纳米材料在油田化学工程中的研究进展

麦红

摘要：现如今，随着我国经济的加快发展，在社会经济稳步发展的背景下，我国油田化学工作取得了很大的进步及发展。与此同时，油田化学工作的内容较多，包括钻井液工作、调剖堵水工作、驱油工作等。而随着纳米材料技术的逐渐成熟，使得纳米材料在这些油田化学工作中得到了广泛且有效的应用。值得注意的是，与常规材料比较，纳米材料具备表面活性更优、摩阻更低、比表面积更高等诸多优势。合理科学地应用到油田化学工作当中，能够使油田化学工作的效率及质量得到有效提高。鉴于此，本课题围绕“纳米材料在油田化学中的应用”进行分析研究具备一定的价值意义。

关键词：纳米材料；油田化学工程；研究进展

引言

纳米技术是通过在0.1~100nm的微观环境下研究材料的性质及作用的一项新兴技术，始于二十世纪80年代，并作为二十一世纪科技创新发展的三大动力之一不断发展完善沿用至今，广泛运用于化工、医学、生物、军事、航天技术等诸多领域，现今已逐渐向传统化石能源方向迈进。在油气田开发过程中，随着油气资源开发力度的不断加大，高品质原油量开始逐年减小，随之而来开采难度也在不断加大，在这样一个日趋困难的背景下，亟待新的技术方案进行改善，这也给予了纳米技术更多的发展空间。本文在广泛调研了现阶段纳米技术在油田开发中的研究近况，并结合实际开发应用情况，对纳米技术在提高采收率、防漏降滤失以及复合破乳方面进行了系统地阐述，并对其应用潜力及发展前景进行了展望。

1纳米材料的结构与性质

1.1纳米材料的结构

纳米材料是处于亚稳态的物质，粒径极小，比表面积大，表面原子比例高，具有独特的电子运动状态、表面效应和体积效应，表现出宏观量子隧道效应和量子尺寸效应，这些结构上的特点使纳米材料具有很多优良的特性。

1.2纳米材料的性质

1)化学反应性质:纳米材料的粒径为纳米级，性质非常活泼，有很强的化学反应性质。如在空气中纳米级的金属材料可以发生氧化反应，剧烈的伴随有发光燃烧现象;45nm的TiN晶粒在空气中受热可燃烧得TiO2晶粒。2)催化性质:纳米粒子比表面积大、表面原子配位不足等性质致使其表面的活性中心增多，从而使纳米粒子具有催化活性。纳米粒子催化剂没有孔隙，可直接加入反应体系，不必外加载体。另外，纳米粒子催化剂的表面比较粗糙，可以扩大反应面积。3)光催化性质:纳米材料可以吸收光能，使其氧化还原能力增强，从而有利于催化反应。粒径越小，光催化性越强，反应速度越快。此外，纳米材料还具有高比热、高塑性、高硬度、高导电率和高磁化率等优异的物理化学特性。随着对纳米材料的进一步深入研究，相信还会有更多优异的性能呈现出来。

2纳米材料在油田化学工程中的研究进展

2.1纳米材料在压裂增产过程中的应用

现下低渗透储层及非常规油气已成为油气生产和发展的主力，为高效开发此类油气资源，压裂增产改造为不二之选，但由于非常规油气资源开发的特殊性，对压裂技术的要求也愈发严苛。在压裂施工中压裂液体系是决定压裂成败的关键。向压裂液体系中添加纳米材料，通过纳米材料与聚合物间的交联、与表面活性剂间的协同作用、与胶束间形成可逆交联结构等方式来改善压裂液体系性能，可以较好地解决低渗透储层及非常规油气有效开发中排量大、泵压高的恶性循环难题。研究了纳米材料对聚合物基压裂液流变性的影响，他们发现在高压条件下纳米材料的加入可以减少由硼酸盐交联的瓜尔胶压裂液的黏度损失。在55．16MPa条件下，向压裂液体系中加入0.02%的活性纳米材料I和0.04%的活性纳米材料II后，体系黏度分别增加了6倍和9倍，携砂性能显著提升。实验结果表示添加了纳米材料的压裂液能够在高温高压条件下更好的完成支撑剂运输工作。通过将硼酸引入到含有—NH2基团的活性SiO2纳米颗粒表面，制备出含有N—B键的纳米交联剂，该交联剂有利于瓜尔胶凝胶形成网络结构，从而提高压裂液体系的耐温耐剪切性。这是因为纳米材料具备较强的活化能和较小的尺寸效应，能与瓜尔胶聚合物上的顺式羟基基团在氢键的作用下，形成附着能力极强的交联凝胶结构，以获得更高的交联效率。研究还发现在表面活性剂基泡沫压裂液中纳米材料的加入也能改善压裂液体系性能向AOS(α-烯烃磺酸盐)泡沫压裂液中加入Fe2O3纳米颗粒，发现纳米颗粒的存在使泡沫压裂液体系的半衰期由3h增加为7h，表明混合体系的稳定性优于单一AOS泡沫压裂液体系。通过使用Cryo-SEM、光学显微镜分析了在不同温度下SiO2纳米颗粒稳定黏弹性表面活性剂泡沫的微观特性。发现纳米颗粒的加入能在体系中形成可逆交联结构，使胶束间的缠结更为复杂，导致压裂液体系的表观黏度增加、气泡液膜的机械稳定性得到改善。实验显示在70℃时，含3%EAPB(芥酸酰胺丙基甜菜碱)+1%SiO2的混合体系的排水速率明显低于不含纳米颗粒的泡沫压裂液体系，同时还得到了纳米颗粒的加入能减缓泡沫中气体的扩散速率，进而减缓气泡粗化过程，获得更稳定的泡沫体系

2.2用于井底漏失的纳米复合凝胶

在钻井操作过程中井漏的出现是增加额外的成本的主要原因之一，井漏会导致地层压力难以控制，造成气体或原油的漏失。为了节省钻井成本确保安全钻进，同时避免泥浆漏失，通常以水溶性聚合物、交联剂、溶胀交联颗粒以及胶体粒子等为原料制备堵漏材料来实现对地层的有效封隔。合成了一种新型的有机/无机纳米复合凝胶，该凝胶具备较高的粘弹性和成胶强度以及较好的抗盐性能，通过模拟测试表明该纳米复合凝胶可适用于缝宽较大的裂缝封堵，在泵入天然裂缝或地层空洞中，依然能形成有效的胶结结构。此外，该纳米复合材料的所有组分均可进行干粉预搅拌，随后直接用水勾兑混合搅拌制备封堵材料。通过储层损害评测表明该凝胶能有效降低高渗透层的渗透率，且不会对地层造成过多的损害，证实了采用纳米复合凝胶进行储层保护是切实可行的。此外，展述了一种正在开发的新型聚合物基凝胶，该凝胶在交联前能保持较低的黏度，提升了注料的便利性以适应更为微小的地层孔道，同时交联后具有较高的凝胶强度，但对于井下交联时间的控制和如何诱发交联反应上还有待完善改进。

结语

综上所述，纳米技术目前属于科学的前沿，作为一种新型技术它正逐渐渗透到油田化学领域之中，并且在油田化学剂的设计开发中发挥着十分重要的作用。通过对纳米技术的有效利用，可以开发出一些新技术和带有特殊性能的钻井液，进而对防止井壁坍塌等问题进行有效的解决，同时对井壁稳定进行维护。此外，开发出新型的修井液，修复受损伤的油井，进一步提高油井的产量。

参考文献

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