纳米材料在油田生产开发中的研究进展

张易航，潘宏霖，张易成

（1.长江大学 石油工程学院，湖北 武汉 430100；2.中海石油（中国）有限公司 湛江分公司，广东 湛江 524057；3.中国石油 华北油田公司 二连分公司，锡林浩特 026000）

纳米材料在油田生产开发中的研究进展

张易航1，潘宏霖2，张易成3

（1.长江大学 石油工程学院，湖北 武汉 430100；2.中海石油（中国）有限公司 湛江分公司，广东 湛江 524057；3.中国石油 华北油田公司 二连分公司，锡林浩特 026000）

随着各学科间的相互交融结合，新兴的纳米技术开始逐步应用至油田开发中的各方面。文章从纳米技术在油田提高采收率、防漏堵漏以及乳液性能强化3方面入手，综述了国内外纳米材料于油田驱油提高采收率、防漏堵漏、原油破乳方面的研究现状，并对纳米技术在油田生产应用方面的发展趋势进行了展望。

纳米材料；采收率；防漏堵漏；破乳

纳米技术是通过在0.1～100nm的微观环境下研究材料的性质及作用的一项新兴技术，始于二十世纪80年代，并作为二十一世纪科技创新发展的三大动力之一不断发展完善沿用至今，广泛运用于化工、医学、生物、军事、航天技术等诸多领域，现今已逐渐向传统化石能源方向迈进。在油气田开发过程中，随着油气资源开发力度的不断加大，高品质原油量开始逐年减小，随之而来开采难度也在不断加大，在这样一个日趋困难的背景下，亟待新的技术方案进行改善，这也给予了纳米技术更多的发展空间[1-4]。本文在广泛调研了现阶段纳米技术在油田开发中的研究近况，并结合实际开发应用情况，对纳米技术在提高采收率、防漏降滤失以及复合破乳方面进行了系统地阐述，并对其应用潜力及发展前景进行了展望。

1 纳米材料在提高采收率方面的应用

1.1 纳米液驱

纳米液驱是利用纳米剂在水介质中分散以形成的较大表面积和表面能来改善驱替流体性能的一种新兴驱替方式，纳米液可在岩石壁面能形成一层单分子膜，并通过与原油间较高的界面活性使界面张力快速下降，进而增大其在储层中的流动性[5-7]。纳米液还具备一定的防膨能力，在提高驱替效率的同时能有效抑制粘土的水化，且其防膨率随驱替液浓度增大而增大。庞东山[8]等通过研究纳米SiO2颗粒的浓度、温度以及剪切速率等参数对纳米流体的流变性影响中发现纳米液的黏度同纳米SiO2颗粒的浓度成正比，剪切速率在超过某一值时具有明显的剪切增稠特性，通过对这一规律的利用能更好地控制纳米液的驱替效果。

添加纳米粒子以替代常规驱替聚合物的乳液能轻易通过一般孔径的毛孔，且不会在储层孔隙间形成聚集残留。在驱替过程中又因为其较强的乳化及润湿反转能力，可使得粘附于孔隙壁面的胶质、沥青质界面张力迅速降低而分离，最终汇集聚并成油带[8]。故可利用纳米粒子同表面活性剂之间所产生的协同作用来强化乳状液的作用效果[9，10]。韩国彤[11]等利用自制的TA-13表面活性剂同纳米SiO2复合实验发现，乳状液分散至稠油中一方面是抑制低粘原油指进；另一方面是降低前沿相接触的稠油粘度，进而以提高原油的流度，此外，包含在乳状液中的表面活性剂可将稠油乳化成水包油乳化液滴，进而提高洗油效率。袁俊秀[12]等通过配置质量分数为0.2%的NH-NM纳米乳液溶液并进行纳米乳液对岩心润湿性的实验中发现，经纳米乳液浸泡后的岩心接触角从29.35°转变为47.67°，说明使用纳米乳液处理后的岩心由亲水向中性润湿方向转变。并通过岩性驱替装置（见图1）进行采收率测定，结果表明实验模拟条件下原油采收率提高值约为15%，进一步证明了纳米乳液驱替的有效性。

图1 岩心驱替装置原理图Fig.1 principle diagram of the core displacement device

1.2 纳米粒子助WAG驱

传统CO2驱过程中，由于CO2的黏度小于原油黏度，使得驱油过程中流度比大于1，易导致CO2粘性指进等问题的发生。为此常采用水气交替注入驱替（WAG）的方式以改善注入能力及流动性，减弱由油气黏度差所造成的气体指进，提升对气窜的控制[13]。

纳米粒子在WAG混合驱替液中具有很好的分散性，能吸引或包覆在烃类液滴的表面，从而减小其表面能。同时纳米粒子的加入能很好地改善高温条件下表面活性剂性能下降等问题。通过采用纳米技术来改变驱替过程中宏观和微观的驱替效率可以强化WAG的作用效果。B.Moradi等通过对比实验发现采用纳米粒子辅助气-水交替驱对比传统WAG驱采收率要高出20%。一方面是由于孔隙壁面所吸附的二氧化硅纳米粒子引起润湿性的变化，另一方面是由于与纳米粒子接触的油水界面张力降低所致。章星[14]等为获得纳米粒子对驱替特征的影响，将饱和纳米粒子同饱和盐水对CO2驱替的过程及结果进行了对比发现，纳米粒子同盐水复合使用时，CO2的横向流动变化加大，可以有效减缓或消除指进，并在岩心中产生稳定的乳状液。这也预示着针对高矿化度地层，采用纳米粒子对WAG驱会有更好的效果。

2 纳米材料在防漏堵漏方面的应用

在油气开发过程中，获取最大的开发价值需尽可能建立在不对地层造成过大损害条件下进行。目前，有两种利用纳米材料进行储层保护的途径：（1）选用能在裂缝和岩石孔隙中形成良好密封膜的特殊纳米材料，在避免储层伤害和进行储层保护方面具有积极的作用；（2）通过选用合适的纳米材料作为钻井液添加剂，使最终所形成的井壁泥饼层渗透率降低，以减小工作流体对储层的污染程度[16]。

2.1 用于井底漏失的纳米复合凝胶

在钻井操作过程中井漏的出现是增加额外的成本的主要原因之一，井漏会导致地层压力难以控制，造成气体或原油的漏失。为了节省钻井成本确保安全钻进，同时避免泥浆漏失，通常以水溶性聚合物、交联剂、溶胀交联颗粒以及胶体粒子等为原料制备堵漏材料来实现对地层的有效封隔。Lécolier等合成了一种新型的有机/无机纳米复合凝胶，该凝胶具备较高的粘弹性和成胶强度以及较好的抗盐性能，通过模拟测试表明该纳米复合凝胶可适用于缝宽较大的裂缝封堵，在泵入天然裂缝或地层空洞中，依然能形成有效的胶结结构。此外，该纳米复合材料的所有组分均可进行干粉预搅拌，随后直接用水勾兑混合搅拌制备封堵材料。通过储层损害评测表明该凝胶能有效降低高渗透层的渗透率，且不会对地层造成过多的损害，证实了采用纳米复合凝胶进行储层保护是切实可行的。此外，黄珠珠[15]等展述了一种正在开发的新型聚合物基凝胶，该凝胶在交联前能保持较低的黏度，提升了注料的便利性以适应更为微小的地层孔道，同时交联后具有较高的凝胶强度，但对于井下交联时间的控制和如何诱发交联反应上还有待完善改进。

2.2 降滤失纳米聚合物

在钻井过程中，钻井液的滤失状况直接影响着井壁稳定性，尤其针对一些疏松、零碎及水敏性地层。滤失量越高，钻井液的性能越低，为此常需要将钻井液的滤失量控制于一定范围内，这就需要加入一些添加剂以进一步增加钻井液的液相粘度，而通过将纳米材料作为降滤失添加剂通常会获得更优的效果。

贝克休斯公司在2006年研发出一种新型的纳米应变性聚合物，该纳米聚合物能有效渗入至孔眼中，并滞留于内孔壁面形成超低渗泥饼，下图（图2）对其进行了模拟展示，在内部的泥饼能减小泥浆的静水压力和井眼壁面的孔隙压力差，同时有效避免了相互粘黏。此外，在高矿化度环境下其性能依然稳定，该可变性纳米聚合物能实现对微孔隙、页岩或砂岩吼道的密封堵塞，减少渗入至地层的流体，降低传输压力，避免了井塌，在促进井眼稳定性、避免储层伤害和保护储层方面起到十分重要的作用。

图2 纳米应变性聚合物的封堵作用方式Fig.2 Plugging effect of nano-sized deformable polymer

毛惠等[16]通过以疏水缔合聚合物为基础原料，nano-SiO2为填充剂，利用反相乳液聚合法制备出一种具有核壳结构的微纳米降滤失剂FLR-1，经测试发现该降滤失剂能有效降低高温高压下的滤失量，同时具有很好的热稳定性和抗盐特性。并通过对其反应体系结构进行分析发现，其良好的降滤失效果主要依赖于疏水缔合特性和nano-SiO2对聚合物基体的共同强化作用。

3 纳米材料于原油破乳方面的应用

随着中老油田的采出液综合含水率的不断增加，脱水难度也在不断增大，对原油破乳脱水的要求也越来越高。目前，纳米技术在许多方面已经取得了较为成功的应用效果，而将纳米技术引入至原油破乳技术中的研究仍相对较少，但也展现出了一定的技术优势。纳米技术在原油破乳方面主要是通过化学反应于聚醚分子中键入纳米化合物以实现纳米相破乳，该法可有效减轻对破乳剂的需求量，同时加快破乳脱水时间，有效提高脱水率。

王芳辉[17]等通过采用粘度降法确定原油乳状液的最佳破乳温度，并将纳米微粒运用于聚合物破乳剂中以提高破乳剂的破乳脱水性能，主要对比了表面接枝法、直接分散法、原位生成法这3种方法所获得的纳米复合破乳剂的各项性能参数，分析结果表明，采用原位法以结合破乳剂TA1031与纳米SiO2所制得的纳米复合破乳剂展现出了较为理想的实验结果，该复合破乳剂可节省近30min的破乳脱水时间，有效缩短了使用周期，且大幅提高了原油脱水率（20%～30%），脱出水很清，油水界面齐。

孙正贵[18]等为了进一步提高现有的聚合物破乳剂的性能，利用溶胶凝胶法并结合纳米Al2O3对破乳剂TA1031进行接枝改性，并借助相关的仪器设备对制备结果进行分析研究表明，在TA1031同Al2O3质量比达到一定比例关系时，可使其破乳效果在原有破乳剂基础上提高20%～3 0%，且实现了对破乳时间的有效控制，大幅缩短了破乳脱水时间。

4 结论

在改善驱替效果方面，由常规化学驱不能很好解决或存在难点的问题上，通过结合纳米材料的使用给予了其新的突破口，尽管目前所开展的相关实验研究较少且只停留在实验室模拟实验阶段，但可以预见的是，随着纳米材料研究的不断深入和进步，将会有更为完善的纳米驱替液体系出现。

防漏堵漏方面，通过在传统聚合物凝胶堵漏的基础上加入纳米材料获得更为有效地封堵效果，泥浆体系中纳米粒子的加入不仅提高泥饼密度形成致密封隔层，减小了漏失量，同时也有效避免了钻井流体进入储层造成污染。

纳米复合破乳方面，纳米粒子同特定破乳剂的结合不仅节省了破乳剂的使用成本，也能大幅缩短破乳脱水周期，节省了施工时间。

尽管这三方面的实际应用还未充分展开，仅停留在实验研究阶段，但这些研究的结果将会为将来的实际生产运用提供一定的技术参考，相信在不久的将来，纳米技术势必对油田各项技术发展起到前所未有的巨大推动作用。

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Research progress of nanomaterials in oilfield production and development

ZHANG Yi-hang1，PAN Hong-lin2，ZHANG Yi-cheng3
（1.Petroleum Engineering College of Yangtze University，Wuhan 430100,China；2.Zhanjiang Branch of CNOOC Ltd，Zhanjiang，524057，China；3.Huabei Oilfield Erlian Company PetroChina，Xilinhot 026000，China）

With the interdisciplinary integration among the various disciplines,emerging nanotechnology began to be gradually applied to all aspects of oilfield development.This paper summarizes the research status of nanomaterials at home and abroad in oil field to improve oil recovery,leak-proof and plugging,and the research on the demulsification of crude oil from the aspects of nanotechnology improving oil recovery,leak-proof plugging and emulsion strengthening.And the development trend of nanotechnology in oilfield production and application is prospected.

nanomaterials；recovery；leak-proof plugging；demulsification

TB383

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20171048

2017-06-24

张易航，男，在读硕士，主要从事油气田开发。