3 .纳米流体提高采收率机理

纳米流体之所以成为目前提高原油采收率研究的热点，一方面是因为纳米流体提高原油采收率的机理较多，与传统化学驱相比有其独特的性能；另一方面是其使用浓度较低，经济效益较高，符合当前比较低迷的石油行业市场。本文主要介绍纳米流体提高采收率的六种机理。

3.1 降低油水两相界面张力

图3是高油水界面张力和低油水界面张力下油滴在孔喉中的状态示意图。

从图3中可以看出，当油水界面张力较高时，油滴无法通过孔喉而被滞留；当油水界面张力较低时，油滴发生变形从而穿过孔喉。因此，油水两相之间的界面张力对提高原油采收率非常重要。Sharma等和Deng等认为纳米颗粒降低油水两相之间界面张力的主要作用机制是纳米颗粒能够吸附在油水界面形成纳米层，纳米颗粒的亲水部位存在于水相中，疏水部位存在于油相中。纳米层取代了纯的油水界面，使得油水界面性质发生了变化，进而降低了油水两相之间的界面张力。高俊等发现稠油与SiO₂、Al₂O₃和TiO₂三种纳米流体之间的界面张力都随着纳米颗粒浓度的增加而逐渐减小，但Man⁃shad等表明单一的纳米材料并不能大幅度的降低油水界面张力，可以与表面活性剂协同复配或对纳米颗粒表面进行改性处理，从而大幅度降低油水界面张力，提高原油采收率。Li等将己二酸与SiO₂表面的－OH基团缩合制成活性SiO₂纳米颗粒，相较于普通的SiO₂纳米颗粒，活性SiO₂纳米颗粒具有更强的降低油水界面张力的能力。Luo等通过将烷基胺修饰在GO表面制备了具有两亲性的GO纳米片，研究发现该两亲性纳米片可自发地接近油水界面并形成黏弹性高且界面张力低的界面吸附膜。

影响纳米流体降低油水两相界面张力的因素有很多，主要包括纳米颗粒浓度、粒径、表面活性剂浓度、温度及矿化度等因素。表3调研总结了部分学者关于不同因素对界面张力的影响规律研究。

3.2 改善岩石壁面润湿性

油藏岩石壁面的润湿性是控制油藏中流体流动和分布的主要因素，因此，油藏岩石壁面润湿性的研究对提高原油采收率具有重要的意义。纳米流体改变油藏岩石壁面润湿性的作用机制为纳米颗粒在岩石壁面上的铺展和吸附。Radnia等将岩石壁面的润湿性反转归因于结构分离压力和纳米颗粒吸附的共同作用，见图4。

吸附过程又可归因于磺化石墨烯（G－DS－Su）的含氧基团与砂岩表面的硅烷醇基之间的氢键作用及砂岩表面的－O－基团与G－DS－Su的π电子之间的相互作用。Bayat等研究发现Al₂O₃、TiO₂和SiO₂的接触角均随温度的升高而逐渐减小。虽然SiO₂较Al₂O₃和TiO₂纳米流体对石灰岩表面具有更高的吸附能力（强的吸附能力意味着更小的接触角），但提高采收率效果却逊于Al₂O₃和TiO₂纳米流体，判断纳米流体在强亲水油藏中的驱油效果不及在中性润湿油藏中的驱油效果。Qu等研究发现用鼠李糖酯分子修饰的两亲性MoS₂纳米片可将油湿性石英片表面反转为中性润湿，然后活性片状纳米流体再以活塞驱替的方式驱替原油。中性润湿的岩石壁面抑制了由于强水湿而导致壁面水膜厚度的增加，削弱了由于流动通道尺寸减小给提高采收率带来的不利影响。表4总结了影响纳米流体润湿反转效果的因素及规律，主要包括纳米颗粒类型、纳米颗粒尺寸、纳米颗粒浓度、温度、矿化度和助剂等。

3.3 降低原油黏度

纳米颗粒的引入，使得降黏剂与稠油有了更大的接触面积，通过自身的纳米效应和表面存在的强极性基团可对堆积状的胶质、沥青质结构产生破坏。此外，纳米结构表面的存在使得胶质、沥青质出现边界滑移现象，可实现更好的降黏和流动效果。Shokrlu等研究发现纳米颗粒对稠油的传热作用有显著的影响。当金属纳米颗粒存在时，催化胶质、沥青质成分中C－S键的“水解反应”即使在室温下也能通过降低分子量而显著降低稠油的黏度。Iskandar等发现纳米颗粒可以作为一种抑制剂，通过吸附在胶质、沥青质表面，防止胶质、沥青质发生聚集、沉淀和沉积行为，从而实现降低原油黏度的目的。Elshawaf 发现石墨烯氧化物可以在40~70℃之间大大降低稠油黏度，降低范围在稠油黏度原值的25%~60%之间，见图5。

石墨烯氧化物降黏的主要机理包括：石墨烯氧化物的导热率高达1300 W/（m·K），有助于稠油热采；纳米级氧化石墨烯是一种水解反应的催化剂，有助于打破C－H、C=O和C－S等键和作用。

3.4 提高泡沫稳定性

纳米颗粒稳定泡沫的主要机理是提高泡沫液膜的机械强度，通过吸附在气液表面膜上形成网状结构，抑制液膜排液，减少气泡的聚结，从而提高泡沫的稳定性。纳米颗粒一旦吸附在气液表面膜上，若想要脱离表面则需要一定的能量即分离能，与稳定泡沫的表面活性剂和聚合物相比，纳米颗粒因其微小的尺寸和较高的比表面能而需要更高的分离能。Zhu等研究发现两性离子表面活性剂芥酸丙基甜菜碱（EAPB）可以与亲水纳米颗粒在一系列浓度下形成胶束-粒子网络来稳定泡沫。Risal等利用γ-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）对SiO₂表面进行改性，获得了APTES覆盖率为40%和60%的部分疏水纳米颗粒，研究结果表明覆盖率60%的部分疏水纳米颗粒在稳定泡沫方面具有较好的潜力。Tang等的研究结果表明粒径较小的纳米颗粒比粒径较大的更能稳定泡沫，即泡沫的稳定性一般随着纳米颗粒尺寸的减小而提升。Yekeen等研究发现，对于加入Al₂O₃的十二烷基硫酸钠（SDS）泡沫体系，当矿化度浓度从0增加到1 wt%时，Al₂O₃-SDS泡沫的半衰期逐渐缩短；对于SiO₂-SDS泡沫体系，当矿化度浓度从0增加到0.5 wt%时，SiO₂-SDS泡沫的半衰期逐渐缩短，而当矿化度浓度大于0.5 wt%时，SiO₂-SDS泡沫的半衰期延长，不同泡沫体系的尺寸分布对比见图6。

影响纳米颗粒稳定泡沫的因素有纳米颗粒的大小、种类和储层温度、盐浓度等，表5总结了部分学者研究纳米颗粒稳定泡沫的规律和认识。