4滲吸驅(qū)油機(jī)理

近些年，納米流體滲吸提高采收率的研究增多，滲吸驅(qū)油機(jī)理也更豐富，主要表現(xiàn)在潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)、降低油水界面張力、乳化原油和結(jié)構(gòu)分離壓力4個(gè)方面。

4.1潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)

當(dāng)巖石表面為油濕時(shí)，根據(jù)毛管力公式，毛管力是滲吸阻力。而納米流體能通過(guò)吸附作用改變巖石表面的濕潤(rùn)性質(zhì)，促使其從油濕轉(zhuǎn)變?yōu)樗疂?，?rùn)濕性的改變導(dǎo)致毛管力的方向發(fā)生變化，使毛管力轉(zhuǎn)為滲吸動(dòng)力。巖石表面越親水，滲吸動(dòng)力越強(qiáng)，越有利于滲吸驅(qū)油。同時(shí)，潤(rùn)濕性的改變導(dǎo)致了油與固體表面的黏附作用降低，滲吸過(guò)程中更容易將油滴從巖石表面剝離。

SONG等研究了納米流體改變巖石潤(rùn)濕性的能力與滲吸采收率之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)巖石壁面親水有利于自發(fā)滲吸。BSSB-12溶液可將巖石表面潤(rùn)濕角由40°(油濕)改變?yōu)?1°(油濕)，如圖1a所示;而活性納米流體可將巖石表面潤(rùn)濕角由42°(油濕)改變?yōu)?45°(水濕),如圖1b所示。BSSB-12表面活性劑改變潤(rùn)濕性的能力較小,因此自發(fā)滲吸采收率比活性納米流體低。DAI等發(fā)現(xiàn)表面活性劑中加入納米顆?？梢源蠓岣邼B吸驅(qū)

4.2降低界面張力

納米流體在油/水界面的吸附能顯著降低體系的界面能和界面張力，其降低界面張力的能力主要源于納米粒子獨(dú)特的尺寸特性和表面活性。在低界面張力作用下，油與固體表面之間的黏附功降低，流動(dòng)性增強(qiáng)。但對(duì)滲吸驅(qū)油來(lái)說(shuō)，界面張力越低，滲吸動(dòng)力毛管力就越弱。因此，對(duì)于滲吸驅(qū)油來(lái)說(shuō)，大幅降低界面張力不可取。

Saien J等探討了改性后的SiO2納米顆粒(NPs)與表面活性劑(SDS)協(xié)同作用時(shí)對(duì)界面張力的顯著影響，結(jié)果如圖2所示。與只有SDS相比,NPs/SDS復(fù)配體系使界面張力降低更多，界面張力的降低有助于降低黏附功，使原油更容易被采出。劉安邦等通過(guò)對(duì)不同滲吸驅(qū)油體系開(kāi)展帶壓滲吸實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)表面活性劑復(fù)配體系降低界面張力能力最強(qiáng)(如圖2c所示),但滲吸驅(qū)油效果卻弱于納米SiO滲吸驅(qū)油劑(如圖2d所示)，說(shuō)明對(duì)于滲吸驅(qū)油來(lái)說(shuō)，界面張力不是越低越好。而是存在1個(gè)中間值或范圍，使得界面張力既能滿足滲吸驅(qū)油動(dòng)力，又能降低黏附功，從而提高滲吸驅(qū)油采收率。

4.3乳化原油

改性后納米顆粒或是納米乳液中的表面活性劑具有兩親性，可以吸附在油水界面上，將原油乳化，吸附在巖石表面的原油被乳化為乳狀液滴，進(jìn)一步增溶原油，從而使得納米流體更容易將巖石表面原油剝離。同時(shí)乳化的油在運(yùn)移過(guò)程中不易聚集復(fù)合，大大減弱了Jamin效應(yīng)，降低了滲吸驅(qū)油過(guò)程中的流動(dòng)阻力，顯著提高了原油流動(dòng)能力。

QU等為了提高致密油儲(chǔ)層滲吸采油效率，研制了1種新型低相納米乳液(LWPNE)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，納米乳液的乳化增溶作用是提高滲吸采收率的主要機(jī)制，如圖3所示。原油在LWPNE作用下從固體表面剝離形成分散油滴。隨著分散油滴與LWPNE的進(jìn)一步接觸,分散油滴逐漸被包裹和溶解，使得原油更容易被驅(qū)出。YIN等以自乳化法制備了水包油型納米乳液體系,通過(guò)研究明確了納米乳液滲吸增產(chǎn)作用機(jī)理。一方面納米乳液可以通過(guò)吸附作用改變巖石壁面潤(rùn)濕性，另一方面乳化增溶作用將大尺寸油滴分散成小尺寸，降低原油的滲吸阻力，從而增強(qiáng)滲吸效果。

4.4結(jié)構(gòu)分離壓力

結(jié)構(gòu)分離壓力是納米流體滲吸驅(qū)油的主要作用機(jī)理。納米顆粒在布朗運(yùn)動(dòng)、靜電力以及范德華力等綜合作用下，可以在油/納米流體/巖石三相接觸區(qū)域自組裝形成1個(gè)楔形結(jié)構(gòu)，這種楔形結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生1種推動(dòng)力，稱為結(jié)構(gòu)分離壓力。楔形納米流體薄膜前進(jìn)的同時(shí)推動(dòng)油滴向前，可將油滴從巖石表面剝離下來(lái)，大幅度提升納米流體滲吸排油的效果。

WasanD等提出的“結(jié)構(gòu)分離壓”理論，解釋了納米流體在油-固界面時(shí)這種壓力作用將油膜或油滴從巖石表面分離的過(guò)程。通過(guò)進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)分離壓力的大小和速度受到納米顆粒濃度和液滴體積的影響。ZHAO等以非離子表面活性劑(TX-100)作為分散劑和增效劑，將SiO2納米顆粒分散在水中形成SiO2納米流體(如圖4a所示),并對(duì)SiO2納米流體剝離固體表面油滴的能力進(jìn)行了探究。SiO2納米流體和表面活性劑(TX-100)均具有將油滴從巖石表面脫離的能力。與表面活性劑(TX-100)相比,當(dāng)添加SiO2納米顆粒時(shí)，納米流體可以在油/固體/納米流體三相接觸區(qū)形成薄膜從而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)分離壓，將油滴從巖石表面剝離。由于表面活性劑天然剝離油滴的能力和SiO2納米顆粒的結(jié)構(gòu)分離壓力機(jī)理(如圖4b所示),SiO2納米流體具有優(yōu)秀的滲吸提高采收率能力。

圖4納米流體結(jié)構(gòu)分離壓機(jī)理

5納米滲吸驅(qū)油劑發(fā)展前景

目前，納米滲吸驅(qū)油劑在低滲透油藏提高原油采收率上展現(xiàn)出巨大的潛力。研究認(rèn)為，納米滲吸驅(qū)油劑的發(fā)展可圍繞以下幾點(diǎn)展開(kāi)。

1)降低成本。雖然對(duì)納米顆粒增強(qiáng)滲吸驅(qū)油性能的研究已取得若干進(jìn)展，但成本問(wèn)題仍是1個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。這主要是因?yàn)橐环矫娌牧铣杀靖?，另一方面為了提高納米材料性能，會(huì)對(duì)其進(jìn)行改性和復(fù)配，進(jìn)而導(dǎo)致極成本增加。因此，迫切需要加速研發(fā)高效低成本納米材料，簡(jiǎn)化生產(chǎn)流程，減少生產(chǎn)過(guò)程中的能源和材料消耗，以期實(shí)現(xiàn)其在實(shí)際應(yīng)用中的大規(guī)模試用與推廣。

2)綠色環(huán)保。由于納米材料的合成過(guò)程中涉及到各種危險(xiǎn)且有害的化學(xué)物質(zhì)，對(duì)人類和環(huán)境不友好。因此，開(kāi)發(fā)對(duì)環(huán)境友好的納米材料，如利用生物降解材料或者從天然資源中提取的納米材料，將成為未來(lái)1個(gè)重要的研究方向。

3)多功能性。目前，現(xiàn)有的納米滲吸驅(qū)油劑大多只能解決單一問(wèn)題，限制了納米滲吸驅(qū)油劑的應(yīng)用范圍,以及其在提高滲吸驅(qū)油效率上的應(yīng)用潛力。因此，需要開(kāi)展更深入的研究，開(kāi)發(fā)出適用范圍廣和滲吸驅(qū)油效率高的納米滲吸劑。

4)深化機(jī)理。原油儲(chǔ)存在儲(chǔ)層巖石的孔隙和裂縫中，低滲透儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)極復(fù)雜，非均質(zhì)性強(qiáng)，納米滲吸劑在改善低滲透極油藏采收率方面的機(jī)理還需要進(jìn)一步的研究和理解。因此，未來(lái)的研究將致力于揭示納米材料在復(fù)雜儲(chǔ)層中的作用機(jī)制，并基于此建立更為精確的滲吸驅(qū)油模型。

6結(jié)語(yǔ)

該研究論述了3種不同類型納米滲吸驅(qū)油劑提高采收率的研究進(jìn)展及作用機(jī)理，認(rèn)為這3類納米滲吸驅(qū)油劑憑借其特殊結(jié)構(gòu)和不同功能，在滲吸驅(qū)油提高石油采收率方面具備很大的潛力。為了實(shí)現(xiàn)低滲透油藏的高效開(kāi)發(fā)，納米流體滲吸采油技術(shù)主要通過(guò)降低油水界面張力、改變儲(chǔ)層巖石的濕潤(rùn)性、乳化原油以及采用結(jié)構(gòu)分離壓力等4項(xiàng)機(jī)理來(lái)實(shí)現(xiàn)滲吸驅(qū)油的作用。未來(lái)納米滲吸驅(qū)油劑需要聚焦低成本、綠色環(huán)保及多功能等極方向，實(shí)現(xiàn)納米滲吸驅(qū)油劑的創(chuàng)新發(fā)展。納米滲吸驅(qū)油劑作為一種新興的油田開(kāi)發(fā)技術(shù)，具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。