納米流體在三次采油中的應(yīng)用

文 戴紫夢(mèng)

近年來伴隨著石油工業(yè)的發(fā)展，越來越多的國內(nèi)外學(xué)者將納米流體應(yīng)用到三次采油中。納米流體是指將納米顆粒分散到液體介質(zhì)中得到的粒度小并且均勻的穩(wěn)定分散體系。在導(dǎo)熱系數(shù)、黏度、對(duì)流傳熱等方面納米流體比單相溶液展現(xiàn)出較大的優(yōu)勢(shì)，并且納米流體應(yīng)用比較廣泛，在強(qiáng)化傳熱領(lǐng)域可作為一種換熱工質(zhì)，在石油化工領(lǐng)域可作為鉆井液、水處理劑等。

能夠形成納米流體的納米顆粒種類有很多，例如 SiO2、TiO2、Al2O3、Ca2O3、Cu、CuO、Fe2O3、Ca3(PO4)2等金屬和金屬氧化物納米粒子。上述顆粒尺寸均為納米量級(jí)，比表面積較大，由于納米顆粒表面存在大量的不飽和鍵，導(dǎo)致納米流體大多處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，此外范德華力、靜電力等表面力的存在使納米顆粒在溶液中易發(fā)生團(tuán)聚，最終形成二次團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，從而使納米顆粒喪失了其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)。因此，如何設(shè)計(jì)顆粒穩(wěn)定、分散的納米流體是進(jìn)行各項(xiàng)探索研究的基礎(chǔ)。

納米流體的制備

影響納米流體的因素有很多，例如溫度、超聲時(shí)間、溶劑pH值、顆粒粒徑等。顆粒分散在液相介質(zhì)中時(shí)一般分為三個(gè)階段：潤濕、解團(tuán)聚以及納米分散顆粒的穩(wěn)定，其中液相介質(zhì)分為水相體系與非水相體系。制備相對(duì)穩(wěn)定的納米流體的方法一般分為物理方法和化學(xué)方法，物理方法常見方式有顆粒的機(jī)械粉碎、水浴超聲分散等，化學(xué)分散則是通過向液相介質(zhì)中加入一種或多種化學(xué)分散劑從而提高體系的穩(wěn)定性。

如今研究的納米顆粒為納米量級(jí)，因此可通過膠體化學(xué)中的相關(guān)知識(shí)解決納米顆粒分散所遇到的問題。由于納米顆粒表面能較高，易于相互團(tuán)聚，可以通過改變外界條件在顆粒間建立一個(gè)能壘，從而抑制納米顆粒的團(tuán)聚，最終使整個(gè)體系保持動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性。依靠納米顆粒間的雙電層斥力及靜電相互作用便可建立這種能壘，在液相介質(zhì)中所用納米顆粒的穩(wěn)定分散都可以通過建立類似的能壘實(shí)現(xiàn)。膠體穩(wěn)定介質(zhì)的分散理論可分為三種,分別是：靜電斥力穩(wěn)定理論、空間位阻穩(wěn)定理論和空缺穩(wěn)定理論。

在納米流體制備過程中表面活性劑可被用作分散劑使納米顆粒均勻分散，表面活性劑對(duì)于納米顆粒的作用可分為兩種：（1）降低納米顆粒的表面張力從而使納米顆粒表面能降低，提高納米顆粒表面的潤濕性能。表面活性劑一般通過兩種方式提高顆粒的潤濕性：一是表面活性劑在液相的定向吸附；二是固—液界面以疏水鏈吸附在顆粒表面并且親水基伸入水相的定向排列，從而降低固液表面張力，增大鋪展系數(shù)。（2）增大納米顆粒間的排斥能或者降低顆粒間的吸引能。在水基納米流體中，納米顆粒容易發(fā)生團(tuán)聚，因此需要增加靜電排斥力或增大空間位阻來防止納米顆粒之間的團(tuán)聚，以及消除已經(jīng)形成的顆粒團(tuán)聚。通過利用機(jī)械分散法和超聲波法來解除已形成的團(tuán)聚。機(jī)械分散是指通過機(jī)械高速攪拌從而將團(tuán)聚粉碎，超聲波法則是指利用超聲產(chǎn)生的高壓或者強(qiáng)沖擊波將團(tuán)聚粉碎。由于納米顆粒之間存在表面力，顆粒之間仍然有團(tuán)聚趨勢(shì)，因此可在體系中加入可電解的無機(jī)鹽、表面活性劑或者高聚物等，使顆粒分散、穩(wěn)定。

綜上所述，納米流體的制備過程為：將納米顆粒加入到一定濃度的表面活性劑溶液中，攪拌并超聲，得到所需納米流體。

納米流體在三次采油中的應(yīng)用

當(dāng)今世界，石油與天然氣是主要的優(yōu)質(zhì)能源，是保證一個(gè)國家政治、經(jīng)濟(jì)以及軍事的重要物資。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，石油對(duì)于保障國家穩(wěn)定具有不可替代的地位。在石油開采過程中分為三個(gè)階段：一次采油、二次采油以及三次采油，前兩次采油結(jié)束后采收率很低，一般不超過50%，在儲(chǔ)油巖層中仍然殘存著大量石油，因此可利用物理或者化學(xué)方法對(duì)石油進(jìn)行三次開采。在三采過程中通過加入化學(xué)物質(zhì)來改善油、氣、水以及巖層之間的性能，進(jìn)而開采更多的石油。我國大慶油田，截至2016年已經(jīng)連續(xù)15年三次采油，保持年產(chǎn)油1000萬噸以上，這一數(shù)目占大慶油田原油總量的30%。三次采油主要分為四類，分別是化學(xué)驅(qū)、氣驅(qū)、熱力學(xué)驅(qū)以及微生物驅(qū)四種。化學(xué)驅(qū)油包括聚合物驅(qū)、表面活性劑驅(qū)等，目前化學(xué)驅(qū)是研究者的研究熱點(diǎn)，并在眾多油田實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。氣驅(qū)包括二氧化碳驅(qū)、氮?dú)怛?qū)、烴類驅(qū)以及煙道氣驅(qū)等，熱力驅(qū)油包括蒸汽吞吐以及蒸汽驅(qū)等，微生物驅(qū)包括微生物驅(qū)油與微生物調(diào)剖等，因?yàn)槲⑸矧?qū)具有適用范圍廣，工藝簡(jiǎn)單、環(huán)保無污染等優(yōu)點(diǎn)，近年來得到眾多研究者的重視。

在油田中納米流體應(yīng)用極其廣泛，目前已經(jīng)涉及降壓增注、堵水、水處理以及三次采油等方面。在納米流體降壓增注方面，俄羅斯最早將納米聚硅材料用于現(xiàn)場(chǎng)，經(jīng)過處理百余口注水井，最終降壓增注效果明顯。油田中用到的納米堵劑主要由無機(jī)納米材料、助分散劑以及速度控制劑構(gòu)成，陳淵設(shè)計(jì)的納米堵劑已經(jīng)成功應(yīng)用于新疆塔河油田以及寶浪油田。在水處理方面，納米流體可以應(yīng)用到超稠油乳狀液凈化、含油污水凈化以及反排水基壓裂液凈化等。由于納米顆粒具有比表面積大、比表面能高等優(yōu)勢(shì)，可以在水處理過程中減少投入量并且降低成本，因此應(yīng)用前景十分廣闊。

利用納米流體采油作為一種新型的研究方向，在三次采油方面得到了越來越廣泛的關(guān)注。比如納米二氧化硅流體是將納米二氧化硅改性，從而使其具有親水或者親油特性，用表面活性劑穩(wěn)定制備的納米流體對(duì)于三次采油的實(shí)際應(yīng)用具有重要的意義。一般納米流體在三次采油中驅(qū)油的方式包括降低油水表面張力、巖壁潤濕性翻轉(zhuǎn)和顆粒對(duì)油的剝離等。

1.利用納米流體降低油水界面張力

朱紅等人將二氧化硅（SiO2）、改性納米二氧化硅（M-SiO2）分別與石油磺酸鹽（PS）組成納米流體體系并進(jìn)行驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，通過界面張力儀的測(cè)試發(fā)現(xiàn)該體系可降低油水界面的表面張力。并且，通過一系列數(shù)據(jù)顯示，表面活性劑濃度為1.0 wt%時(shí)，SiO2-PS體系能夠使油水界面張力降至0.01 mN/m，M-SiO2-PS復(fù)合體系能夠?qū)埩档椭?.37×10-3mN/m左右。這表明，M-SiO2-PS復(fù)合體系明顯降低了油水界面張力，進(jìn)而提高了原油的采收率。研究發(fā)現(xiàn)，SiO2納米顆粒可以與PS相互補(bǔ)充并且吸附在油水界面，從而形成一個(gè)有一定機(jī)械強(qiáng)度的界面膜，如圖1所示，該界面膜在一定時(shí)間內(nèi)可以穩(wěn)定，因此油水界面張力被顯著降低。

圖1 油水界面上納米SiO2顆粒與PS分子作用模型

2.納米流體巖壁潤濕性翻轉(zhuǎn)

在2012年，Ali Karimi等設(shè)計(jì)并且制備了一種氧化鋯納米流體并將其應(yīng)用于原油老化后的巖心切片，使用SEM分析經(jīng)過納米流體處理前后的巖心切片（圖2、圖3）。結(jié)果顯示納米氧化鋯顆粒可吸附于巖壁表面并可形成納米帶狀或條狀結(jié)構(gòu)，由于氧化鋯自身存在親水性以及在巖壁微納米級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)的存在，從而使巖壁產(chǎn)生較好的親水性，結(jié)果證明氧化鋯納米流體使油層潤濕性發(fā)生了改變。

圖2 干凈巖心切片SEM圖（A）及原油老化巖心切片（B）

圖3 原油老化巖片不同納米流體處理后SEM圖

3.納米流體對(duì)巖壁油滴的剝離

依據(jù)納米流體在油固兩相之間的流動(dòng)現(xiàn)象，伊利諾斯理工大學(xué)的DarshWasan等人提出納米顆粒對(duì)于油滴的剝離理論，處于油固兩相界面處的納米流體存在結(jié)構(gòu)分壓從而增強(qiáng)了流體的流動(dòng)，并且代替原有界面膜，達(dá)到油固相分離。

當(dāng)今，我國原油對(duì)外依賴度很高，油氣資源的緊缺已經(jīng)成為制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要障礙之一。我國現(xiàn)已探明的油氣資源豐富，但開發(fā)處于中后期，因此，納米流體作為新興的石油后期開采手段已展現(xiàn)了其獨(dú)有的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)。盡管眾多的研究成果已經(jīng)使油田采收率大幅度提高，但科研沒有盡頭，國內(nèi)外學(xué)者仍然在不懈努力，爭(zhēng)取使采油率再上一個(gè)新臺(tái)階。