國(guó)內(nèi)外納米顆粒提高采收率技術(shù)研究現(xiàn)狀

王宇哲，單五一，李 勇，付心怡

（東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院 提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318）

現(xiàn)有的提高采收率技術(shù)，如蒸汽驅(qū)，循環(huán)蒸汽增產(chǎn)、蒸汽輔助重力泄水（SAGD）、循環(huán)溶劑注入、氣驅(qū)和化學(xué)驅(qū)等，都受到技術(shù)、環(huán)境或經(jīng)濟(jì)方面的限制，如熱損失過大、水和能源消耗過大、CO2排放量高或原油采收率低[1,2]。在過去的幾十年里，納米技術(shù)已經(jīng)被證明適用于各種不同的技術(shù)和研究領(lǐng)域，如材料設(shè)計(jì)、生物醫(yī)學(xué)和電子，研究也表明，納米技術(shù)在提高石油采收率方面具有巨大的應(yīng)用前景[3]。同時(shí)，納米粒子在提高大規(guī)模熱驅(qū)和非熱驅(qū)效率方面具有廣闊的應(yīng)用前景[4]。由于目前大部分油田40%的儲(chǔ)量已被開采出來，剩下的60%仍然很可觀，為開發(fā)這些儲(chǔ)量，則需要支持納米技術(shù)的長(zhǎng)期研究，在未來10年里逐步提高石油產(chǎn)量[5]?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)大多數(shù)的油田已經(jīng)進(jìn)入三次采油階段，石油行業(yè)近十幾年在進(jìn)行納米顆粒提高采收率的研究，納米顆粒有望應(yīng)用在三次采油階段。

1 納米顆粒特點(diǎn)及提高采收率機(jī)理

納米顆粒是直徑在1～100nm的小顆粒，不同類型的納米顆粒具有不同的性質(zhì)，當(dāng)納米顆粒暴露在不同鹽度、pH值、溫度、壓力等的環(huán)境中時(shí)，可以觀察到其性能的顯著變化，通過化學(xué)方法對(duì)納米顆粒進(jìn)行改性，可以使它們成為各種提高采收率的理想選擇。納米顆粒的機(jī)械穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性使其可以承受存在高溫、高壓、剪切和鹽度的惡劣環(huán)境的油層[6]?，F(xiàn)有的納米粒子制備方法有超聲自組裝法、氣相沉積法、沉淀法、水熱合成法、溶膠凝膠法、微乳液法。將納米顆粒用于提高采收率是指與孔喉尺寸相比，納米顆粒的尺寸較小，它們可以很容易地進(jìn)入多孔巖石而不會(huì)對(duì)滲透率產(chǎn)生嚴(yán)重影響[7]。對(duì)于添加納米顆粒提高采收率，其納米顆粒的驅(qū)油機(jī)理是使分離壓力增加，降低界面張力，降低乳液的粘度，改變巖石的潤(rùn)濕性，延長(zhǎng)瀝青沉淀時(shí)間，降低顆粒運(yùn)移等，有利于提高剩余油采收率[6,8,9]。

2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

納米顆?？梢酝ㄟ^改變潤(rùn)濕性，降低油的粘度、穩(wěn)定泡沫或乳劑和降低界面張力等來提高原油采收率。賀皓楠等人研究了聚表劑和納米材料在稠油熱采提高采收率的效果以及兩者混合提高采收率的效果，納米催化劑對(duì)采收率有小幅度的提升，與聚表劑混合注入時(shí)采收率提高16.2%[10]。馮曉羽等人制備了油酸改性納米TiO2用于低滲透巖心驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，表明納米TiO2溶液不僅能降低注入水的壓力，而且能提高低滲透油藏的采收率[11]。采用納米顆粒提高采收率要根據(jù)油藏類型選擇納米流體的濃度，否則會(huì)破壞地層，降低采收率，高俊等人對(duì)比了3種納米流體與水驅(qū)對(duì)稠油采收率的影響，3種納米顆粒在一定的濃度下提高采收率的能力高于水驅(qū)提高采收率的能力[12]。

納米顆粒具有良好的穩(wěn)泡能力，國(guó)內(nèi)CO2泡沫驅(qū)油過程中應(yīng)用納米顆粒穩(wěn)定泡沫，提高CO2驅(qū)油過程的采收率。納米顆粒的穩(wěn)泡機(jī)理是納米顆粒在合適的濃度下，帶有正負(fù)電荷的兩類納米顆粒通過聚集強(qiáng)烈地吸附在氣液界面上，形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增加液膜厚度，減小氣泡間的接觸面積，增強(qiáng)了泡沫的機(jī)械強(qiáng)度，阻止氣泡的破碎、聚并和歧化，達(dá)到穩(wěn)泡作用[13]。高溫不利于泡沫穩(wěn)定性，會(huì)降低泡沫改善CO2驅(qū)的效果，王愛蓉等人研究高溫情況下納米材料穩(wěn)泡劑對(duì)泡沫性質(zhì)以及驅(qū)油效果的影響，改性納米材料的穩(wěn)泡效果高于其他兩種穩(wěn)泡劑的性能，添加納米材料CO2泡沫驅(qū)的采收率得到大幅度的提高[14]。王鵬等人進(jìn)行了SiO2/SDS復(fù)合體系在CO2泡沫驅(qū)油研究實(shí)驗(yàn)，表明SiO2納米顆粒能夠提高CO2泡沫的耐溫和耐油性能，納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1.5%時(shí)，采收率可提高30.3%[15]。

納米材料近幾年被用在三相納米泡沐封堵技術(shù)，三相納米泡沫具有良好的封堵和液流轉(zhuǎn)向能力，可提高油田的采收率。鄶婧文等人應(yīng)用SiO2納米顆粒制備三相納米泡沫，研究了氣體類型、納米顆粒濃度、起泡劑濃度對(duì)三相納米泡沫性能的影響[16]。張?jiān)茖毜热藢?duì)三相納米泡沐體系堵水效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究[17]。

3 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外提高采收率的方法包括水驅(qū)、熱驅(qū)（原位燃燒、蒸汽驅(qū)）、化學(xué)方法（聚合物、表面活性劑、膠束/聚合物驅(qū)）、混相方法（碳?xì)浠衔铩O2和N2注入）、微生物方法，以及最近出現(xiàn)的納米顆粒方法[6]。近十幾年石油行業(yè)開始研究納米技術(shù)并把納米技術(shù)應(yīng)用在油氣開發(fā)過程中，納米技術(shù)在提高油藏采收率方面存在巨大的潛力。納米顆粒被認(rèn)為是解決油藏工程問題的良好試劑，這些納米顆粒包括CuO、Al2O3、MgO、Fe2O3、ZnO、ZrO2、NiO 和 SiO2等[18]。納米顆粒在提高原油采收率方面的應(yīng)用可歸納為3種途徑：納米乳液、納米催化劑和納米流體。

3.1 納米乳液提高采收率

納米乳液是一種由納米顆粒代替表面活性劑穩(wěn)定的乳狀液，在惡劣的溫度和鹽度條件下更穩(wěn)定。納米顆粒穩(wěn)定的乳狀液液滴足夠小，可以通過典型的孔隙，在通過儲(chǔ)層巖石不會(huì)產(chǎn)生太多的滯留[7]。納米顆粒的濃度會(huì)影響其提高采收率的程度。2014年，SrinivasanA等人取美國(guó)俄克拉荷馬州的稠油樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究含銅氧化物納米粒子的納米乳液與稠油樣品在不同納米粒子濃度和油乳比下的混合效果，同時(shí)探討表面活性劑納米流體對(duì)稠油和稠油-水乳液流變學(xué)和界面張力特性的影響，確定在油-乳狀液體積比為1∶0.25時(shí)得到最佳納米顆粒濃度，最佳納米顆粒濃度為0.02%具有最大的降粘效果，且界面張力的最大降幅發(fā)生在最佳的納米顆粒濃度下[19]。2018年，AlmohsinA.M.等人研究了表面活性劑和納米顆粒對(duì)原油穩(wěn)定性的影響，進(jìn)行兩部分實(shí)驗(yàn)研究，第一部分使用3種類型的表面活性劑，第二部分是表面活性劑與納米顆粒結(jié)合使用，實(shí)驗(yàn)表明，加入納米顆?？梢匝娱L(zhǎng)乳液穩(wěn)定性的時(shí)間[20]。

3.2 納米催化劑提高采收率

納米催化劑是在稠油油藏注蒸汽過程中用作水熱裂解反應(yīng)催化劑的納米級(jí)金屬顆粒，這些金屬可以催化蒸汽和油藏中的石油之間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，這種反應(yīng)成為水熱裂解反應(yīng)。水熱裂解反應(yīng)是使瀝青質(zhì)中碳硫鍵的斷裂，增加油中的飽和烴和芳烴，使原油不可逆低降低粘度[7,21]。其中影響納米催化劑性質(zhì)的因素主要是顆粒大小、形狀、表面結(jié)構(gòu)以及體相和表面組成等。2014年，HamediShokrluY.等人研究了鎳納米顆粒在水熱裂解過程中對(duì)稠油的影響，納米鎳顆粒的催化作用降低了稠油中重組分的濃度，增加了輕組分的濃度，在溫度達(dá)到270℃時(shí)，鎳納米顆粒的催化作用最強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)表明納米鎳粒子與表面活性劑和聚合物共混使用時(shí)，循環(huán)蒸汽吞吐的采收率提高約22%，鎳納米顆粒的催化作用在采收率的增量中貢獻(xiàn)約7%[22]。納米催化劑在提高原油采收率改善稠油和超稠油的化學(xué)性質(zhì)（如粘度、瀝青質(zhì)等重?zé)N的含量）方面具有協(xié)同作用。FrancoC.A.和ElshawafM研究了納米顆粒對(duì)原油粘度的影響[23,24]。

最近提出一種納米催化原位采油技術(shù)（ISUT）的新型采油方法，該方法是將從采出油中回收的減壓渣油與納米催化劑和H2一起注入儲(chǔ)層，在儲(chǔ)層進(jìn)行升級(jí)反應(yīng)。在稠油和特稠油油藏中，ISUT通過永久性地提高采出原油的質(zhì)量，使采出的原油不需要添加稀釋劑等額外的處理滿足輸送管道的輸送要求[25-27]。SuarezR.G.S.等人采用實(shí)驗(yàn)分析了納米催化劑原位提升技術(shù)對(duì)碳酸鹽巖稠油采收率的影響，結(jié)果表明納米催化劑的使用提升了裂縫和基質(zhì)中油的質(zhì)量，可以提高碳酸鹽巖稠油藏的采收率[28]。

3.3 納米流體提高采收率

納米流體是把納米顆粒分散到水、醇、油等傳統(tǒng)換熱介質(zhì)中，含有納米顆粒的基礎(chǔ)流體。納米顆粒很小并且很輕，它們能保持懸浮狀態(tài)。2014年，AlomairO.A.等人選用17.45API稠油樣品和Berea砂巖巖石樣品，研究納米顆粒流體對(duì)稠油采收率的影響，其中SiO2和Al2O3混合納米流體對(duì)稠油采收率在其他納米材料中最高，在0.05wt%濃度下，SiO2和Al2O3混合的納米流體對(duì)原油采收率產(chǎn)生了巨大的影響[29]。當(dāng)納米顆粒分散在低礦化度水中時(shí)，可獲得較高的原油采收率，納米流體有望成為化學(xué)驅(qū)的最佳類型。

納米流體提高采收率存在3種機(jī)理：（1）增加分離壓力，這一機(jī)理的驅(qū)動(dòng)能量是納米粒子之間的布朗運(yùn)動(dòng)和靜電壓力；（2）在小孔隙喉道，顆粒與水的密度差減緩顆粒運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致顆粒堆積，使增加鄰近孔道的壓力驅(qū)出原油，隨后周圍壓力降低顆粒堵塞逐漸溶解；（3）改變儲(chǔ)層的潤(rùn)濕性和界面張力[7]。2016年，ZabalaR等人對(duì)納米流體改善稠油和特稠油流動(dòng)性進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，納米技術(shù)在哥倫比亞的Castilla油田和Chichimene油田的增產(chǎn)試驗(yàn)中成功實(shí)施，在Castilla油田試驗(yàn)的兩口井的瞬時(shí)產(chǎn)油量分別增加了270和280桶·d-1，在Chichimene油田試驗(yàn)的兩口井的瞬時(shí)產(chǎn)油量分別增加了310和87桶·d-1[30]。這是由于納米流體可以去除聚集體系的瀝青質(zhì)，降低原油的粘度和改變巖石的潤(rùn)濕性，使巖石從親油性轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性，增強(qiáng)了原油的流動(dòng)性，恢復(fù)了油田產(chǎn)量并提高油田的采收率。

4 結(jié)論

在應(yīng)用納米顆粒提高油藏采收率時(shí)，要根據(jù)油藏的情況和原油的性質(zhì)，選擇合適的納米顆粒大小以及濃度，才能使納米顆粒提高采收率的程度達(dá)到最佳。

國(guó)外對(duì)于納米顆粒的研究在近十幾年興起，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)對(duì)于納米顆粒的研究較少，國(guó)內(nèi)需加快對(duì)納米顆粒研究的進(jìn)程，將納米顆粒應(yīng)用在三次采油中，進(jìn)一步驅(qū)出一次采油和二次采油后的殘余油，提高國(guó)內(nèi)油藏的采收率。