纳米流体在三次采油中的应用

文 戴紫梦

近年来伴随着石油工业的发展，越来越多的国内外学者将纳米流体应用到三次采油中。纳米流体是指将纳米颗粒分散到液体介质中得到的粒度小并且均匀的稳定分散体系。在导热系数、黏度、对流传热等方面纳米流体比单相溶液展现出较大的优势，并且纳米流体应用比较广泛，在强化传热领域可作为一种换热工质，在石油化工领域可作为钻井液、水处理剂等。

能够形成纳米流体的纳米颗粒种类有很多，例如 SiO2、TiO2、Al2O3、Ca2O3、Cu、CuO、Fe2O3、Ca3(PO4)2等金属和金属氧化物纳米粒子。上述颗粒尺寸均为纳米量级，比表面积较大，由于纳米颗粒表面存在大量的不饱和键，导致纳米流体大多处于热力学不稳定状态，此外范德华力、静电力等表面力的存在使纳米颗粒在溶液中易发生团聚，最终形成二次团聚结构，从而使纳米颗粒丧失了其独有的优势。因此，如何设计颗粒稳定、分散的纳米流体是进行各项探索研究的基础。

纳米流体的制备

影响纳米流体的因素有很多，例如温度、超声时间、溶剂pH值、颗粒粒径等。颗粒分散在液相介质中时一般分为三个阶段：润湿、解团聚以及纳米分散颗粒的稳定，其中液相介质分为水相体系与非水相体系。制备相对稳定的纳米流体的方法一般分为物理方法和化学方法，物理方法常见方式有颗粒的机械粉碎、水浴超声分散等，化学分散则是通过向液相介质中加入一种或多种化学分散剂从而提高体系的稳定性。

如今研究的纳米颗粒为纳米量级，因此可通过胶体化学中的相关知识解决纳米颗粒分散所遇到的问题。由于纳米颗粒表面能较高，易于相互团聚，可以通过改变外界条件在颗粒间建立一个能垒，从而抑制纳米颗粒的团聚，最终使整个体系保持动力学稳定性。依靠纳米颗粒间的双电层斥力及静电相互作用便可建立这种能垒，在液相介质中所用纳米颗粒的稳定分散都可以通过建立类似的能垒实现。胶体稳定介质的分散理论可分为三种,分别是：静电斥力稳定理论、空间位阻稳定理论和空缺稳定理论。

在纳米流体制备过程中表面活性剂可被用作分散剂使纳米颗粒均匀分散，表面活性剂对于纳米颗粒的作用可分为两种：（1）降低纳米颗粒的表面张力从而使纳米颗粒表面能降低，提高纳米颗粒表面的润湿性能。表面活性剂一般通过两种方式提高颗粒的润湿性：一是表面活性剂在液相的定向吸附；二是固—液界面以疏水链吸附在颗粒表面并且亲水基伸入水相的定向排列，从而降低固液表面张力，增大铺展系数。（2）增大纳米颗粒间的排斥能或者降低颗粒间的吸引能。在水基纳米流体中，纳米颗粒容易发生团聚，因此需要增加静电排斥力或增大空间位阻来防止纳米颗粒之间的团聚，以及消除已经形成的颗粒团聚。通过利用机械分散法和超声波法来解除已形成的团聚。机械分散是指通过机械高速搅拌从而将团聚粉碎，超声波法则是指利用超声产生的高压或者强冲击波将团聚粉碎。由于纳米颗粒之间存在表面力，颗粒之间仍然有团聚趋势，因此可在体系中加入可电解的无机盐、表面活性剂或者高聚物等，使颗粒分散、稳定。

综上所述，纳米流体的制备过程为：将纳米颗粒加入到一定浓度的表面活性剂溶液中，搅拌并超声，得到所需纳米流体。

纳米流体在三次采油中的应用

当今世界，石油与天然气是主要的优质能源，是保证一个国家政治、经济以及军事的重要物资。随着经济的快速发展，石油对于保障国家稳定具有不可替代的地位。在石油开采过程中分为三个阶段：一次采油、二次采油以及三次采油，前两次采油结束后采收率很低，一般不超过50%，在储油岩层中仍然残存着大量石油，因此可利用物理或者化学方法对石油进行三次开采。在三采过程中通过加入化学物质来改善油、气、水以及岩层之间的性能，进而开采更多的石油。我国大庆油田，截至2016年已经连续15年三次采油，保持年产油1000万吨以上，这一数目占大庆油田原油总量的30%。三次采油主要分为四类，分别是化学驱、气驱、热力学驱以及微生物驱四种。化学驱油包括聚合物驱、表面活性剂驱等，目前化学驱是研究者的研究热点，并在众多油田实现工业化。气驱包括二氧化碳驱、氮气驱、烃类驱以及烟道气驱等，热力驱油包括蒸汽吞吐以及蒸汽驱等，微生物驱包括微生物驱油与微生物调剖等，因为微生物驱具有适用范围广，工艺简单、环保无污染等优点，近年来得到众多研究者的重视。

在油田中纳米流体应用极其广泛，目前已经涉及降压增注、堵水、水处理以及三次采油等方面。在纳米流体降压增注方面，俄罗斯最早将纳米聚硅材料用于现场，经过处理百余口注水井，最终降压增注效果明显。油田中用到的纳米堵剂主要由无机纳米材料、助分散剂以及速度控制剂构成，陈渊设计的纳米堵剂已经成功应用于新疆塔河油田以及宝浪油田。在水处理方面，纳米流体可以应用到超稠油乳状液净化、含油污水净化以及反排水基压裂液净化等。由于纳米颗粒具有比表面积大、比表面能高等优势，可以在水处理过程中减少投入量并且降低成本，因此应用前景十分广阔。

利用纳米流体采油作为一种新型的研究方向，在三次采油方面得到了越来越广泛的关注。比如纳米二氧化硅流体是将纳米二氧化硅改性，从而使其具有亲水或者亲油特性，用表面活性剂稳定制备的纳米流体对于三次采油的实际应用具有重要的意义。一般纳米流体在三次采油中驱油的方式包括降低油水表面张力、岩壁润湿性翻转和颗粒对油的剥离等。

1.利用纳米流体降低油水界面张力

朱红等人将二氧化硅（SiO2）、改性纳米二氧化硅（M-SiO2）分别与石油磺酸盐（PS）组成纳米流体体系并进行驱油实验，通过界面张力仪的测试发现该体系可降低油水界面的表面张力。并且，通过一系列数据显示，表面活性剂浓度为1.0 wt%时，SiO2-PS体系能够使油水界面张力降至0.01 mN/m，M-SiO2-PS复合体系能够将张力降低至3.37×10-3mN/m左右。这表明，M-SiO2-PS复合体系明显降低了油水界面张力，进而提高了原油的采收率。研究发现，SiO2纳米颗粒可以与PS相互补充并且吸附在油水界面，从而形成一个有一定机械强度的界面膜，如图1所示，该界面膜在一定时间内可以稳定，因此油水界面张力被显著降低。

图1 油水界面上纳米SiO2颗粒与PS分子作用模型

2.纳米流体岩壁润湿性翻转

在2012年，Ali Karimi等设计并且制备了一种氧化锆纳米流体并将其应用于原油老化后的岩心切片，使用SEM分析经过纳米流体处理前后的岩心切片（图2、图3）。结果显示纳米氧化锆颗粒可吸附于岩壁表面并可形成纳米带状或条状结构，由于氧化锆自身存在亲水性以及在岩壁微纳米级粗糙结构的存在，从而使岩壁产生较好的亲水性，结果证明氧化锆纳米流体使油层润湿性发生了改变。

图2 干净岩心切片SEM图（A）及原油老化岩心切片（B）

图3 原油老化岩片不同纳米流体处理后SEM图

3.纳米流体对岩壁油滴的剥离

依据纳米流体在油固两相之间的流动现象，伊利诺斯理工大学的DarshWasan等人提出纳米颗粒对于油滴的剥离理论，处于油固两相界面处的纳米流体存在结构分压从而增强了流体的流动，并且代替原有界面膜，达到油固相分离。

当今，我国原油对外依赖度很高，油气资源的紧缺已经成为制约我国经济发展的主要障碍之一。我国现已探明的油气资源丰富，但开发处于中后期，因此，纳米流体作为新兴的石油后期开采手段已展现了其独有的特点与优势。尽管众多的研究成果已经使油田采收率大幅度提高，但科研没有尽头，国内外学者仍然在不懈努力，争取使采油率再上一个新台阶。