納米材料在油田生產(chǎn)開發(fā)中的研究進(jìn)展

張易航，潘宏霖，張易成

（1.長江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100；2.中海石油（中國）有限公司 湛江分公司，廣東 湛江 524057；3.中國石油 華北油田公司 二連分公司，錫林浩特 026000）

納米材料在油田生產(chǎn)開發(fā)中的研究進(jìn)展

張易航1，潘宏霖2，張易成3

（1.長江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100；2.中海石油（中國）有限公司 湛江分公司，廣東 湛江 524057；3.中國石油 華北油田公司 二連分公司，錫林浩特 026000）

隨著各學(xué)科間的相互交融結(jié)合，新興的納米技術(shù)開始逐步應(yīng)用至油田開發(fā)中的各方面。文章從納米技術(shù)在油田提高采收率、防漏堵漏以及乳液性能強化3方面入手，綜述了國內(nèi)外納米材料于油田驅(qū)油提高采收率、防漏堵漏、原油破乳方面的研究現(xiàn)狀，并對納米技術(shù)在油田生產(chǎn)應(yīng)用方面的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

納米材料；采收率；防漏堵漏；破乳

納米技術(shù)是通過在0.1～100nm的微觀環(huán)境下研究材料的性質(zhì)及作用的一項新興技術(shù)，始于二十世紀(jì)80年代，并作為二十一世紀(jì)科技創(chuàng)新發(fā)展的三大動力之一不斷發(fā)展完善沿用至今，廣泛運用于化工、醫(yī)學(xué)、生物、軍事、航天技術(shù)等諸多領(lǐng)域，現(xiàn)今已逐漸向傳統(tǒng)化石能源方向邁進(jìn)。在油氣田開發(fā)過程中，隨著油氣資源開發(fā)力度的不斷加大，高品質(zhì)原油量開始逐年減小，隨之而來開采難度也在不斷加大，在這樣一個日趨困難的背景下，亟待新的技術(shù)方案進(jìn)行改善，這也給予了納米技術(shù)更多的發(fā)展空間[1-4]。本文在廣泛調(diào)研了現(xiàn)階段納米技術(shù)在油田開發(fā)中的研究近況，并結(jié)合實際開發(fā)應(yīng)用情況，對納米技術(shù)在提高采收率、防漏降濾失以及復(fù)合破乳方面進(jìn)行了系統(tǒng)地闡述，并對其應(yīng)用潛力及發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

1 納米材料在提高采收率方面的應(yīng)用

1.1 納米液驅(qū)

納米液驅(qū)是利用納米劑在水介質(zhì)中分散以形成的較大表面積和表面能來改善驅(qū)替流體性能的一種新興驅(qū)替方式，納米液可在巖石壁面能形成一層單分子膜，并通過與原油間較高的界面活性使界面張力快速下降，進(jìn)而增大其在儲層中的流動性[5-7]。納米液還具備一定的防膨能力，在提高驅(qū)替效率的同時能有效抑制粘土的水化，且其防膨率隨驅(qū)替液濃度增大而增大。龐東山[8]等通過研究納米SiO2顆粒的濃度、溫度以及剪切速率等參數(shù)對納米流體的流變性影響中發(fā)現(xiàn)納米液的黏度同納米SiO2顆粒的濃度成正比，剪切速率在超過某一值時具有明顯的剪切增稠特性，通過對這一規(guī)律的利用能更好地控制納米液的驅(qū)替效果。

添加納米粒子以替代常規(guī)驅(qū)替聚合物的乳液能輕易通過一般孔徑的毛孔，且不會在儲層孔隙間形成聚集殘留。在驅(qū)替過程中又因為其較強的乳化及潤濕反轉(zhuǎn)能力，可使得粘附于孔隙壁面的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)界面張力迅速降低而分離，最終匯集聚并成油帶[8]。故可利用納米粒子同表面活性劑之間所產(chǎn)生的協(xié)同作用來強化乳狀液的作用效果[9，10]。韓國彤[11]等利用自制的TA-13表面活性劑同納米SiO2復(fù)合實驗發(fā)現(xiàn)，乳狀液分散至稠油中一方面是抑制低粘原油指進(jìn)；另一方面是降低前沿相接觸的稠油粘度，進(jìn)而以提高原油的流度，此外，包含在乳狀液中的表面活性劑可將稠油乳化成水包油乳化液滴，進(jìn)而提高洗油效率。袁俊秀[12]等通過配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的NH-NM納米乳液溶液并進(jìn)行納米乳液對巖心潤濕性的實驗中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)納米乳液浸泡后的巖心接觸角從29.35°轉(zhuǎn)變?yōu)?7.67°，說明使用納米乳液處理后的巖心由親水向中性潤濕方向轉(zhuǎn)變。并通過巖性驅(qū)替裝置（見圖1）進(jìn)行采收率測定，結(jié)果表明實驗?zāi)M條件下原油采收率提高值約為15%，進(jìn)一步證明了納米乳液驅(qū)替的有效性。

圖1 巖心驅(qū)替裝置原理圖Fig.1 principle diagram of the core displacement device

1.2 納米粒子助WAG驅(qū)

傳統(tǒng)CO2驅(qū)過程中，由于CO2的黏度小于原油黏度，使得驅(qū)油過程中流度比大于1，易導(dǎo)致CO2粘性指進(jìn)等問題的發(fā)生。為此常采用水氣交替注入驅(qū)替（WAG）的方式以改善注入能力及流動性，減弱由油氣黏度差所造成的氣體指進(jìn)，提升對氣竄的控制[13]。

納米粒子在WAG混合驅(qū)替液中具有很好的分散性，能吸引或包覆在烴類液滴的表面，從而減小其表面能。同時納米粒子的加入能很好地改善高溫條件下表面活性劑性能下降等問題。通過采用納米技術(shù)來改變驅(qū)替過程中宏觀和微觀的驅(qū)替效率可以強化WAG的作用效果。B.Moradi等通過對比實驗發(fā)現(xiàn)采用納米粒子輔助氣-水交替驅(qū)對比傳統(tǒng)WAG驅(qū)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納米粒子引起潤濕性的變化，另一方面是由于與納米粒子接觸的油水界面張力降低所致。章星[14]等為獲得納米粒子對驅(qū)替特征的影響，將飽和納米粒子同飽和鹽水對CO2驅(qū)替的過程及結(jié)果進(jìn)行了對比發(fā)現(xiàn)，納米粒子同鹽水復(fù)合使用時，CO2的橫向流動變化加大，可以有效減緩或消除指進(jìn)，并在巖心中產(chǎn)生穩(wěn)定的乳狀液。這也預(yù)示著針對高礦化度地層，采用納米粒子對WAG驅(qū)會有更好的效果。

2 納米材料在防漏堵漏方面的應(yīng)用

在油氣開發(fā)過程中，獲取最大的開發(fā)價值需盡可能建立在不對地層造成過大損害條件下進(jìn)行。目前，有兩種利用納米材料進(jìn)行儲層保護(hù)的途徑：（1）選用能在裂縫和巖石孔隙中形成良好密封膜的特殊納米材料，在避免儲層傷害和進(jìn)行儲層保護(hù)方面具有積極的作用；（2）通過選用合適的納米材料作為鉆井液添加劑，使最終所形成的井壁泥餅層滲透率降低，以減小工作流體對儲層的污染程度[16]。

2.1 用于井底漏失的納米復(fù)合凝膠

在鉆井操作過程中井漏的出現(xiàn)是增加額外的成本的主要原因之一，井漏會導(dǎo)致地層壓力難以控制，造成氣體或原油的漏失。為了節(jié)省鉆井成本確保安全鉆進(jìn)，同時避免泥漿漏失，通常以水溶性聚合物、交聯(lián)劑、溶脹交聯(lián)顆粒以及膠體粒子等為原料制備堵漏材料來實現(xiàn)對地層的有效封隔。Lécolier等合成了一種新型的有機/無機納米復(fù)合凝膠，該凝膠具備較高的粘彈性和成膠強度以及較好的抗鹽性能，通過模擬測試表明該納米復(fù)合凝膠可適用于縫寬較大的裂縫封堵，在泵入天然裂縫或地層空洞中，依然能形成有效的膠結(jié)結(jié)構(gòu)。此外，該納米復(fù)合材料的所有組分均可進(jìn)行干粉預(yù)攪拌，隨后直接用水勾兌混合攪拌制備封堵材料。通過儲層損害評測表明該凝膠能有效降低高滲透層的滲透率，且不會對地層造成過多的損害，證實了采用納米復(fù)合凝膠進(jìn)行儲層保護(hù)是切實可行的。此外，黃珠珠[15]等展述了一種正在開發(fā)的新型聚合物基凝膠，該凝膠在交聯(lián)前能保持較低的黏度，提升了注料的便利性以適應(yīng)更為微小的地層孔道，同時交聯(lián)后具有較高的凝膠強度，但對于井下交聯(lián)時間的控制和如何誘發(fā)交聯(lián)反應(yīng)上還有待完善改進(jìn)。

2.2 降濾失納米聚合物

在鉆井過程中，鉆井液的濾失狀況直接影響著井壁穩(wěn)定性，尤其針對一些疏松、零碎及水敏性地層。濾失量越高，鉆井液的性能越低，為此常需要將鉆井液的濾失量控制于一定范圍內(nèi)，這就需要加入一些添加劑以進(jìn)一步增加鉆井液的液相粘度，而通過將納米材料作為降濾失添加劑通常會獲得更優(yōu)的效果。

貝克休斯公司在2006年研發(fā)出一種新型的納米應(yīng)變性聚合物，該納米聚合物能有效滲入至孔眼中，并滯留于內(nèi)孔壁面形成超低滲泥餅，下圖（圖2）對其進(jìn)行了模擬展示，在內(nèi)部的泥餅?zāi)軠p小泥漿的靜水壓力和井眼壁面的孔隙壓力差，同時有效避免了相互粘黏。此外，在高礦化度環(huán)境下其性能依然穩(wěn)定，該可變性納米聚合物能實現(xiàn)對微孔隙、頁巖或砂巖吼道的密封堵塞，減少滲入至地層的流體，降低傳輸壓力，避免了井塌，在促進(jìn)井眼穩(wěn)定性、避免儲層傷害和保護(hù)儲層方面起到十分重要的作用。

圖2 納米應(yīng)變性聚合物的封堵作用方式Fig.2 Plugging effect of nano-sized deformable polymer

毛惠等[16]通過以疏水締合聚合物為基礎(chǔ)原料，nano-SiO2為填充劑，利用反相乳液聚合法制備出一種具有核殼結(jié)構(gòu)的微納米降濾失劑FLR-1，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)該降濾失劑能有效降低高溫高壓下的濾失量，同時具有很好的熱穩(wěn)定性和抗鹽特性。并通過對其反應(yīng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，其良好的降濾失效果主要依賴于疏水締合特性和nano-SiO2對聚合物基體的共同強化作用。

3 納米材料于原油破乳方面的應(yīng)用

隨著中老油田的采出液綜合含水率的不斷增加，脫水難度也在不斷增大，對原油破乳脫水的要求也越來越高。目前，納米技術(shù)在許多方面已經(jīng)取得了較為成功的應(yīng)用效果，而將納米技術(shù)引入至原油破乳技術(shù)中的研究仍相對較少，但也展現(xiàn)出了一定的技術(shù)優(yōu)勢。納米技術(shù)在原油破乳方面主要是通過化學(xué)反應(yīng)于聚醚分子中鍵入納米化合物以實現(xiàn)納米相破乳，該法可有效減輕對破乳劑的需求量，同時加快破乳脫水時間，有效提高脫水率。

王芳輝[17]等通過采用粘度降法確定原油乳狀液的最佳破乳溫度，并將納米微粒運用于聚合物破乳劑中以提高破乳劑的破乳脫水性能，主要對比了表面接枝法、直接分散法、原位生成法這3種方法所獲得的納米復(fù)合破乳劑的各項性能參數(shù)，分析結(jié)果表明，采用原位法以結(jié)合破乳劑TA1031與納米SiO2所制得的納米復(fù)合破乳劑展現(xiàn)出了較為理想的實驗結(jié)果，該復(fù)合破乳劑可節(jié)省近30min的破乳脫水時間，有效縮短了使用周期，且大幅提高了原油脫水率（20%～30%），脫出水很清，油水界面齊。

孫正貴[18]等為了進(jìn)一步提高現(xiàn)有的聚合物破乳劑的性能，利用溶膠凝膠法并結(jié)合納米Al2O3對破乳劑TA1031進(jìn)行接枝改性，并借助相關(guān)的儀器設(shè)備對制備結(jié)果進(jìn)行分析研究表明，在TA1031同Al2O3質(zhì)量比達(dá)到一定比例關(guān)系時，可使其破乳效果在原有破乳劑基礎(chǔ)上提高20%～3 0%，且實現(xiàn)了對破乳時間的有效控制，大幅縮短了破乳脫水時間。

4 結(jié)論

在改善驅(qū)替效果方面，由常規(guī)化學(xué)驅(qū)不能很好解決或存在難點的問題上，通過結(jié)合納米材料的使用給予了其新的突破口，盡管目前所開展的相關(guān)實驗研究較少且只停留在實驗室模擬實驗階段，但可以預(yù)見的是，隨著納米材料研究的不斷深入和進(jìn)步，將會有更為完善的納米驅(qū)替液體系出現(xiàn)。

防漏堵漏方面，通過在傳統(tǒng)聚合物凝膠堵漏的基礎(chǔ)上加入納米材料獲得更為有效地封堵效果，泥漿體系中納米粒子的加入不僅提高泥餅密度形成致密封隔層，減小了漏失量，同時也有效避免了鉆井流體進(jìn)入儲層造成污染。

納米復(fù)合破乳方面，納米粒子同特定破乳劑的結(jié)合不僅節(jié)省了破乳劑的使用成本，也能大幅縮短破乳脫水周期，節(jié)省了施工時間。

盡管這三方面的實際應(yīng)用還未充分展開，僅停留在實驗研究階段，但這些研究的結(jié)果將會為將來的實際生產(chǎn)運用提供一定的技術(shù)參考，相信在不久的將來，納米技術(shù)勢必對油田各項技術(shù)發(fā)展起到前所未有的巨大推動作用。

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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

張易航，男，在讀碩士，主要從事油氣田開發(fā)。