納米智能驅油技術研究現狀及發展趨勢

張創，王成龍，時圣彪，鄭川江

(延長油田股份有限公司志丹采油廠，陜西 延安 717500)

經過多年不懈的探索和實踐，中國形成了水驅、CO2驅、微生物驅及SAGD等多項戰略性提采技術，為我國各類油田現場提采提供選擇[1]。隨著國內油田逐步由常規油藏向低滲油藏轉變，加之開發過程中，非均質性強、層間矛盾突出等一系列難題，導致常規化學驅體系面臨“注不進，采不出”的技術瓶頸[2]，亟需探索新型驅油體系以滿足現場應用需求。

自20世紀以來，納米技術已被視為全球革命性的科技和技術領域，與生物智能、數字信息等革命比肩[3]。納米顆粒(NPs)因其表面積大、延展性高及吸附親和性強等特點，已逐漸成為油氣田開發的研究熱點，涉及鉆完井、壓裂增滲、增注提采、返排液處理等技術領域[4]。迄今為止，國內外學者對納米驅油技術的探究大多集中于室內實驗，目前現場應用成功的納米驅油技術報道并不多見。

1 納米驅油技術概況

納米智能驅油技術集成了納米技術和EOR技術，具有常規EOR工藝沒有的優勢，例如波及范圍廣、投資成本低及環境適應性強等特點[5]。設計思路為：利用NPs驅油劑的“微觀尺度”特性，達到大范圍波及的目的；利用“強憎水強親油”特性，實現自動排驅和智能找油；利用“分散油聚并”特性，達到油滴聚集的目的，實現油墻式驅替。

1.1 分類

當前NPs驅分為納米顆粒驅和納米流體驅兩類，納米顆粒驅分為4大體系，即金屬氧化物(如MgO、Al2O3等)、有機顆粒(如碳納米顆粒、碳納米管MWNT等)、無機顆粒(如SiO2多種改性)及其它類型(如聚乙二醇PEG、納米膠體分散凝膠CDG等)，其性質及作用見表1。納米流體驅大體分為親水型納米流體、親油型納米流體、聚合物修飾納米顆粒、納米纖維素及Janus顆粒[6]。不同分類標準納米驅油劑類型見表1。

表1 不同分類標準納米驅油劑類型統計Table 1 Statistics of different classification standards of nano-oil-displacing agent types

1.2 驅油機理

納米驅油技術的驅油機制是多種機理的綜合作用，是納米材料提高原油采收率研究的基礎，其主要機理分為微觀和宏觀驅油機理[7]。

1.2.1 微觀驅油機理

1.2.1.1 增大分離壓力 由圖1可知，分散在基載液中的納米粒子在布朗運動和靜電排斥力的作用下，在不連續連體的三相界面處形成楔形膜。該楔形膜具有不斷前進的趨勢，產生促進油滴剝落巖石礦物表面的分離壓。分離壓力的生成打破了三相界面的平衡，引起體系的界面張力等特性發生變化，最終表現為驅替現象。納米粒子的粒徑、濃度、溫度和體系礦化度是制約分離壓力的關鍵因素[8]。

圖1 納米流體分離壓驅油機理示意圖Fig.1 Schematic diagram of nanofluid separation and oil displacement mechanism

1.2.1.2 密度差異 在含水飽和度較高的儲層孔隙中，由于納米粒子與水存在明顯的密度差，納米微粒會聚集于細小的孔隙喉道處，導致聚集處滲流阻力增大，促使水分子無法通過而流向臨近孔隙中，驅替臨近孔隙中的原油。待原油被完全驅替后，滲流阻力顯著減少，孔隙壓力大幅度降低，納米粒子被水攜帶流出，堵塞的孔隙恢復暢通，之后納米粒子會被載體流體再次取代[9]。

1.2.1.3 納米減阻機理 NPs競爭吸附與水流滑脫作用是實現減阻的依據，NPs引入地層孔隙后，會與H2O發生競爭吸附，由于NPs結構中的氫鍵含量遠大于H2O分子，導致NPs可牢牢吸附于孔道表面，形成NPs結構層。此特殊層有很強的疏水性，流體通過時形成滑脫現象，進而提升了滲流速度，達到減阻效果。

1.2.2 宏觀驅油機理

1.2.2.1 降低界面張力 具有表面活性的納米顆粒進入儲層后，親水部分存在于水相中，親油部分存在于油相中，在兩相界面形成一層NPs吸附膜，取代之前的兩相油水界面。通過降低兩相間摩擦力的方式，降低界面張力，從而驅替孔隙中的剩余油，降低界面張力是納米顆粒驅提高采收率主要的機制之一。

1.2.2.2 改變巖石的潤濕性 潤濕性反應了油水在儲層中的流動狀況和分布情況，是影響驅油效率的關鍵指標。傳統的化學驅需要嚴格把控儲層流體的礦化度，才能有效實現巖石礦物潤濕性的改變，且成本較高[10]。納米材料則是通過吸附于巖石表面，改變油水相與巖石間的接觸角，從而實現潤濕性的改變。不同的納米材料潤濕性也不盡相同，現場通常應用親水性納米顆粒將油濕性油藏轉變成中性或水濕，進而實現提采。

1.2.2.3 擴大波及體積 NPs分散至基液中，會抑制H2O分子間氫鍵的締合作用，破壞H2O分子間的網絡結構，促使注入水可滲流至常規水驅無法抵達的低孔低滲地帶。雷群等[11]應用核磁共振巖心驅替裝置，開展了納米顆粒驅與常規水驅波及范圍對比實驗，發現納米顆粒驅波及范圍比常規水驅增大了10%～20%。

1.2.2.4 延長瀝青質沉淀時間 瀝青質沉淀是原油生產與開采常需面臨的問題，常用的EOR技術，例如CO2-EOR，很可能會由于特殊的油藏環境造成瀝青質大量沉積，導致儲層滲透率下降。一些研究人員發現，NPs可在短時間內大量吸附于瀝青質表面，進而大幅度抑制瀝青質的絮凝過程，延長其沉淀時間[12]。

1.2.2.5 改善流度比 納米顆粒可以有效增大注入流體的黏度或降低原油黏度，改善流度比，進而提升驅替效率。丁彬等[13]對比了水驅、NPs驅后剩余油的核磁共振實驗，研究表明，納米流體較礦化氘水驅更易進入巖心孔喉中，大幅度降低剩余油的黏度，進而提高驅替效率。

2 智能納米驅油技術應用

2.1 納米顆粒聚合物驅

傳統聚合物驅往往很難實現大幅度提采，且適用范圍小、投資成本高，基于此，許多專家對納米顆粒聚合物驅的應用開展了大量的研究[14]。Paria等[15]對NPs水溶性聚合物吸附性進行了研究，得出納米SiO2可大幅減少聚合物溶液的吸附量。Abhishek等[16]開展了不同濃度TiO2對聚合物黏度影響實驗，通過對比發現，當TiO2體積濃度達到2.3%時，對流體剪切力有直接影響。Mohammadi[17]針對NPs對聚合物驅稠油采收率的影響開展了室內實驗，結果顯示引入NPs后溶液黏度驟增，聚合物吸附率顯著降低。與傳統聚合物驅相比，納米顆粒聚合物驅能夠實現減少聚合物吸附、增加溶液黏度、提高原油采收率、分散納米顆粒突破時間的多重效應，優勢顯著。

2.2 納米顆粒表面活性劑驅

將表面活性劑與納米顆粒相結合實施原油驅替是目前新興的一項驅油技術，其設計思路見圖2。

圖2 納米流體表面活性劑驅作用機理示意圖Fig.2 Schematic diagram of the action mechanism of nanofluid surfactant flooding

納米顆粒對表面活性劑具有降吸附機制，可穩定保留巖壁溶液中的表面活性劑分子，抑制其在礦物表面的吸附，同時納米顆粒會對分散油具有聚并效應，形成油墻實施驅替。Kothari[18]對NPs表面活性劑驅提采效果進行了探究，指出IFT遞減率明顯大于常規表面活性劑，且波及范圍更廣。Cheraghian等[19]開展了TiO2表面活性劑室內驅油實驗，得出相比單一表面活性劑，注TiO2表面活性劑能將稠油采收率提升4.85%。Emadi等[20]將SiO2NPs注入傳統表面活性劑，結果表明，改性后的表面活性劑驅油性能大大提升。經大量研究證實，NPs表面活性劑驅不僅可實現IFT的減少和礦物潤濕性的改變，同時可篩選出最適的NPs和表面活性劑驅濃度，一舉多效。

2.3 納米顆粒表面活性劑聚合物驅

將NPs引入表面活性劑-聚合物驅中，同樣可大大改善復合驅的驅油效果，提高原油采收率。Sharma等[21]在關于Pickering乳狀液環境下SP驅和納米SP驅采收率對比實驗中指出，經納米SP驅改性的乳化液可使油田采收率提升60%。Sedaghat等[22]針對SiO2和TiO2NPs對聚合物/表面活性劑驅效率的影響進行了研究，發現兩種NPs均可實現潤濕性的改變和IFT 的降低，兩者相比，SiO2NPs的提采效果更優。Atta[23]開展了NPs對采收率影響實驗，得出添加NPs后SP驅的驅油效率大幅度提升，且隨著NPs濃度的增加，SP溶液的吸附量減少。目前，SP化學驅的性能是通過添加納米顆粒來提高的。

2.4 智能納米流體注水

當前，我國大多數油田進入開發中后期，地層非均質性問題尤為突出，常規注水開發有許多難點需要攻關，很難實現有效驅動[24]。在此背景下，智能納米流體技術應運而生。Haroun等[25]開展了不同納米流體對碳酸鹽巖油藏智能水驅采收率對比實驗，得出注入納米流體后，采收率提高了12%。Assef 等[26]研究了MgO對水驅采收率的影響，發現注入MgO納米流體后，溶液中的Zeta電位更具正電性，在一價、二價離子共存時，NPs遷移幅度減緩，水驅性能得以提升。Huang[27]針對智能納米流體注水的波及范圍進行了研究，結果顯示，粘土和細粒粘土穩定形成，水驅的波及范圍提升了32%。智能納米流體注水工藝可突破常規注水波及范圍有限的問題，顯著加強水驅動用程度，提升水驅采油效果。

2.5 納米調驅

用于油藏調驅的工藝種類繁多，不同的調驅劑對油藏調驅都具有相應的效果，但也存在一定的不足[28]。納米聚合物調驅技術是一種新型的調驅劑，其遇水膨脹，可實現逐級堵塞地層孔隙，而且可隨時調整注水量，不受配制水影響。吳天江等[29]對調驅用納米聚合物微球流變性實施了探究，發現納米聚合物微球粒徑、大小、溶液礦化度及微球分散體系剪切后放置時間是影響調驅效果的主要因素。趙華強等[30]針對納米聚合物的調驅機理進行了研究，得出納米調驅劑隨著驅替液進入儲層后，會聚集于高滲大孔道處，造成流動改向，后續驅替液會優先進入附近低滲層將小孔道中的原油驅出，封堵與驅替交替進行，產生擴大波及范圍的效果(圖3)。

納米調驅雖具備不少的優勢，但也并不是十全十美的，如剛性較差，進入地層受剪切作用后容易破碎等問題，未來仍需加大研發力度，加深對提升納米聚合物微球的穩定性和調驅性能方面的研究。

圖3 納米聚合物微球深部調驅機理示意圖Fig.3 Schematic diagram of deep profile control and flooding mechanism of nano-polymer microspheres 1.水驅前；2.水驅過程；3.水驅后；4.注入調剖劑；5.微球變形突破；6.微球深部運移

3 評價

3.1 優勢

中國已動用油田產量逐年遞減，新開發油田開采難度大，需要新型高效石油開采技術以提高新老油田產量，保障中國經濟發展和能源安全[31]。智能納米驅油技術從多方面考慮，都具有一定的優越性，其具有傳統驅油技術(水驅、CO2驅等)不可比擬的優點，智能納米驅油與其他驅油技術的對比見表2。

表2 不同驅油技術特點對比Table 2 Comparison of characteristics of different oil displacement technologies

3.2 挑戰

智能納米驅油技術可高效低成本實現原油提采，具有改變石油發展前景的潛力，但由于受到相關工藝技術條件的限制，仍有關鍵技術需要突破。

3.2.1 性能效果層面 納米驅油劑的驅油效果和提采機理有待深究，納米顆粒進入儲層后，會造成孔隙堵塞，如何目標化部署納米顆粒，提高其回收率是未來該領域研究的重點。

3.2.2 經濟成本層面 納米顆粒的制備和使用需要大量的資金投入，高使用成本限制了納米驅油技術的普及和推廣。

3.2.3 安全層面 納米技術雖發展迅速，但有關納米技術的安全性研究相對滯后，加之微觀納米顆粒的特殊性質，對使用納米材料的安全風險評價存在許多知識盲區[32]。

3.2.4 環保層面 納米顆粒以固態粉末或液態形式存在，一旦被吸入或吞咽至體內，可能會與人體細胞發生反應，影響酶和蛋白質的調節機制。

4 發展趨勢

智能納米驅油因其價格低廉、無污染及環境適應性強等優點，已成為當前油氣行業關注的焦點，有望成為未來提高采收率的戰略接替技術。盡管目前對納米顆粒的驅油機理已取得了初步認識，但對其適用性和表面改性領域的研究仍停留在體系篩選和效果評價層面。受驅油提采理論認知薄弱、降本增效機制欠缺及安全環保風險評價模糊等問題的限制，納米驅油技術的前進步伐十分緩慢。要進一步推動我國老油田二次發展的高效平穩實施并非易事，建議以NPs為研究基礎，以化學改性為主要舉措，集成流體動力學、統計物理學及材料科學等多項功能，賦予NPs目標性和智能性，真正意義上實現納米驅油劑的“一劑多能”和“一劑多用”，為未來提高采收率技術的發展帶來新的希望。