納米磁流體驅替原油的作用機理分析

李雄杰

（中國石油長城鉆探工程有限公司井下作業分公司，遼寧 盤錦 124010）

隨著納米材料的開發及學科交叉的融合發展，在尺寸和比表面積等方面具有顯著優勢的納米材料逐漸被應用于油氣開發的各個領域[1]。其中納米二氧化硅是應用較早較為廣泛的一種納米材料，借鑒于納米二氧化硅的成功應用，各種金屬納米材料及改性納米材料逐漸被嘗試于油氣開發的各個方面。這其中，納米磁流體因兼具磁響應特征和納米流體的雙重優勢決定了其在攜油驅油方面必然具有良好的應用前景，但關于納米磁流體驅替原油的作用機理尚未見系統的報道，因此系統總結了納米磁流體驅替原油的作用機理，為納米磁流體在驅替原油中的應用提供理論基礎。

1 磁場定向力

納米磁性流體中含大量納米級固相磁性顆粒，當存在外加磁場時，會影響納米磁流體的流動、控制磁流體的運動路線，克服由于非均質性而造成的低波及范圍的問題，達到提高采收率的目的。

當存在外加的磁場時，磁性顆粒會因為磁化沿著磁場的方向形成一種類似鏈條的形狀，對于顆粒變成鏈狀的原因可以用相變理論來解釋。相變理論是磁性顆粒受到分子間的引力和斥力、熱運動和布朗運動的影響，在不存在外加的磁場的情況下，磁性顆粒會隨機分布在載液中，體系也能相應的保持穩定的狀態。當處在外加的磁場中，磁性顆粒被磁化而整齊的排列起來，變成有序相。磁場越強，鏈化的越強，逐漸就會表現出固化的特征[2]。

磁化后的納米磁流體會產生其他的磁場，該磁場和外加磁場相互作用，進而產生磁場力。去掉外加磁場后，納米磁流體中的磁性顆粒會進行雜亂的運動，宏觀上沒有磁性；當處在外加的磁場中時，磁性顆粒會被磁化，顯示出磁性。

2 潤濕性

納米磁性顆粒在巖心內的吸附和滯留可以部分覆蓋原有的油濕孔壁，巖石與液體間的部分界面被親水性納米磁性顆粒與液體間的界面所取代，巖心的潤濕性在一定程度上取決于納米顆粒的親水性還是疏水性。采用親油和親水的多晶硅納米顆粒為研究對象，測試砂巖的潤濕性變化，發現對潤濕性的轉變有效的是親水性的多晶硅納米顆粒。

Torseater[3]對納米顆粒在親水性砂巖上的潤濕性進行了研究，發現吸附于砂巖表面的納米顆粒可以轉變巖石的潤濕性。為更好地理解納米顆粒對潤濕性的影響，研究了納米顆粒的加入對溶液接觸角的變化：納米顆粒濃度增加，接觸角會變小、潤濕性也由強油濕變為弱油濕；在相同濃度下，親水性二氧化硅膠體納米顆粒比親水性二氧化硅納米結構顆粒更能減小接觸角。

3 界面張力

界面張力是影響流體在多孔介質中分布和運動的主要參數，納米顆粒也被認為具有降低界面張力的作用，降低界面張力是納米流體提高采收率的主要機制。

納米顆粒和表面活性劑驅或者聚合物驅在驅油方面具有協同作用。Suleimanov等[4]將金屬納米流體 (70～150nm)加入陰離子表面活性劑溶液中，采收率提高了35%，而單獨使用表面活性劑時采收率僅提高17%。Hendraningrat[5]等采用垂墜法測定原油與納米流體之間的界面張力，結果表明：添加納米顆粒可使界面張力由14.7mN/m降至9.3mN/m。此外，當納米流體濃度從0.01%增加到0.05%時，界面張力值從9.3mN/m降低到5.2mN/m；界面張力對納米流體濃度敏感，隨著納米流體濃度的增加而減小。

Alomair[6]等比較了SiO2和Al203納米流體對界面張力的影響，發現：納米流體的加入會使界面張力明顯下降；加入SiO2納米流體時的界面張力值低于Al2O3納米流體時測得的值，相比較而言SiO2納米流體具有更高的提高采收率潛力；進一步比較三種納米顆粒 (Al2O3、SiO2和NiO)在原油和納米流體之間降低界面張力的能力，結果發現SiO2納米顆粒與原油間的界面張力值最低，其主要原因是油水表面上SiO2納米顆粒吸附量最高。

4 其它因素

通過改變井網結構，進行角井和邊井交替開采的方式，可以改變磁流體驅替原油的速度和方向，有效的動用殘余油、提高了波及系數，增大了原油的采收率。說明合理的井網開采方式對納米磁流體驅替原油具有協同作用[7]。

除了直接依賴于納米磁流體磁化率外，磁場力還受到孔隙幾何形狀的強烈影響，現有的提高采收率方法 (如注入表面活性劑)和磁場激發的納米磁流體的協同作用有可能驅替井筒附近更多孔隙中原油[8]。

5 結語

1）納米磁流體兼具納米磁流體和磁響應的雙重優勢，外加磁場會影響到磁流體的流動，提高納米磁流體的波及范圍，達到提高采收率的目的。

2）納米磁流體驅替原油的作用機理歸納起來包括磁場定向力、改變潤濕性、降低界面張力、注采井網和儲層孔隙結構等與磁場的協同作用等。