纳米智能驱油技术研究现状及发展趋势

张创，王成龙，时圣彪，郑川江

(延长油田股份有限公司志丹采油厂，陕西 延安 717500)

经过多年不懈的探索和实践，中国形成了水驱、CO2驱、微生物驱及SAGD等多项战略性提采技术，为我国各类油田现场提采提供选择[1]。随着国内油田逐步由常规油藏向低渗油藏转变，加之开发过程中，非均质性强、层间矛盾突出等一系列难题，导致常规化学驱体系面临“注不进，采不出”的技术瓶颈[2]，亟需探索新型驱油体系以满足现场应用需求。

自20世纪以来，纳米技术已被视为全球革命性的科技和技术领域，与生物智能、数字信息等革命比肩[3]。纳米颗粒(NPs)因其表面积大、延展性高及吸附亲和性强等特点，已逐渐成为油气田开发的研究热点，涉及钻完井、压裂增渗、增注提采、返排液处理等技术领域[4]。迄今为止，国内外学者对纳米驱油技术的探究大多集中于室内实验，目前现场应用成功的纳米驱油技术报道并不多见。

1 纳米驱油技术概况

纳米智能驱油技术集成了纳米技术和EOR技术，具有常规EOR工艺没有的优势，例如波及范围广、投资成本低及环境适应性强等特点[5]。设计思路为：利用NPs驱油剂的“微观尺度”特性，达到大范围波及的目的；利用“强憎水强亲油”特性，实现自动排驱和智能找油；利用“分散油聚并”特性，达到油滴聚集的目的，实现油墙式驱替。

1.1 分类

当前NPs驱分为纳米颗粒驱和纳米流体驱两类，纳米颗粒驱分为4大体系，即金属氧化物(如MgO、Al2O3等)、有机颗粒(如碳纳米颗粒、碳纳米管MWNT等)、无机颗粒(如SiO2多种改性)及其它类型(如聚乙二醇PEG、纳米胶体分散凝胶CDG等)，其性质及作用见表1。纳米流体驱大体分为亲水型纳米流体、亲油型纳米流体、聚合物修饰纳米颗粒、纳米纤维素及Janus颗粒[6]。不同分类标准纳米驱油剂类型见表1。

表1 不同分类标准纳米驱油剂类型统计Table 1 Statistics of different classification standards of nano-oil-displacing agent types

1.2 驱油机理

纳米驱油技术的驱油机制是多种机理的综合作用，是纳米材料提高原油采收率研究的基础，其主要机理分为微观和宏观驱油机理[7]。

1.2.1 微观驱油机理

1.2.1.1 增大分离压力 由图1可知，分散在基载液中的纳米粒子在布朗运动和静电排斥力的作用下，在不连续连体的三相界面处形成楔形膜。该楔形膜具有不断前进的趋势，产生促进油滴剥落岩石矿物表面的分离压。分离压力的生成打破了三相界面的平衡，引起体系的界面张力等特性发生变化，最终表现为驱替现象。纳米粒子的粒径、浓度、温度和体系矿化度是制约分离压力的关键因素[8]。

图1 纳米流体分离压驱油机理示意图Fig.1 Schematic diagram of nanofluid separation and oil displacement mechanism

1.2.1.2 密度差异 在含水饱和度较高的储层孔隙中，由于纳米粒子与水存在明显的密度差，纳米微粒会聚集于细小的孔隙喉道处，导致聚集处渗流阻力增大，促使水分子无法通过而流向临近孔隙中，驱替临近孔隙中的原油。待原油被完全驱替后，渗流阻力显著减少，孔隙压力大幅度降低，纳米粒子被水携带流出，堵塞的孔隙恢复畅通，之后纳米粒子会被载体流体再次取代[9]。

1.2.1.3 纳米减阻机理 NPs竞争吸附与水流滑脱作用是实现减阻的依据，NPs引入地层孔隙后，会与H2O发生竞争吸附，由于NPs结构中的氢键含量远大于H2O分子，导致NPs可牢牢吸附于孔道表面，形成NPs结构层。此特殊层有很强的疏水性，流体通过时形成滑脱现象，进而提升了渗流速度，达到减阻效果。

1.2.2 宏观驱油机理

1.2.2.1 降低界面张力 具有表面活性的纳米颗粒进入储层后，亲水部分存在于水相中，亲油部分存在于油相中，在两相界面形成一层NPs吸附膜，取代之前的两相油水界面。通过降低两相间摩擦力的方式，降低界面张力，从而驱替孔隙中的剩余油，降低界面张力是纳米颗粒驱提高采收率主要的机制之一。

1.2.2.2 改变岩石的润湿性 润湿性反应了油水在储层中的流动状况和分布情况，是影响驱油效率的关键指标。传统的化学驱需要严格把控储层流体的矿化度，才能有效实现岩石矿物润湿性的改变，且成本较高[10]。纳米材料则是通过吸附于岩石表面，改变油水相与岩石间的接触角，从而实现润湿性的改变。不同的纳米材料润湿性也不尽相同，现场通常应用亲水性纳米颗粒将油湿性油藏转变成中性或水湿，进而实现提采。

1.2.2.3 扩大波及体积 NPs分散至基液中，会抑制H2O分子间氢键的缔合作用，破坏H2O分子间的网络结构，促使注入水可渗流至常规水驱无法抵达的低孔低渗地带。雷群等[11]应用核磁共振岩心驱替装置，开展了纳米颗粒驱与常规水驱波及范围对比实验，发现纳米颗粒驱波及范围比常规水驱增大了10%～20%。

1.2.2.4 延长沥青质沉淀时间 沥青质沉淀是原油生产与开采常需面临的问题，常用的EOR技术，例如CO2-EOR，很可能会由于特殊的油藏环境造成沥青质大量沉积，导致储层渗透率下降。一些研究人员发现，NPs可在短时间内大量吸附于沥青质表面，进而大幅度抑制沥青质的絮凝过程，延长其沉淀时间[12]。

1.2.2.5 改善流度比 纳米颗粒可以有效增大注入流体的黏度或降低原油黏度，改善流度比，进而提升驱替效率。丁彬等[13]对比了水驱、NPs驱后剩余油的核磁共振实验，研究表明，纳米流体较矿化氘水驱更易进入岩心孔喉中，大幅度降低剩余油的黏度，进而提高驱替效率。

2 智能纳米驱油技术应用

2.1 纳米颗粒聚合物驱

传统聚合物驱往往很难实现大幅度提采，且适用范围小、投资成本高，基于此，许多专家对纳米颗粒聚合物驱的应用开展了大量的研究[14]。Paria等[15]对NPs水溶性聚合物吸附性进行了研究，得出纳米SiO2可大幅减少聚合物溶液的吸附量。Abhishek等[16]开展了不同浓度TiO2对聚合物黏度影响实验，通过对比发现，当TiO2体积浓度达到2.3%时，对流体剪切力有直接影响。Mohammadi[17]针对NPs对聚合物驱稠油采收率的影响开展了室内实验，结果显示引入NPs后溶液黏度骤增，聚合物吸附率显著降低。与传统聚合物驱相比，纳米颗粒聚合物驱能够实现减少聚合物吸附、增加溶液黏度、提高原油采收率、分散纳米颗粒突破时间的多重效应，优势显著。

2.2 纳米颗粒表面活性剂驱

将表面活性剂与纳米颗粒相结合实施原油驱替是目前新兴的一项驱油技术，其设计思路见图2。

图2 纳米流体表面活性剂驱作用机理示意图Fig.2 Schematic diagram of the action mechanism of nanofluid surfactant flooding

纳米颗粒对表面活性剂具有降吸附机制，可稳定保留岩壁溶液中的表面活性剂分子，抑制其在矿物表面的吸附，同时纳米颗粒会对分散油具有聚并效应，形成油墙实施驱替。Kothari[18]对NPs表面活性剂驱提采效果进行了探究，指出IFT递减率明显大于常规表面活性剂，且波及范围更广。Cheraghian等[19]开展了TiO2表面活性剂室内驱油实验，得出相比单一表面活性剂，注TiO2表面活性剂能将稠油采收率提升4.85%。Emadi等[20]将SiO2NPs注入传统表面活性剂，结果表明，改性后的表面活性剂驱油性能大大提升。经大量研究证实，NPs表面活性剂驱不仅可实现IFT的减少和矿物润湿性的改变，同时可筛选出最适的NPs和表面活性剂驱浓度，一举多效。

2.3 纳米颗粒表面活性剂聚合物驱

将NPs引入表面活性剂-聚合物驱中，同样可大大改善复合驱的驱油效果，提高原油采收率。Sharma等[21]在关于Pickering乳状液环境下SP驱和纳米SP驱采收率对比实验中指出，经纳米SP驱改性的乳化液可使油田采收率提升60%。Sedaghat等[22]针对SiO2和TiO2NPs对聚合物/表面活性剂驱效率的影响进行了研究，发现两种NPs均可实现润湿性的改变和IFT 的降低，两者相比，SiO2NPs的提采效果更优。Atta[23]开展了NPs对采收率影响实验，得出添加NPs后SP驱的驱油效率大幅度提升，且随着NPs浓度的增加，SP溶液的吸附量减少。目前，SP化学驱的性能是通过添加纳米颗粒来提高的。

2.4 智能纳米流体注水

当前，我国大多数油田进入开发中后期，地层非均质性问题尤为突出，常规注水开发有许多难点需要攻关，很难实现有效驱动[24]。在此背景下，智能纳米流体技术应运而生。Haroun等[25]开展了不同纳米流体对碳酸盐岩油藏智能水驱采收率对比实验，得出注入纳米流体后，采收率提高了12%。Assef 等[26]研究了MgO对水驱采收率的影响，发现注入MgO纳米流体后，溶液中的Zeta电位更具正电性，在一价、二价离子共存时，NPs迁移幅度减缓，水驱性能得以提升。Huang[27]针对智能纳米流体注水的波及范围进行了研究，结果显示，粘土和细粒粘土稳定形成，水驱的波及范围提升了32%。智能纳米流体注水工艺可突破常规注水波及范围有限的问题，显著加强水驱动用程度，提升水驱采油效果。

2.5 纳米调驱

用于油藏调驱的工艺种类繁多，不同的调驱剂对油藏调驱都具有相应的效果，但也存在一定的不足[28]。纳米聚合物调驱技术是一种新型的调驱剂，其遇水膨胀，可实现逐级堵塞地层孔隙，而且可随时调整注水量，不受配制水影响。吴天江等[29]对调驱用纳米聚合物微球流变性实施了探究，发现纳米聚合物微球粒径、大小、溶液矿化度及微球分散体系剪切后放置时间是影响调驱效果的主要因素。赵华强等[30]针对纳米聚合物的调驱机理进行了研究，得出纳米调驱剂随着驱替液进入储层后，会聚集于高渗大孔道处，造成流动改向，后续驱替液会优先进入附近低渗层将小孔道中的原油驱出，封堵与驱替交替进行，产生扩大波及范围的效果(图3)。

纳米调驱虽具备不少的优势，但也并不是十全十美的，如刚性较差，进入地层受剪切作用后容易破碎等问题，未来仍需加大研发力度，加深对提升纳米聚合物微球的稳定性和调驱性能方面的研究。

图3 纳米聚合物微球深部调驱机理示意图Fig.3 Schematic diagram of deep profile control and flooding mechanism of nano-polymer microspheres 1.水驱前；2.水驱过程；3.水驱后；4.注入调剖剂；5.微球变形突破；6.微球深部运移

3 评价

3.1 优势

中国已动用油田产量逐年递减，新开发油田开采难度大，需要新型高效石油开采技术以提高新老油田产量，保障中国经济发展和能源安全[31]。智能纳米驱油技术从多方面考虑，都具有一定的优越性，其具有传统驱油技术(水驱、CO2驱等)不可比拟的优点，智能纳米驱油与其他驱油技术的对比见表2。

表2 不同驱油技术特点对比Table 2 Comparison of characteristics of different oil displacement technologies

3.2 挑战

智能纳米驱油技术可高效低成本实现原油提采，具有改变石油发展前景的潜力，但由于受到相关工艺技术条件的限制，仍有关键技术需要突破。

3.2.1 性能效果层面 纳米驱油剂的驱油效果和提采机理有待深究，纳米颗粒进入储层后，会造成孔隙堵塞，如何目标化部署纳米颗粒，提高其回收率是未来该领域研究的重点。

3.2.2 经济成本层面 纳米颗粒的制备和使用需要大量的资金投入，高使用成本限制了纳米驱油技术的普及和推广。

3.2.3 安全层面 纳米技术虽发展迅速，但有关纳米技术的安全性研究相对滞后，加之微观纳米颗粒的特殊性质，对使用纳米材料的安全风险评价存在许多知识盲区[32]。

3.2.4 环保层面 纳米颗粒以固态粉末或液态形式存在，一旦被吸入或吞咽至体内，可能会与人体细胞发生反应，影响酶和蛋白质的调节机制。

4 发展趋势

智能纳米驱油因其价格低廉、无污染及环境适应性强等优点，已成为当前油气行业关注的焦点，有望成为未来提高采收率的战略接替技术。尽管目前对纳米颗粒的驱油机理已取得了初步认识，但对其适用性和表面改性领域的研究仍停留在体系筛选和效果评价层面。受驱油提采理论认知薄弱、降本增效机制欠缺及安全环保风险评价模糊等问题的限制，纳米驱油技术的前进步伐十分缓慢。要进一步推动我国老油田二次发展的高效平稳实施并非易事，建议以NPs为研究基础，以化学改性为主要举措，集成流体动力学、统计物理学及材料科学等多项功能，赋予NPs目标性和智能性，真正意义上实现纳米驱油剂的“一剂多能”和“一剂多用”，为未来提高采收率技术的发展带来新的希望。