摘 要

针对传统聚合物、表面活性剂等溶液在提高原油采收率过程中存在黏度保留率低、吸附损耗量大等问题，介绍了纳米流体提高原油采收率相关研究进展。总结了目前应用于提高原油采收率领域中纳米材料的合成方法和纳米流体稳定性的评价手段；综述了纳米流体提高原油采收率的六大主要机理，包括降低界面张力、改变润湿性、降低原油黏度、提高泡沫稳定性、结构分离压力和降压增注；调研了目前纳米流体提高原油采收率的油田现场应用进展，并提出了限制纳米流体矿场大规模应用的瓶颈问题，一是缺乏高效开发非常规油藏的纳米驱油体系；二是关于二维片状纳米流体的研发、提高采收率机理的研究及矿场先导试验三位一体的理论和技术研究尚不成系统，需要更深层次的探讨和研究。为解决纳米流体的实践推广应用指明方向。

21世纪以来，纳米技术被广泛的应用在各行各业，比如医药、食品、电子、油气等行业。纳米技术指的是将至少有一维尺寸在1~100 nm范围内的固体材料应用于工程研究。Richard Feynman于1959年12月29日在加州理工学院举行的美国物理学会上首次介绍了纳米技术的思想，题为“底部有足够的空间”。近几十年来，纳米技术发展迅猛，在油气行业的研究也越来越多，纳米驱油技术是其中一个非常重要的研究方向。用于提高原油采收率的纳米材料有很多，按照形状 可 分 为 球 形 纳 米 颗 粒（SiO₂、TiO₂、Al₂O₃、CuO、ZnO等）和二维片状纳米颗粒（氧化石墨烯、硅基纳米片、二硫化钼等）；按照表面性质可分为单一润湿性纳米颗粒 和两亲性（Janus）纳米颗粒。将不同的纳米颗粒分散在不同的分散介质中就可构筑不同的纳米流体，不同的纳米流体在油藏多孔介质中会产生不同的增油机理和驱油效果。基于大量国内外文献调研，本文总结了应用于提高原油采收率领域中相关纳米材料的合成方法，介绍了纳米流体稳定性常用的评价手段，阐述了纳米流体提高原油采收率的六大主要机理，调研了目前纳米流体在油田现场应用的实例及效果，最后针对纳米流体提高原油采收率目前的研究进展和应用现状，结合多年的研究成果，分享对纳米流体提高原油采收率未来发展潜力的认识。

1. 纳米颗粒的合成

纳米材料发展的最大问题之一在于材料的制备。纳米材料的制备方法多种多样，根据物料状态可分为固相法、液相法和气相法；根据制备手段可分为物理方法、化学方法和生物方法等。纳米材料的合成方法总结归纳见图1。表1总结了不同学者合成单分散纳米颗粒的过程。

近些年，有学者发现两亲性纳米材料具有比单亲性纳米材料更好的特性，在环境保护、食品安全和能源等领域越来越受到关注。两亲性纳米材料也分为球状、片状和棒状等类型，研究发现两亲性纳米片的界面活性比球状和棒状纳米材料的更强，一旦吸附至界面，需要更大能量将其从界面解吸，故可用来改善乳状液及泡沫的稳定性，从而提高原油采收率。根据近年来对国内外相关文献的调研总结与分析，两亲性纳米材料的合成方法主要有直接法和间接法，见表2所示。

2. 纳米流体的稳定性

纳米流体是指将纳米材料分散于特定的分散剂中，形成一种特殊的悬浮液。为了确保纳米流体在地层环境中能够有效发挥提高采收率的作用，需要对其稳定性进行探讨和研究。目前研究纳米流体稳定性的方法和手段较多，较常用的有Zeta电位法、pH控制法和沉淀法。

2.1 Zeta电位法

由于纳米颗粒表面上的电荷相同，故相邻纳米颗粒之间必然存在静电斥力。Zeta电位由范德华力和静电斥力组成，其值大小能较准确的反应纳米流体的稳定性。Cacua等研究发现，Zeta电位的绝对值越高，颗粒间的斥力就越大，纳米流体的稳定性就越好。有学者研究发现，Zeta电位的绝对值大于30 mV时，其悬浮液的稳定性较好。Kim等制备了含有Au的纳米流体，测得该纳米流体的Zeta电位值是负值，且Zeta电位的绝对值较大，表明纳米颗粒之间的排斥力较强，该Au纳米流体具有较好的稳定性。Souza等发现若要使磁性石墨烯纳米流体的稳定性更高，需该纳米流体的Zeta电位保持在41.3 mV左右。此外，对于相同浓度下不同价态的无机盐离子也会对Zeta电位产生影响，影响程度排序为三价离子>二价离子>一价离子。

2.2 pH值控制法

pH值控制法是通过调控纳米流体的pH值使得纳米颗粒表面能够形成较厚的扩散双电子层，从而提高纳米流体的稳定性。Zhang等发现当0.25 vol% TiO₂纳米流体的pH值为12时，体系能够稳定30d而不发生沉淀现象。Katiyar等研究了Al₂O₃、Bi₂O₃和Al三种纳米颗粒在去离子水、去离子水和乙醇混合液中的分散稳定性，结果表明温度、分散液类型和纳米颗粒浓度均会对体系的pH值造成影响。一定温度下，随纳米颗粒浓度的降低，纳米流体pH值趋向于酸性，反之则会与分散液的pH值保持一致。王超研究了pH值对氧化锌纳米流体稳定性的影响，发现当pH值为8时，氧化锌纳米流体上层清液高度为1 mm，分散稳定性最好。

2.3 沉淀法

沉淀法是直接评估纳米流体稳定性的一种方法，该方法通过观察纳米颗粒与分散液之间是否出现分层现象，并记录分层过程中的动态照片，以此作为纳米流体稳定性的判断指标，见图2。但沉淀法无法明确纳米流体中局部纳米颗粒的浓度，仅能在宏观角度评价纳米流体的稳定性。Sun等利用沉淀法评估了Cu和Al₂O₃纳米流体的稳定性。实验发现纳米流体的稳定性与纳米颗粒的粒径有关，随着粒径的增加，纳米流体的稳定性逐渐降低，沉降速度也逐渐增加。