納米顆粒材料在油氣田開發(fā)中的應用進展*

趙躍軍，李宜霖，董馳，趙宇璇，陳昊

(1. 東北石油大學石油工程學院，黑龍江大慶 163318；2. 東北石油大學提高油氣采收率教育部重點實驗室，黑龍江大慶 163318；3. 中國石油新疆油田公司，新疆克拉瑪依 834099)

納米顆粒材料(nanoparticles, NPs)是指尺寸為1～100 nm的納米粒子，因其表面存在等離子體共振效應，具有優(yōu)異的催化活性、內在的反應活性、良好的吸附親和性和分散性[1]。這些特性受到材料的晶界、單位體積表面積、粒徑、純度、導熱系數等因素的影響。較大的表面積增強了納米顆粒材料的熱物理性質，小粒徑增加了其作為吸收體流體的潛力。在力學性能方面，納米顆粒材料與其他復合材料相比，具有較高的延展性、較高的平均硬度和較大的應變性[2]。

納米顆粒表面積與體積的比值遠超過常規(guī)尺度比值，粒子表面積也高于大部分由相同材料制成的微觀粒子與宏觀材料。更重要的是，即使在油氣儲層的高溫高壓條件下，納米顆粒材料也能表現出較強的化學穩(wěn)定性，并且具有較強的選擇性吸附性，這對油氣田開發(fā)提高采收率過程的優(yōu)化至關重要[3-4]。

納米顆粒材料按照材質不同進行分類，可分為金屬及金屬氧化物材料、有機材料、無機材料、納米復合材料、納米聚合材料等，其性質見表1。

表1 納米顆粒材料種類統(tǒng)計

1 驅油機理

納米顆粒材料的驅油機理通常較為復雜，是多種驅油機理相互耦合，最終起到提高采收率的作用。總體上，納米顆粒材料驅油機理可分為宏觀驅油機理和微觀驅油機理兩部分。

1.1 宏觀驅油機理

1.1.1 改變潤濕性

納米顆粒材料通過吸附于巖石表面來改變其潤濕性[15]。不同的納米顆粒具有不同的潤濕性，親水性納米顆?？梢詫⒂H油地層改變?yōu)橹行曰蛴H水，親水的納米顆粒材料應優(yōu)先用于親油地層，而疏水的納米顆粒材料應用于親水地層,從而提高原油采收率[16]。納米流體對儲層潤濕反轉的機制分為納米顆粒材料的潤濕鋪展[17]以及納米顆粒材料和巖石壁面的吸附作用[18]兩方面。

1.1.2 降低界面張力

由于納米顆粒材料的低界面張力(如磁性鐵納米顆粒[19])，使其容易進入物性較差地層，并與殘留在巖石孔隙中的原油發(fā)生作用，使得原油和水之間的表面張力降低，從而使油滴從巖石孔隙中流出，聚結成油帶，在注入介質的驅動下被采出[20]，從而提高驅替效率，起到進一步提高采收率的效果。

1.1.3 改善流度比

納米顆粒材料能夠增加注入介質的黏度或降低地層原油的黏度，來改善兩者之間的流度比，提高驅替效率。有研究發(fā)現，氧化銅納米顆粒材料能夠提高注入水的黏度[21]；氧化鋁納米顆粒材料與鹽水混合能夠通過破壞C—S鍵來降低地層原油黏度[22]；同時納米顆粒的存在增加了稠油固體分子之間的碰撞裂解概率，增加了小分子揮發(fā)分與不易揮發(fā)的飽和分比例，促進稠油固體組分裂解，使稠油固體的黏度減小[23]。

1.1.4 擴大波及體積

雷群等[24]采用低場核磁共振巖心驅替裝置測試了納米顆粒材料驅油劑擴大水驅波及體積的效果，結果表明納米顆粒材料驅油劑能夠在水驅的基礎上增加 10%～20%的波及體積，機理為在納米顆粒材料的作用下水分子間的氫鍵締合作用被減弱，水分子間的網絡結構被改變，從而使注入水進入了常規(guī)水驅試驗中不能波及的低孔低滲區(qū)域。

1.2 微觀驅油機理

1.2.1 分離壓力

分散在水中的納米顆粒在布朗運動和顆粒間靜電排斥力的共同作用下，具有在不連續(xù)流體的三相界面處形成楔形膜的趨勢，并逐漸向前推進，從而產生了分離壓力[25]。分離壓力的形成導致三相界面力的平衡被打破，引起系統(tǒng)的某些特性發(fā)生改變，最終可能表現為驅替現象[26]。吳偉鵬等[27]對此機理進行了深入研究，發(fā)現在分離壓力驅動下，納米流體能夠沿著表面擴散從而使微觀模型喉部的油滴脫落。

1.2.2 密度差異

在含水飽和度較高的細小孔隙中，由于水和納米顆粒之間的密度差異，納米顆粒會在孔喉處聚集，使得注入的流體能夠流向鄰近的孔隙，從而增加了孔隙的壓力，導致該孔喉處的流動阻力變大，促使水流向相鄰的孔隙并驅替出孔隙中的原油，原油被驅替后流動阻力減小、孔隙壓力下降，納米顆粒逐漸隨水運移而出，孔隙恢復流通，在這種情況下，納米顆?？梢员惠d體流體再次取代[28-29]。

1.2.3 納米減阻機理

納米減阻的理論依據是納米顆粒材料的吸附作用和水流滑移效應。納米顆粒材料進入儲層微孔道后，與水之間發(fā)生競爭吸附，納米顆粒材料利用其多氫鍵的優(yōu)勢牢固吸附在微孔道壁面，形成納米結構層。這種納米結構層具有極強的疏水作用，使水流在“納米效應”的作用下產生一定滑移現象，從而提高了流速，起到了減阻的作用[30]。

2 納米顆粒材料在油氣田開發(fā)中的應用

2.1 納米顆粒材料作為驅油劑

室內驅油試驗是確定特定油藏條件下采收率的常用方法。在巖心驅油試驗中，納米顆粒材料是重要的驅油劑。Ehtesabi等[31]使用TiO2納米顆粒材料對砂巖巖心進行驅油試驗。試驗結果表明：使用礦化度5 g/L的鹽水時，采收率為49%；而使用TiO2納米顆粒材料的采收率高達80%。Li等[32]利用不同的SiO2納米顆粒材料進行了多次驅油試驗，結果表明，注入SiO2納米顆粒材料可在極低質量濃度(0.01 mg/L)的情況下提高采收率。Youssif等[33]比較了水驅和碳納米顆粒材料的驅油效果，注入水的油藏采收率可達到46%～63%，而通過選擇合適的碳納米顆粒材料，采收率可提高到57%～85%。

2.2 納米顆粒材料作為調剖劑

Lakatos等[34]發(fā)現納米顆粒材料可以改善堵水調剖劑的原位成膠能力，調控成膠時間。Hou等[35]研制了一種新型的有機-無機納米顆粒材料復合凝膠調剖劑，該復合凝膠體系在酸性環(huán)境下表現出良好的耐高溫、高壓、高彈性的性能，封堵率達到95%以上，是一種環(huán)境友好型調剖劑。郭宇[36]研究了由納米顆粒材料和表面活性劑復配而成的調剖劑的性能，復合體系的最佳注入參數為PV數0.5，質量濃度為1.5 g /L的納米微球溶液和PV數0.5，質量濃度1.0 g/L的表面活性劑溶液。Ito等[37]研發(fā)了一種碳納米管/橡膠復合材料，該納米復合材料具有較好的耐溫(260 ℃)、耐壓(310 MPa)性能，可應用于高溫、高壓儲層改善注水采油剖面。

2.3 納米顆粒材料作為穩(wěn)定劑

Pei等[38]研究了鋁、銅等納米顆粒材料及其氧化物對乳狀液穩(wěn)定性的影響。研究發(fā)現，親水納米顆粒材料的應用使油水分離更加容易，乳液穩(wěn)定性下降。在另一項研究中，Al-Otaibi等[39]發(fā)現穩(wěn)定的乳狀液可以由二氧化碳、納米顆粒和水形成。納米顆粒材料的濃度和基液體積分數是影響乳狀液穩(wěn)定性的重要參數。Ashrafizadeh等[40]使用SiO2納米顆粒材料和4種表面活性劑(陽離子、陰離子、離子偶極子和非離子)對鹽水中形成的油乳液進行了測量和評價，研究發(fā)現，納米顆粒材料乳劑具有高效、低成本的特點。Aminzadeh-Goharrizi等[41]研究了納米顆粒對水中二氧化碳泡沫的穩(wěn)定性，發(fā)現納米顆?？梢愿淖儹h(huán)境中二氧化碳的運動模式和分布，同時也降低了二氧化碳流動性。孫乾等[42]也對改性納米顆粒在穩(wěn)定二氧化碳泡沫中的性能進行了評價，發(fā)現表面改性二氧化硅納米顆粒在水中形成的泡沫在95 ℃和礦化度高達10 g/L的條件下可保持穩(wěn)定。

2.4 納米顆粒材料作為降黏劑

控制稠油流動性的2個主要因素是原油黏度和儲層滲透率。有研究發(fā)現納米流體對瀝青質沉積具有抑制作用，可以防止油流堵塞，并使油流有效流動[43]。Zabala等[44]研究表明，使用油基納米流體(OBNs)可以在不進行連續(xù)注入的情況下，使靜態(tài)條件下的油黏度降低約98%。Shokrlu等[45]研究了鎳納米顆粒材料降低水熱裂解反應的活化能的原理，鎳的納米顆粒材料打破了化合物中的C—S鍵，從而縮短了其分子鏈的長度，降低了油的黏度，使稠油采收率顯著提高。

2.5 納米顆粒材料作為壓裂液

2.5.1 高溫壓裂液

一般情況下，井底溫度為170～200 ℃。傳統(tǒng)的交聯多糖水力壓裂液會形成水垢，對地層造成破壞，限制了其應用，納米顆粒材料壓裂液的研發(fā)解決了這一問題[46]。納米交聯劑降低了水力壓裂液的聚合物載荷和聚合物殘留，改善了壓裂液的流變性能和熱穩(wěn)定性，且在高溫下無壓力依賴性[47]。納米顆粒材料還被用作黏彈性表面活性劑(VES)壓裂液的增強劑，VES流體可降低壓裂液的表面張力，納米顆粒材料的加入改善了VES流體的熱穩(wěn)定性，降低了流體的高漏失率。其主要的缺點是流變特性隨溫度的升高而降低，此外目前總成本很高，該方法有待進一步研究[48]。

2.5.2 海水基壓裂液

淡水資源的缺乏是影響海上油田開發(fā)的主要因素之一，為解決這一問題，Pei等[38]研發(fā)了由納米顆粒材料與海水復配而成的海水基壓裂液體系，試驗結果表明，復配體系的使用降低了對聚合物溶液及瓜爾膠溶液的需求，同時使得流體黏度提高，在高溫(150 ℃)和高礦化度(56 g/L)的環(huán)境下，壓裂體系能夠保持較高的穩(wěn)定性。同時在復配體系中納米顆粒材料的使用量較少，具有經濟可行性。

2.5.3 磁性壓裂液

楊倩茹等[49]利用納米顆粒材料的電磁特性，提出了一種在壓裂前置液中加入Fe3O4磁性納米顆粒材料的方法。壓裂施工過程中，混有將Fe3O4磁性納米顆粒材料的前置液在注入壓力的作用下進入地層，起到改變巖石表面潤濕性的作用。壓裂結束后，在反排液的作用下，納米顆粒材料通過井筒被采出。納米顆粒材料的可循環(huán)性解決了低滲油藏、稠油油藏的經濟開發(fā)問題，因此具有廣闊的應用前景。

3 納米顆粒材料在油田現場的應用現狀

實驗室中的研究已證明納米技術是潛力巨大的可提高采收率新技術，但仍存在眾多的技術問題，限制了納米技術在油田現場的應用。目前現場應用成功的納米顆粒材料提高采收率的報道并不多見。

1998年，中國石油遼河油田在興隆臺試驗區(qū)進行了分子納米膜驅油現場試驗，部分觀察井的日產油量明顯增加，相應含水降低。分子沉積納米膜驅油技術(MD)改變了巖石表面的性質和與原油的相互作用狀態(tài)，提高了驅油效率。但納米膜劑在巖石表面吸附損耗嚴重且分子膜驅見效時間較長，限制了納米分子膜驅油技術的發(fā)展[50]。

2011年，中國石化江蘇油田進行了納米驅油試驗，結果表明對不同地層性質的區(qū)塊，納米溶液均可起到一定提高驅油效率的作用，驅油效率提高程度為 4.0%～27.9%[51]。

2018年，西部某油田對納米顆粒材料與表面活性劑復合調驅體系的性能進行了礦場試驗，結果表明，應用復配體系后注水井壓力升高，對應油井產油量上升，含水率下降[36]。

4 結論與展望

隨著能源需求的不斷上升和常規(guī)儲量的下降，石油行業(yè)不斷尋找創(chuàng)新的方法來提高石油采收率。近年來，納米顆粒材料在各行各業(yè)的廣泛應用，引起了科研人員將其應用于石油工業(yè)的興趣。

1)納米顆粒材料具有尺寸小，表面積體積比大和單位質量粒子數多的特點，使其在石油天然氣工業(yè)中能夠顯著改善流體性能，另一個重要的優(yōu)勢是納米顆粒材料的成本通常比化學品低。此外，與應用于儲層的其他化學物質相比，大多數納米顆粒材料是環(huán)境友好材料，可以回收再利用。

2)納米技術具有改變石油和天然氣工業(yè)技術前景的潛力，但納米顆粒材料用于油氣田開發(fā)領域需要滿足很多苛刻的條件，大多數納米顆粒材料具有其適用性，需要進一步研究耐高溫耐高鹽并且極少在巖石孔隙表面吸附/滯留的納米顆粒材料。

3)目前納米技術的研究大多停留在實驗室階段，且對研究機理、作用機制尚未明確，還未能在油田現場大規(guī)模應用和推廣。推進納米技術的研發(fā)，將納米技術應用于油氣田開發(fā)領域，可為油田提高采收率技術帶來突破。