国内外纳米颗粒提高采收率技术研究现状

2020-01-16王宇哲单五一付心怡

化学工程师 2020年8期

王宇哲，单五一，李勇，付心怡

（东北石油大学石油工程学院提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江大庆 163318）

现有的提高采收率技术，如蒸汽驱，循环蒸汽增产、蒸汽辅助重力泄水（SAGD）、循环溶剂注入、气驱和化学驱等，都受到技术、环境或经济方面的限制，如热损失过大、水和能源消耗过大、CO2排放量高或原油采收率低[1,2]。在过去的几十年里，纳米技术已经被证明适用于各种不同的技术和研究领域，如材料设计、生物医学和电子，研究也表明，纳米技术在提高石油采收率方面具有巨大的应用前景[3]。同时，纳米粒子在提高大规模热驱和非热驱效率方面具有广阔的应用前景[4]。由于目前大部分油田40%的储量已被开采出来，剩下的60%仍然很可观，为开发这些储量，则需要支持纳米技术的长期研究，在未来10年里逐步提高石油产量[5]。现在国内大多数的油田已经进入三次采油阶段，石油行业近十几年在进行纳米颗粒提高采收率的研究，纳米颗粒有望应用在三次采油阶段。

1 纳米颗粒特点及提高采收率机理

纳米颗粒是直径在1～100nm的小颗粒，不同类型的纳米颗粒具有不同的性质，当纳米颗粒暴露在不同盐度、pH值、温度、压力等的环境中时，可以观察到其性能的显著变化，通过化学方法对纳米颗粒进行改性，可以使它们成为各种提高采收率的理想选择。纳米颗粒的机械稳定性和热稳定性使其可以承受存在高温、高压、剪切和盐度的恶劣环境的油层[6]。现有的纳米粒子制备方法有超声自组装法、气相沉积法、沉淀法、水热合成法、溶胶凝胶法、微乳液法。将纳米颗粒用于提高采收率是指与孔喉尺寸相比，纳米颗粒的尺寸较小，它们可以很容易地进入多孔岩石而不会对渗透率产生严重影响[7]。对于添加纳米颗粒提高采收率，其纳米颗粒的驱油机理是使分离压力增加，降低界面张力，降低乳液的粘度，改变岩石的润湿性，延长沥青沉淀时间，降低颗粒运移等，有利于提高剩余油采收率[6,8,9]。

2 国内研究现状

纳米颗粒可以通过改变润湿性，降低油的粘度、稳定泡沫或乳剂和降低界面张力等来提高原油采收率。贺皓楠等人研究了聚表剂和纳米材料在稠油热采提高采收率的效果以及两者混合提高采收率的效果，纳米催化剂对采收率有小幅度的提升，与聚表剂混合注入时采收率提高16.2%[10]。冯晓羽等人制备了油酸改性纳米TiO2用于低渗透岩心驱油实验，表明纳米TiO2溶液不仅能降低注入水的压力，而且能提高低渗透油藏的采收率[11]。采用纳米颗粒提高采收率要根据油藏类型选择纳米流体的浓度，否则会破坏地层，降低采收率，高俊等人对比了3种纳米流体与水驱对稠油采收率的影响，3种纳米颗粒在一定的浓度下提高采收率的能力高于水驱提高采收率的能力[12]。

纳米颗粒具有良好的稳泡能力，国内CO2泡沫驱油过程中应用纳米颗粒稳定泡沫，提高CO2驱油过程的采收率。纳米颗粒的稳泡机理是纳米颗粒在合适的浓度下，带有正负电荷的两类纳米颗粒通过聚集强烈地吸附在气液界面上，形成三维网络结构，增加液膜厚度，减小气泡间的接触面积，增强了泡沫的机械强度，阻止气泡的破碎、聚并和歧化，达到稳泡作用[13]。高温不利于泡沫稳定性，会降低泡沫改善CO2驱的效果，王爱蓉等人研究高温情况下纳米材料稳泡剂对泡沫性质以及驱油效果的影响，改性纳米材料的稳泡效果高于其他两种稳泡剂的性能，添加纳米材料CO2泡沫驱的采收率得到大幅度的提高[14]。王鹏等人进行了SiO2/SDS复合体系在CO2泡沫驱油研究实验，表明SiO2纳米颗粒能够提高CO2泡沫的耐温和耐油性能，纳米颗粒质量分数达到1.5%时，采收率可提高30.3%[15]。

纳米材料近几年被用在三相纳米泡沐封堵技术，三相纳米泡沫具有良好的封堵和液流转向能力，可提高油田的采收率。郐婧文等人应用SiO2纳米颗粒制备三相纳米泡沫，研究了气体类型、纳米颗粒浓度、起泡剂浓度对三相纳米泡沫性能的影响[16]。张云宝等人对三相纳米泡沐体系堵水效果进行实验研究[17]。

3 国外研究现状

国外提高采收率的方法包括水驱、热驱（原位燃烧、蒸汽驱）、化学方法（聚合物、表面活性剂、胶束/聚合物驱）、混相方法（碳氢化合物、CO2和N2注入）、微生物方法，以及最近出现的纳米颗粒方法[6]。近十几年石油行业开始研究纳米技术并把纳米技术应用在油气开发过程中，纳米技术在提高油藏采收率方面存在巨大的潜力。纳米颗粒被认为是解决油藏工程问题的良好试剂，这些纳米颗粒包括CuO、Al2O3、MgO、Fe2O3、ZnO、ZrO2、NiO 和 SiO2等[18]。纳米颗粒在提高原油采收率方面的应用可归纳为3种途径：纳米乳液、纳米催化剂和纳米流体。

3.1 纳米乳液提高采收率

纳米乳液是一种由纳米颗粒代替表面活性剂稳定的乳状液，在恶劣的温度和盐度条件下更稳定。纳米颗粒稳定的乳状液液滴足够小，可以通过典型的孔隙，在通过储层岩石不会产生太多的滞留[7]。纳米颗粒的浓度会影响其提高采收率的程度。2014年，SrinivasanA等人取美国俄克拉荷马州的稠油样品进行实验研究含铜氧化物纳米粒子的纳米乳液与稠油样品在不同纳米粒子浓度和油乳比下的混合效果，同时探讨表面活性剂纳米流体对稠油和稠油-水乳液流变学和界面张力特性的影响，确定在油-乳状液体积比为1∶0.25时得到最佳纳米颗粒浓度，最佳纳米颗粒浓度为0.02%具有最大的降粘效果，且界面张力的最大降幅发生在最佳的纳米颗粒浓度下[19]。2018年，AlmohsinA.M.等人研究了表面活性剂和纳米颗粒对原油稳定性的影响，进行两部分实验研究，第一部分使用3种类型的表面活性剂，第二部分是表面活性剂与纳米颗粒结合使用，实验表明，加入纳米颗粒可以延长乳液稳定性的时间[20]。

3.2 纳米催化剂提高采收率

纳米催化剂是在稠油油藏注蒸汽过程中用作水热裂解反应催化剂的纳米级金属颗粒，这些金属可以催化蒸汽和油藏中的石油之间发生的化学反应，这种反应成为水热裂解反应。水热裂解反应是使沥青质中碳硫键的断裂，增加油中的饱和烃和芳烃，使原油不可逆低降低粘度[7,21]。其中影响纳米催化剂性质的因素主要是颗粒大小、形状、表面结构以及体相和表面组成等。2014年，HamediShokrluY.等人研究了镍纳米颗粒在水热裂解过程中对稠油的影响，纳米镍颗粒的催化作用降低了稠油中重组分的浓度，增加了轻组分的浓度，在温度达到270℃时，镍纳米颗粒的催化作用最强，实验表明纳米镍粒子与表面活性剂和聚合物共混使用时，循环蒸汽吞吐的采收率提高约22%，镍纳米颗粒的催化作用在采收率的增量中贡献约7%[22]。纳米催化剂在提高原油采收率改善稠油和超稠油的化学性质（如粘度、沥青质等重烃的含量）方面具有协同作用。FrancoC.A.和ElshawafM研究了纳米颗粒对原油粘度的影响[23,24]。

最近提出一种纳米催化原位采油技术（ISUT）的新型采油方法，该方法是将从采出油中回收的减压渣油与纳米催化剂和H2一起注入储层，在储层进行升级反应。在稠油和特稠油油藏中，ISUT通过永久性地提高采出原油的质量，使采出的原油不需要添加稀释剂等额外的处理满足输送管道的输送要求[25-27]。SuarezR.G.S.等人采用实验分析了纳米催化剂原位提升技术对碳酸盐岩稠油采收率的影响，结果表明纳米催化剂的使用提升了裂缝和基质中油的质量，可以提高碳酸盐岩稠油藏的采收率[28]。

3.3 纳米流体提高采收率

纳米流体是把纳米颗粒分散到水、醇、油等传统换热介质中，含有纳米颗粒的基础流体。纳米颗粒很小并且很轻，它们能保持悬浮状态。2014年，AlomairO.A.等人选用17.45API稠油样品和Berea砂岩岩石样品，研究纳米颗粒流体对稠油采收率的影响，其中SiO2和Al2O3混合纳米流体对稠油采收率在其他纳米材料中最高，在0.05wt%浓度下，SiO2和Al2O3混合的纳米流体对原油采收率产生了巨大的影响[29]。当纳米颗粒分散在低矿化度水中时，可获得较高的原油采收率，纳米流体有望成为化学驱的最佳类型。

纳米流体提高采收率存在3种机理：（1）增加分离压力，这一机理的驱动能量是纳米粒子之间的布朗运动和静电压力；（2）在小孔隙喉道，颗粒与水的密度差减缓颗粒运动导致颗粒堆积，使增加邻近孔道的压力驱出原油，随后周围压力降低颗粒堵塞逐渐溶解；（3）改变储层的润湿性和界面张力[7]。2016年，ZabalaR等人对纳米流体改善稠油和特稠油流动性进行了现场试验，纳米技术在哥伦比亚的Castilla油田和Chichimene油田的增产试验中成功实施，在Castilla油田试验的两口井的瞬时产油量分别增加了270和280桶·d-1，在Chichimene油田试验的两口井的瞬时产油量分别增加了310和87桶·d-1[30]。这是由于纳米流体可以去除聚集体系的沥青质，降低原油的粘度和改变岩石的润湿性，使岩石从亲油性转变为亲水性，增强了原油的流动性，恢复了油田产量并提高油田的采收率。