fā)現(xiàn)兩種NPs均可實現(xiàn)潤濕性的改變和IFT 的降低，兩者相比，SiO2NPs的提采效果更優(yōu)。Atta[23]開展了NPs對采收率影響實驗，得出添加NPs后SP驅(qū)的驅(qū)油效率大幅度提升，且隨著NPs濃度的增加，SP溶液的吸附量減少。目前，SP化學驅(qū)的性能是通過添加納米顆粒來提高的。

2.4 智能納米流體注水

當前，我國大多數(shù)油田進入開發(fā)中后期，地層非均質(zhì)性問題尤為突出，常規(guī)注水開發(fā)有許多難點需要攻關(guān)，很難實現(xiàn)有效驅(qū)動[24]。在此背景下，智能納米流體技術(shù)應(yīng)運而生。Haroun等[25]開展了不同納米流體對碳酸鹽巖油藏智能水驅(qū)采收率對比實驗，得出注入納米流體后，采收率提高了12%。Assef 等[26]研究了MgO對水驅(qū)采收率的影響，發(fā)現(xiàn)注入MgO納米流體后，溶液中的Zeta電位更具正電性，在一價、二價離子共存時，NPs遷移幅度減緩，水驅(qū)性能得以提升。Huang[27]針對智能納米流體注水的波及范圍進行了研究，結(jié)果顯示，粘土和細粒粘土穩(wěn)定形成，水驅(qū)的波及范圍提升了32%。智能納米流體注水工藝可突破常規(guī)注水波及范圍有限的問題，顯著加強水驅(qū)動用程度，提升水驅(qū)采油效果。

2.5 納米調(diào)驅(qū)

用于油藏調(diào)驅(qū)的工藝種類繁多，不同的調(diào)驅(qū)劑對油藏調(diào)驅(qū)都具有相應(yīng)的效果，但也存在一定的不足[28]。納米聚合物調(diào)驅(qū)技術(shù)是一種新型的調(diào)驅(qū)劑，其遇水膨脹，可實現(xiàn)逐級堵塞地層孔隙，而且可隨時調(diào)整注水量，不受配制水影響。吳天江等[29]對調(diào)驅(qū)用納米聚合物微球流變性實施了探究，發(fā)現(xiàn)納米聚合物微球粒徑、大小、溶液礦化度及微球分散體系剪切后放置時間是影響調(diào)驅(qū)效果的主要因素。趙華強等[30]針對納米聚合物的調(diào)驅(qū)機理進行了研究，得出納米調(diào)驅(qū)劑隨著驅(qū)替液進入儲層后，會聚集于高滲大孔道處，造成流動改向，后續(xù)驅(qū)替液會優(yōu)先進入附近低滲層將小孔道中的原油驅(qū)出，封堵與驅(qū)替交替進行，產(chǎn)生擴大波及范圍的效果(圖3)。

納米調(diào)驅(qū)雖具備不少的優(yōu)勢，但也并不是十全十美的，如剛性較差，進入地層受剪切作用后容易破碎等問題，未來仍需加大研發(fā)力度，加深對提升納米聚合物微球的穩(wěn)定性和調(diào)驅(qū)性能方面的研究。

圖3 納米聚合物微球深部調(diào)驅(qū)機理示意圖Fig.3 Schematic diagram of deep profile control and flooding mechanism of nano-polymer microspheres 1.水驅(qū)前；2.水驅(qū)過程；3.水驅(qū)后；4.注入調(diào)剖劑；5.微球變形突破；6.微球深部運移

3 評價

3.1 優(yōu)勢

中國已動用油田產(chǎn)量逐年遞減，新開發(fā)油田開采難度大，需要新型高效石油開采技術(shù)以提高新老油田產(chǎn)量，保障中國經(jīng)濟發(fā)展和能源安全[31]。智能納米驅(qū)油技術(shù)從多方面考慮，都具有一定的優(yōu)越性，其具有傳統(tǒng)驅(qū)油技術(shù)(水驅(qū)、CO2驅(qū)等)不可比擬的優(yōu)點，智能納米驅(qū)油與其他驅(qū)油技術(shù)的對比見表2。

表2 不同驅(qū)油技術(shù)特點對比Table 2 Comparison of characteristics of different oil displacement technologies

3.2 挑戰(zhàn)

智能納米驅(qū)油技術(shù)可高效低成本實現(xiàn)原油提采，具有改變石油發(fā)展前景的潛力，但由于受到相關(guān)工藝技術(shù)條件的限制，仍有關(guān)鍵技術(shù)需要突破。

3.2.1 性能效果層面 納米驅(qū)油劑的驅(qū)油效果和提采機理有待深究，納米顆粒進入儲層后，會造成孔隙堵塞，如何目標化部署納米顆粒，提高其回收率是未來該領(lǐng)域研究的重點。

3.2.2 經(jīng)濟成本層面 納米顆粒的制備和使用需要大量的資金投入，高使用成本限制了納米驅(qū)油技術(shù)的普及和推廣。

3.2.3 安全層面 納米技術(shù)雖發(fā)展迅速，但有關(guān)納米技術(shù)的安全性研究相對滯后，加之微觀納米顆粒的特殊性質(zhì)，對使用納米材料的安全風險評價存在許多知識盲區(qū)[32]。

3.2.4 環(huán)保層面 納米顆粒以固態(tài)粉末或液態(tài)形式存在，一旦被吸入或吞咽至體內(nèi)，可能會與人體細胞發(fā)生反應(yīng)，影響酶和蛋白質(zhì)的調(diào)節(jié)機制。

4 發(fā)展趨勢

智能納米驅(qū)油因其價格低廉、無污染及環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)點，已成為當前油氣行業(yè)關(guān)注的焦點，有望成為未來提高采收率的戰(zhàn)略接替技術(shù)。盡管目前對納米顆粒的驅(qū)油機理已取得了初步認識，但對其適用性和表面改性領(lǐng)域的研究仍停留在體系篩選和效果評價層面。受驅(qū)油提采理論認知薄弱、降本增效機制欠缺及安全環(huán)保風險評價模糊等問題的限制，納米驅(qū)油技術(shù)的前進步伐十分緩慢。要進一步推動我國老油田二次發(fā)展的高效平穩(wěn)實施并非易事，建議以NPs為研究基礎(chǔ)，以化學改性為主要舉措，集成流體動力學、統(tǒng)計物理學及材料科學等多項功能，賦予NPs目標性和智能性，真正意義上實現(xiàn)納米驅(qū)油劑的“一劑多能”和“一劑多用”，為未來提高采收率技術(shù)的發(fā)展帶來新的希望。