赋能纳米碳提高原油采收率研究进展.pdf

1958西南石油大学学报（自然科学版）2024 年 2 月 第 46 卷 第 1 期Journal of Southwest Petroleum University（Science&Technology Edition）Vol.46 No.1 Feb.2024DOI：10.11885/j.issn.1674 5086.2022.06.13.02文章编号：1674 5086（2024）01 0064 12中图分类号：TE34文献标志码：A赋能纳米碳提高原油采收率研究进展刘 锐1，2*，陈泽洲2，高 石3，蒲万芬1，2，4，杜代军21.油气藏地质及开发工程全国重点实验室 西南石油大学，四川 成都 610500；2.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川 成都 610500；3.中国石油大港油田分公司采油工艺研究院，天津 滨海新区 300280；4.俄罗斯喀山联邦大学石油工程学院，俄罗斯 喀山 420008摘要：赋能纳米碳由于高横纵比和两亲化结构，体现出表面活性剂、分子薄膜、胶体、液晶分子和聚合物的多面特性，在纳米化学提高原油采收率领域独具优势和应用潜力。调研总结了一维碳纳米管、二维石墨烯等纳米碳结构和性质的共性与特性，全面归纳了纳米碳的起源、制备方法与赋能路径；提出了油藏高温、高矿化度条件纳米碳的精细调控赋能策略，剖析了赋能纳米碳在水 油和水 岩石界面吸附和组装机制，多维度精细表征手段及信息化物理模拟方法。以水驱油藏波及系数和波及区内驱油效率均低的普遍性问题为导向，基于纳米的分子粒子跨尺度特征和水 油 岩界面效应提炼了赋能纳米碳大幅扩大波及系数和提高驱油效率的协同耦合机制。最后，提出了赋能纳米碳提高原油采收率规模应用存在的问题和低碳、高效的发展路径。关键词：纳米碳；赋能路径；界面自组装；表征；物理模拟；提高原油采收率Research Progress on Functionalization Nanocarbons forEnhanced Oil RecoveryLIU Rui1，2*,CHEN Zezhou2,GAO Shi3,PU Wanfen1，2，4,DU Daijun21.National Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu,Sichuan 610500,China2.Petroleum Engineering School,Southwest Petroleum University,Chengdu,Sichuan 610500,China3.Oil Production Technology Research Institute,Dagang Oilfield Company,PetroChina,Binhai New Area,Tianjin 300280,China4.Department of Petroleum Engineering,Kazan Federal University,Kazan 420008,RussiaAbstract:Owing to their amphiphilic,and high aspect ratio,functionalization nanocarbons display multifaceted properties ofsurfactant,molecular film,colloid,liquid crystal molecule and polymer,stimulating their unique advantages and application po-tential application in enhanced oil recovery.This paper summarizes the common and unique characteristics of the structures andproperties of the nanocarbons composing of 1D carbon nanotube and 2D graphene,the preparation methods,and their function-alization routes.The lipophilic-hydrophilic tailoring modification for nanocarbons on harsh reservoir temperature and salinityis proposed.Guided by the universal problem of low sweep efficiency and low micro-displacement efficiency of water floodingreservoirs,theabsorptionandself-assemblymechanismsoffunctionalizationnanocarbonsatwater/oilandwater/rockinterfacesareanalyzed,andmulti-dimensionalcharacterizationsandinformation-basedphysicalsimulationsof functionalizationnanocar-bons are summarized.Based on the nano-scale molecular and cross-scale characteristics and water/oil/rock interface effects,the coupled enhanced oil recovery mechanisms of functionalization nanocarbons on enhancing sweep volume and improvingdisplacement efficiency are elucidated.The papers ends with a critical and perspective outline on the existing problems in thelarge-scale application of functionalization nanocarbons and their route to the low-carbon cost for enhanced oil recovery.Keywords:nanocarbon;functionalization route;interfacial self-assembly;characterization;physical simulation;enhanced oilrecovery网络出版地址：http：/ 锐，陈泽洲，高 石，等.赋能纳米碳提高原油采收率研究进展J.西南石油大学学报（自然科学版），2024，46（1）：64 75.LIU Rui,CHEN Zezhou,GAO Shi,et al.Research Progress on Functionalization Nanocarbons for Enhanced Oil RecoveryJ.Journal of SouthwestPetroleum University(Science&Technology Edition),2024,46(1):6475.*收稿日期：2022 06 13网络出版时间：2024 01 17通信作者：刘 锐，E-mail：基金项目：国家自然科学基金（42172347，U19B2010，51904255）第 1 期刘 锐，等：赋能纳米碳提高原油采收率研究进展65引言中国常规原油资源量达 765108t，水驱油藏是常规原油开发的绝对主战场，产量占全国原油年产量的 80%以上1。然而，受水油黏度差异大、流度比高及非均质性等因素的影响，水驱前缘极易形成黏性指进和舌进，波及体积（系数）低2 3；同时，水 油和油 岩石界面能大，水波及区内驱油效率也低4 8。以上两方面导致水驱油藏的采收率仅 30%左右，大量原油未采出。因此，大幅提高水驱波及体积及波及区内的驱油效率是永恒的主题，探索和研究大幅度提高原油采收率的新理论、新技术和新材料具有十分重要的理论意义和广阔的应用前景。纳米颗粒是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度（1100 nm）的材料，由于独特的量子效应、小尺寸效应和表面效应9 11，纳米科技有望推动提高采收率理论与技术重构，形成颠覆性创新技术。纳米碳表现出纳米颗粒的共性，也呈现出轻质、高机械强度和弹性的特性12 13，在纳米化学提高原油采收率领域极具潜力，相关研究和报道日益活跃14 17。然而，纳米碳强疏水，在油藏应用的关键前提是表面修饰赋予纳米碳在复杂油藏环境的稳定性及油藏尺度的波及和驱替能力。因此，本文综述了纳米碳的制备、赋能化改性策略及赋能纳米碳的界面性质、分子粒子跨尺度表征手段、物理模拟方法的最新研究进展，总结了基于纳米尺度、纳米跨尺度和纳米颗粒水 油 岩石面耦合效应的赋能纳米碳提高采收率机制，并指出赋能纳米碳提高原油采收率的发展方向和应用前景。1 纳米碳的制备及两亲化赋能1）纳米碳的制备纳米碳包括零维富勒烯（C60）、一维碳纳米管和二维石墨烯等低维纳米材料18。1985 年，Kroto等19首次发现并提取了 C60，C60在氦气中采用克级富勒烯方法蒸发石墨制备，工业化的年产量达吨级。碳纳米管在 1991 年被 Iijima 发现，制备方法类似 Kratschmer 法和 Hummers 法，产率可达30%20。碳纳米管可被理解为“柱状的富勒烯”，直径为几纳米。根据堆叠性质，碳纳米管可分为单壁碳纳米管（Single Walled Carbon Nano Tube,SWCNT）和多壁碳纳米管（Multi Walled Carbon Na-notubes,MWCNT）。碳纳米管的“难加工性”使产物中 SWCNT 和 MWCNT 同时生成21 22。石墨烯是由碳原子紧密堆积构成的原子级厚度的二维石墨薄片，是包括富勒烯、碳纳米管和石墨在内的 sp2杂化碳材料的基本结构单元23。石墨烯是人类已知的密度最低、韧性最好、强度最高、导电性最佳的材料。Novoselov 等24首次通过透明胶带的“撕胶法”机械剥离石墨得到单层和 23 层石墨烯。石墨烯的优异性质引起了学术界和产业界的广泛关注。纳米碳的制备策略可以分为两大类，即“自上而下”制备策略和“自下而上”制备策略（表 125 37）。“自上而下”的制备策略是对石墨化的碳材料进行物理（机械、磁化）、化学、物理化学和电化学剥离而得到纳米碳的制备方法。“自下而上”的制备策略是利用含碳元素的小分子合成纳米碳的过程。“自上而下”和“自下而上”的制备策略获得的纳米碳在形貌、厚度、尺寸和纯度方面均有各自的特点，针对应用对象需选择特定的制备策略保证纳米碳的制备和应用经济、高效。2）纳米碳的两亲化赋能由于产量低、成本高、价格昂贵，C60及其衍生物在提高原油采收率领域未见报道。碳纳米管和石墨烯天然疏水、高比表面积、高表面能导致它们在油藏温度、矿化度环境聚集、沉降。共价键或非共价键的两亲（亲油和亲水）化改性，为纳米碳在油藏环境稳定性及赋能化驱油提供了行之有效的途径。（1）纳米碳的共价键赋能有机（无机）分子（原子）氧化或还原纳米碳是纳米碳共价键两亲化赋能的主要途径38 39。纳米碳在硫酸和高锰酸钾等强氧化介质作用下可以廉价规模化制备氧化纳米碳（Graphene Oxide，GO）。Luo等40采用烷基胺改性氧化石墨烯，制备了两亲化赋能 GO，与 GO 相比，两亲化赋能 GO 水溶液在室内环境耐盐性能增强。欧霄巍41采用三氨丙基三甲基硅烷分别与 GO 上的羟基及环氧交替共价成键，得到层层自组装（Layer By Layer,LBL）多层膜。其他纳米材料的化学改性方法也为纳米碳的改性提供参考和借鉴。例如，Yin 等42以聚丙烯酰胺微球为模板，依次吸附三烷氧基硅烷的亲水和疏水基团，然后超声剥离聚丙烯酰胺微球得到驱油用两亲化Janus 硅基纳米片。与纳米碳相比，共价键赋能产生局部 sp3杂化碳原子减少了碳原子 sp2杂化产生66西南石油大学学报（自然科学版）2024 年的 堆积效应，提高了纳米碳在水中的分散和稳定性12；同时，功能基团与纳米碳的含氧官能团（羧基、羟基等）的共价键反应，有利无机（有机）分子在其表面生长，从而将特定功能的基团锚定到纳米碳优异的理化性能表面，制备出结构和性能丰富的赋能纳米碳。表 1纳米碳的制备策略Tab.1Synthesis routes of nanocarbonsWXYZWXWX_a&PbcdefghijkNO -22?23lPnP、pqrbs、tuv,wvx3,4NO -26?27lPyP、zpqNO|t,?u、?t()=?NO 28?vWX、uvt,=?vr、?tfihg?E?29lP，?q_?W、?d?,bs?,4?30lPnP,?q?qbsr、uvt,?t、w0 x?!-31?32nP，?q?r,wvx、?O3?333 34-lPnP,?qpquvt,wvx、j?u3j?ZXY654321R!#$%&(Cu)*5 m2L1L0.34 nmHNOH?SO3243、KCIO+,-./0-.10.34nm0.71nm-.-.1-.23,4BF4-,4NO 25nPyP、zpqwvt、?x,d?a?u,P“?W-.5675689:;=NO 24lPyP、pqzpqtuv、x?,w|x、?O-.1-.=?9:()NMPABCDEFEGHIJFKCKLMK1 m1 mNOPRR RRRR RRPhnRRRRR=QRSNi G-GF PMMA-CH42HAr1000SUVFeCl3HCl第 1 期刘 锐，等：赋能纳米碳提高原油采收率研究进展67（2）纳米碳的非共价键赋能纳米碳与其他物质之间的超分子交互作用是纳米碳非共价键赋能化的常用途径。Liu 等22，43报道了阴离子型十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠及非离子型三硝基甲苯来延缓碳纳米管的高度团聚，进而形成稳定的单壁碳纳米管胶状悬浮液。Moore 等44研究了阴离子、阳离子和非离子表面活性剂及聚合物水溶液对纳米碳的悬浮和稳定性能。Elyaderani 等17研究了羧基化碳纳米管（MWCNT-COOH）在室温环境不同 NaCl 质量分数下的稳定性，表明质量分数 0.1%的 MWCNT-COOH 在质量分数 1.00%的 NaCl 溶液中聚集、沉降，加入质量分数 0.05%的聚合物后，能在质量分数 3.00%的NaCl 溶液中稳定 10 d 以上。目前，普遍认可的机制是表面活性剂在水溶液中分散、稳定纳米碳主要是通过疏水（亲水）作用，即表面活性剂的疏水基团吸附在纳米碳上而亲水基团与水分子结合；聚合物则通过亲水官能团增强空间的稳定性来分散、稳定纳米碳。非共价键赋能的纳米碳保证了纳米碳的原始性能，不妨碍或者非常微弱地妨碍纳米碳上的 电子体系，从而保护了纳米碳的 共轭。化学合成和超分子化学的赋能化改性提高了纳米碳在水中分散性和稳定性，但在油藏环境下的稳定性需精细调控纳米碳的亲油亲水平衡。2 赋能纳米碳的界面吸附与组装1）赋能纳米碳在水 油界面吸附与组装赋能碳纳米管的内径几纳米，长度可达几十微米；赋能石墨烯的片层厚度几纳米，平面延展可达几毫米；赋能纳米碳既拥有 sp2碳原子所构成的六元环蜂窝结构，又具备 sp3杂化碳原子与其他原子（Si、N、S 和 H 等）封端的氧原子形成丰富的亲水官能团。由于高的横纵比和两亲化结构，赋能纳米碳能够在特定的界面进行组装，表现为表面活性剂、分子薄膜、胶体、液晶分子和聚合物的多面特性（图 1）12，45 49。提高原油采收率用赋能纳米碳的界面性质主要体现为赋能纳米碳在水 油、水 岩石的界面性质。赋能纳米碳和其他两亲表面修饰的纳米颗粒一样，具有较大的比表面积和亲油亲水的特征。类似表面活性剂分子在水 油界面自发紧密排列，亲水端朝向水相、亲油部分面向油相，降低水 油界面能（界面张力），体系熵增加，整个过程表现为自发行为。纳米颗粒从本体相扩散（迁移）到界面的速率与密度紧密相关，因此，轻质的赋能纳米碳以较快的速率扩散（迁移）到界面，实现从纳米分散液到宏观尺度纳米阵列的液晶。Luo 等40对两亲 Janus 石墨烯在油相水相不同界面的扩散行为研究表明，两亲 Janus 石墨烯从油相滴入还是从水相滴入，最终都会在油水界面富集。吴伟鹏等50研究表明其他赋能二维纳米片（2D 纳米黑卡）有同样的界面吸附、富集特性。赋能纳米碳在水 油界面发生吸附后的另一个有趣现象是作为胶体在剪切诱导纳米碳进一步形成 Pickering 乳化液。由于纳米颗粒在界面的吸附能是表面活性剂的几千倍及以上，在流体界面上的吸附几乎是不可逆的51，这突破了传统乳化剂（表面活性剂）形成乳化液不可避免的Ostwald 成熟（相变）瓶颈，进而能够形成和稳定高内相 Pickering 乳化液。赋能纳米碳形成 Pickering乳化液的类型表现为纳米颗粒的共性，偏亲油的本征润湿表面（润湿接触角 90）形成油包水乳化液，偏水湿的本征润湿表面（润湿接触角 90）形成水包油乳化液52，中性的本征润湿表面（润湿接触角=90）形成油水交互的双连续相乳化液凝胶53，Pickering 乳化液显著高于乳化液体系的体相黏度。；%&、(&)*+,-./0,123456；:;=:;%&、(&?A:B。COOHCOOHCOOHCOOHCOOHOH OH OH OHHO HO HO HODEFGHDEIJKLLine 2Line 11000nmHoight/nm8400150300Distance/nm1000 m图 1赋能纳米碳的多面特性Fig.1The multiple faces of functionalization nanocarbons2）赋能纳米碳在水 岩石界面的吸附和润湿纳米颗粒在水 岩石界面吸附的驱动力主要是因为纳米颗粒的表面活性，涉及岩石表面与纳米颗粒的作用力包括静电、氢键、疏水和 共轭等非共价作用力。研究表明，纳米颗粒主要吸附68西南石油大学学报（自然科学版）2024 年在岩石的黏土矿物（蒙脱石、伊利石和高岭石等）表面54 55，几乎不在石英表面吸附，这与表面活性剂在岩石表面的吸附行为完全不同。吸附后岩石表面的润湿性受纳米颗粒本征润湿性和纳米颗粒的几何形貌的影响。润湿行为的研究一般都基于著名的杨氏方程56及粗糙表面的修正模型57。杨氏方程假设液滴在固相界面，液滴与固相接触线处的界面膜厚度几乎为零，并且液滴轮廓始终不发生变形58。由于纳米尺度，纳米颗粒在岩石表面的润湿现象与上述假说矛盾，使得纳米流体在固相表面的润湿现象不适合杨氏方程描述，已有的研究进行了较充分的论证。Nosonovsky 等59 60提出了微（纳）米尺度形貌的复合界面稳定性假说，并通过实验和计算证明了固体表面凸起部分若为微米和纳米尺度互穿的粗糙面，能有效改变固体表面的润湿性，甚至形成“双疏”（疏水、疏油）的固体表面。由于石墨是以石墨烯的方式相互层叠，层间距离为 0.34 nm，没有化学键连接，仅存在范德华力保持石墨的层状堆垛结构，原子层可以轻松地滑动23。这样的结构赋予纳米碳和赋能纳米碳优异的润滑和减阻效应，呈现分子薄膜特征，这是非碳基纳米颗粒不具有的特性。因此，笔者推测赋能纳米碳在水 岩石界面的吸附和润湿既有纳米颗粒的共性，也表现为个性。3 赋能纳米碳的多维表征赋能纳米碳的表征包括本体形态和结构、分散液的物理化学性质及界面性质的表征。显微镜成像是表征本体物形态和水溶液微观结构的最直接技术：原子力显微镜的微小探针“搜索”本体物的形貌、高低（厚度）和大小（尺寸）；扫描隧道显微镜在原子、分子维度观察本体物形成二维有序网络结构；环境扫描电镜和冷冻透射电子显微镜在冷冻干燥状态“扫描”溶液的二维网络形貌。波谱技术表征化学结构，主要包括：高场核磁共振、衰减全反射红外光谱、拉曼光谱与 X 射线光电子能谱等。瓶试法进行宏观相行为是分析溶液热 盐稳定性的常规手段。赋能纳米碳对岩石润湿性改变通过接触角分析仪来表征，借助紫外可见分光光度计可量化在岩石表面吸附量。赋能纳米碳在水 油超分子组装体的表征需借助更特殊和更具表面敏感的液 液接触分析技术。旋转滴界面张力仪通过表征油水界面自由能的变化，计算赋能纳米碳对油 水界面张力的降低；赋能纳米碳在水 油界面组装膜的稳定性直接反映是机械强度的大小61，常用界面流变技术（如剪切法、扩张法等）间接反映；LB 膜槽通过溶剂“呼吸”法表征压缩扩张循环过程中多层膜的机械强度与稳定性62；石英晶体微天平通过处理后的芯片和流动相模拟水 油界面，可得到纳米级别界面膜厚度63。小角度中子散射通过拟合中子散射曲线得到界面膜厚度，可直接测定赋能纳米碳在水 油界面组装膜厚。赋能纳米碳在岩石表面的润湿性可通过接触角分析仪来表征。上述表征技术也适用其他类型纳米颗粒的表征。在实际研究中常需要结合各维度的表征方法研究纳米颗粒的结构、尺度、分散液物理化学性质和水 油 岩石界面特性。4 赋能纳米碳驱油的信息化物理模拟赋能纳米碳在水 油、水 岩石界面性质不能完全体现储层孔隙中赋能纳米碳的驱替特征。化学驱的物理模拟方法为纳米化学的物理模拟提供重要借鉴：1）使用 T 型或束状毛细管研究纳米颗粒在不同形态孔隙喉道中的流动、原位 Pickering 乳化液的形成；2）以真实岩芯孔隙拓扑结构为原型制作微流控模型64；3）使用填砂管、天然或人造岩芯模拟纳米颗粒在孔隙中的驱油；4）岩芯驱替与微流控模型相结合研究纳米颗粒界面效应和驱油特征65。对于可视化的模型，采用显微镜和高清摄像可实时监控赋能纳米碳水溶液及其原位乳化液在孔隙结构中的流动、油水饱和度分布66。对无法直接观察或摄像的填砂管或岩芯，采用 X 射线断层扫描（ComputedTomography，CT）67或核磁共振（Nuclear MagneticResonance，NMR）68等数字成像技术，在三维孔隙尺度水平研究纳米颗粒的流动、驱替特征、乳化液的原位形成及大小、油水饱和度场分布及润湿性变化。目前常规的微流控模型定量化分析效果较差；填砂管或岩芯模拟可以实现长尺度物理模拟，但无法描述油水饱和度分布和润湿性的微观变化；CT 和NMR 测试可实现驱替过程的成像和定量化表征，但耗时较长。根据研究目的，需综合应用以上实验手段实现对纳米颗粒物理模拟的信息化表征。第 1 期刘 锐，等：赋能纳米碳提高原油采收率研究进展695 赋能纳米碳提高原油采收率机理化学驱提高原油采收率的重要理论基础是提高波及系数及提高波及区内的驱油效率。油藏水驱后，原油分为剩余油和残余油两大类。剩余油是由于储层非均质性和不利水 油流度比，水驱过程中未波及的原油；残余油是水波及的区域没有被驱替出来的原油69。已有的研究成果均表明，赋能纳米碳在提高原油采收率发挥了微量且显著的效果。例如，Khoramian 等70研究表明，与水驱相比 0.04%的氧化石墨烯分散液可提高碳酸盐岩岩芯采收率28%；质量分数 0.01%及以下纳米驱油剂的驱油效率通常低于 5.0%，Luo 等71通过物理模拟研究表明，采出液超高含水（98%）状态，相同浓度的烷基化氧化石墨烯在砂岩岩芯的驱油效率达 15.2%，是普通纳米驱油剂驱油效率的 3 倍。当前纳米化学驱的研究主要聚焦纳米颗粒的小尺度效应和液 固界面效应衍生的驱油机理，基于纳米颗粒的分子、粒子跨尺度特征和水 油 岩石界面效应的提高采收率机制缺乏引领性认识。在聚类和聚焦国内外学者对纳米化学驱油机理的综述和学术研究成果基础上，结合纳米尺度、纳米跨尺度和纳米碳在水 油和水 岩石界面耦合效应，归纳总结赋能纳米碳潜在的提高采收率机制（图 2）。!#$#%&(&%&(&Pickering)*+,-./0123$4567)*+89图 2赋能纳米碳提高采收率示意图Fig.2The schematic diagram of functionalizationnanocarbon for enhanced oil recovery1）扩大波及系数水驱油藏的波及系数对采收率的贡献率可达70%，驱油效率的贡献率为 40%左右。扩大波及系数是提高原油采收率的最重要前提和基础。赋能纳米碳在中高渗储层扩大平面波及系数的机理为，赋能纳米碳在水 油界面聚集形成界面膜72 73，黏弹性的界面膜原位控制水相流度，在地层剪切诱导下纳米颗粒进一步与油、水形成 Pickering 乳化液，实现智能找油和自主驱油74 76。Elyaderani等17研究表明，0.1%质量分数的聚合物 MWCNT-COOH 在含水 50%条件下，普通稠油（室内环境，黏度 355 mPas）乳化形成黏度是原油黏度 1.11.7 倍，具有优异的流度控制能力 Pickering 乳化液。Liu 等研究了两亲赋能的氧化石墨烯（GOC）在储层含水率 80%（剩余或残余油饱和度 20%）诱导油水形成黏度是普通稠油黏度 2.1 倍的增黏性 Pickering 乳化液77。乳化液通过孔隙喉道产生的 Jamin 效应也有助水驱波及系数的扩大。此外，二维纳米颗粒注入油藏后在离散化的油水界面能形成稳定的吸附层，并可聚集微油滴，进入稠油内部破坏胶质、沥青质分子缠绕结构，降低稠油的黏度。纳米颗粒在低超低渗透储层扩大波及系数的主要机制是“降压增注”和降低水分子“氢键缔合尺寸”。基于纳米点阵滑移效应，顾春元等78认为，纳米颗粒在岩石表面的纳米吸附层改变了岩石表面的亲油亲水性质，形成水流滑移层；计算表明，纳米二氧化硅在岩石表面吸附形成的滑移长度在 100 nm 以上，从而深化了疏水滑移效应理论，揭示了纳米颗粒降压增注机理。张磊等9，79认为水介质中加入可均匀分散的纳米颗粒，减弱水分子间的氢键缔合作用，将单个水分子的键角变小，有效减小低超低渗透储层的启动压力，因此，尺寸变小的水分子更易进入孔喉尺寸更小的通道，进一步丰富和发展了纳米颗粒扩大波及系数理论。纳米颗粒在水 油界面组装构建的微米毫米跨尺度乳化液能封堵高含水优势通道，调控储层渗透率的非均质性。与传统表面活性稳定的乳化液相比，纳米颗粒形成的 Pickering 乳化液的稳定性极大提高，这是因为纳米颗粒在油水界面形成的空间壁垒远远大于表面活性剂，从而阻止了乳化液滴之间的聚并80 82。纳米颗粒最显著特征之一是形成和稳定超高水内相（含水率 85%）的乳化液，中性润湿的纳米颗粒甚至形成油水交互的双连续相乳化液凝胶。高含水内相的 Pickering 乳化液和油水交互70西南石油大学学报（自然科学版）2024 年的双连续相乳化液凝胶的黏度是油相黏度的几百上千倍83。非均质岩芯物理模拟表明 Pickering 乳化液能有效调控渗透率非均质性，扩大垂向波及体积，在常规水驱极限采收率的基础上，再提高原油采收率 25%以上84。Cote 等85研究表明，赋能二维纳米碳形成 Pickering 乳化液的粒径可达毫米级别，可以推测这种尺度的 Pickeirng 乳化液将在油藏尺度调控渗透率的非均质性。2）提高驱油效率纳米颗粒的亲油（亲水）部分在油 水界面定向排列，取代了以前的油 水界面，减少两相间的摩擦力，从而降低界面张力86 87；纳米颗粒在油 水 岩石界面处形成楔形膜，改善岩石表面润湿性88，降低油在岩石的黏附功，“楔形结构分离压力”剥离油滴，从而将油膜轻易“卷起”89；纳米颗粒在降低油 水界面张力和改善岩石润湿性的协同作用也表现为毛管力大小和方向的改变，有利油滴通过孔喉，有效“扩散”油滴。Cao 等90 91等研究均表明，两亲赋能氧化石墨烯表现出极强的界面性能，在水 油界面自发形成界面膜降低水 油界面张力至101mN/m 的数量级，同时，将强油湿岩石表面改善为强水湿表面，提高驱油效率。纳米颗粒的“卷起”和“扩散”双重微观驱油是结构分离压力、水 油界面张力降低、岩石润湿性改善三者共同的作用结果。已有的文献一致表明70 71，与其他类型纳米颗粒相比，赋能纳米碳具有更优异的驱油效率。室内驱替实验表明，水驱至高含水率 85%以上，质量分数 0.01%0.02%的赋能纳米碳在水驱的基础上调高驱油效率 15.0%25.0%。与之对比，Ogolo 等报道了 8 种类型的纳米颗粒（偶联剂改性的 SiO2、SnO、Al2O3、MgO、Fe2O3、Ni2O3、ZnO 和 ZrO2）在填砂管中驱油效率，他们获得了 Al2O3纳米颗粒的潜力最大，质量分数 0.30%的 Al2O3纳米颗粒的驱油效率为 5.0%92。6 存在问题与展望虽然纳米碳的主要原料石墨廉价易得，然而，当前赋能纳米碳由分步法制备获得，大规模制备技术仍然是其实际应用的瓶颈，也制约了赋能纳米碳在油田的规模应用。在石墨解离成纳米碳的过程中同时两亲化赋能，赋能纳米碳的“一步法”制备技术是未来发展的重要方向。与其他纳米颗粒一样，纳米碳的高比表面积和强表面效应导致纳米碳聚集93。纳米碳在复杂水质（溶剂）和温度环境长期稳定性的赋能调控方法一直是广大学者关注的重点。物理、化学及物理化学联作的制备策略和改性手段推动纳米碳结构和性能多样，赋予其全油藏尺度波及和驱替的潜力。基于油藏储层流体性质、岩石组成、孔隙空间结构和含水特征，设计纳米碳的尺寸、两亲化赋能纳米碳，实现赋能纳米碳渗透率非均质调控、流度控制、微观驱油赋能纳米碳大幅度提高原油采收率的关键路径。赋能纳米碳降低油 水界面张力和改善岩石润湿性体现了表面活性剂的性质；在油 水 岩石界面处形成楔形膜，对油膜的运移产生“滑移”是分子薄膜的性质；在水 油界面聚集形成黏弹性界面膜体现了液晶分子自组装的性质；在油 水界面组装形成 Pickering 乳化液表现了胶体乳化剂的性质；横纵比高达几千的赋能纳米碳也可认为是一类嵌段共聚物。赋能纳米碳的多面特性激发科研工作者应从多维多视角考量赋能纳米碳的性能和油藏尺度耦合提高采收率的机制。7 结语由于纳米颗粒独特的量子效应、小尺寸效应、表面效应等，纳米驱油有望突破传统化学驱药剂使用“浓度高”、低渗“注不进”和高温高盐油藏“降解、失效”等技术瓶颈，扩大化学驱的油藏覆盖范围，提质增效。纳米驱油已在超低渗、高温高盐等油藏开展了先导性试验，发挥了微量且显著的效果80，94。作为纳米材料的重要成员，赋能纳米碳不但具有纳米颗粒的共性，又独具魅力，集中体现为表面活性剂、分子薄膜、胶体、液晶分子和聚合物的多面特性。例如，Liu 等95报道了 GOC 的微观形貌呈现出聚合物溶液的网络结构，主要是因为 GOC的一段是疏水的石墨烯片，另外一段是亲水的低聚二醇，这样的结构也使 GOC 能增强水相黏度而表现出聚合物溶液的黏弹性。同时，纵向上的纳米尺寸，能够实现低中高渗透油藏的波及；赋能纳米碳在水 油和水 岩石界面吸附和组装的跨尺度效应具有全油藏尺度的驱替潜力。当前的赋能纳米碳由分步法获得，在纳米碳制备过程中同时两亲第 1 期刘 锐，等：赋能纳米碳提高原油采收率研究进展71化赋能，是赋能纳米碳制备技术未来发展的重要方向。基于油藏储层流体性质、岩石组成、孔隙空间结构和含水特征，借助多维表征和信息化模拟技术，发展赋能纳米碳的渗透率非均质调控、流度控制和微观驱油的耦合理论和技术，是实现赋能纳米碳低碳、高效提高原油采收率的关键路径。参考文献1WANG Jianliang,FENG Liangyong,STEVE M,et al.Chinas unconventional oil:A review of its resources andoutlook for long-term productionJ.Energy,2015,82:3142.doi:10.1016/j.energy.2014.12.0422周亚洲，王德民，王志鹏，等.多孔介质中孔喉级别乳状液的形成条件及黏弹性J.石油勘探与开发，2017，44（1）：110 116.doi：10.11698/PED.2017.01.13ZHOU Yazhou,WANG Demin,WANG Zhipeng,et al.The formation and 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