基于木炭的纳米流体的特性与应用在提高采收率（EOR）中的研究

《Journal of Molecular Liquids》：Characterisation and application of charcoal-based nanofluids in enhanced oil recovery (EOR)

松木炭基纳米流体作为碳捕获、利用与封存新途径，通过湿法球磨制备并测试其增稠性能与EOR效果。研究发现0.125 wt%松木炭纳米流体（2.3 mPa·s）可实现51.4%原油采收率，其高孔隙结构（107 m2/g）和表面官能团增强流体黏度，稳定性达6个月以上，证实环保经济可行性。

　　这项研究聚焦于一种新型的碳捕集、利用与封存（CCUS）方法，即基于木炭的纳米流体在提高原油采收率（EOR）中的应用。研究发现，这种纳米流体不仅能够有效增强流体的粘度，还能显著改善原油采收率，从而为实现更加环保和可持续的油气开发提供了一种可能的解决方案。在当前全球能源需求不断上升的背景下，如何在不牺牲技术性能的前提下减少对环境的影响，成为石油和天然气行业亟需解决的问题。基于这一背景，研究团队选取了特定的木炭材料，如松木炭（PWC）和椰壳活性炭（CSAC），以评估其在EOR中的应用潜力。

研究发现，纳米颗粒的微孔结构使其在增强基础流体粘度方面优于非多孔颗粒。这种特性使得纳米流体在油气储层中表现出优异的流动性与粘度增强能力，从而能够更有效地驱替残余油。具体而言，实验中选用的松木炭具有显著的比表面积（107 m2/g），并且在水性悬浮液中表现出良好的粘度增强效果。实验结果显示，当纳米颗粒浓度达到约0.125 wt%时，纳米流体的粘度为2.3 mPa·s，此时能够实现51.4%的残余油采收率，这在当前的EOR技术中具有重要意义。同时，实验还表明，这种纳米流体在常温下表现出良好的稳定性，且其成本低廉、可再生，因此具有广泛的工程应用前景。

在实验方法上，研究团队采用了多种分析手段来评估纳米流体的性能。首先，他们对松木炭和椰壳活性炭进行了近似分析与元素组成分析，以确定其化学结构和表面化学特性。分析结果显示，两种材料的碳含量较高，分别为90.12%和83.19%，而氧含量则分别为5.15%和10.10%。此外，PWC的灰分含量较低（1.87 wt%），而CSAC的灰分含量较高（5.57 wt%）。这些差异直接影响了它们的表面电荷特性与粘度表现。通过红外光谱分析，研究团队进一步确认了两种材料的化学结构差异。PWC的红外光谱显示出多个明显的振动峰，这可能与其中含有的羧酸或酚羟基、烷烃基团以及含氧官能团有关。相比之下，CSAC的红外光谱则显示出较弱的振动峰，这与其在高温活化过程中去除大部分含氧官能团、形成主要由石墨结构构成的表面有关。

在评估纳米流体的稳定性时，研究团队通过测定其pH值在零电荷点（PZC）的特性来判断其在不同环境下的行为。实验发现，PWC的PZC位于pH 2.3，属于强酸性范围，而CSAC的PZC位于pH 8.5，属于强碱性范围。这一结果表明，PWC在较低pH条件下更容易吸附阳离子，而CSAC则在较高pH条件下更容易吸附阴离子。这种表面电荷特性对纳米流体的稳定性具有重要影响，同时也决定了其在储层中的行为表现。例如，PWC在pH 7条件下表现出更小的颗粒尺寸和更稳定的流体特性，而CSAC在pH 1和pH 11时则显示出较大的颗粒尺寸和不同的粘度表现。研究团队通过调整pH值，成功地控制了纳米颗粒的聚集状态，从而优化了纳米流体的性能。

在纳米流体的制备过程中，研究团队采用了湿式珠磨法，将松木炭和椰壳活性炭分别制备成纳米流体。实验中，通过动态光散射（DLS）技术对纳米颗粒的尺寸和分布进行了详细分析。结果显示，当pH值远离PZC时，纳米颗粒的聚集程度显著降低，颗粒尺寸也趋于更小。例如，在pH 7条件下，PWC的纳米颗粒尺寸约为155 nm，而CSAC的纳米颗粒尺寸则在pH 1时为459 nm，在pH 11时为415 nm。这种尺寸变化对纳米流体的粘度表现具有重要影响。研究团队进一步测量了不同浓度下的粘度变化，发现PWC纳米流体在0.125 wt%时表现出的粘度（2.3 mPa·s）比硅基纳米流体（1.8 mPa·s）更高，而其EOR性能也更优，达到25.1%的OOIP采收率，显著高于硅基纳米流体的11.5%。

在EOR性能测试中，研究团队使用了沙石填充的岩心模型，模拟实际储层环境。通过分段注入纳米流体并随后进行水驱实验，他们发现PWC纳米流体在0.125 wt%浓度下表现最佳，能够实现较高的残余油采收率。同时，CSAC纳米流体在2.5 wt%浓度下也表现出优异的EOR性能，其采收率达到14.6%，显著优于硅基纳米流体。然而，高浓度的纳米流体（如0.5 wt%的PWC纳米流体）由于其较高的粘度（4.5 mPa·s），导致流体渗透性下降，影响了采收效率。因此，研究团队建议在实际应用中，根据储层的具体条件调整纳米流体的浓度和pH值，以达到最佳的EOR效果。

此外，研究团队还对纳米流体的流变特性进行了分析，发现PWC纳米流体在低剪切速率下表现出较高的粘度，而在高剪切速率下则呈现出剪切稀化行为。这种流变特性对于EOR操作至关重要，因为它允许纳米流体在低剪切条件下保持较高的粘度，从而有效驱替残余油，而在高剪切条件下则能够降低粘度，减少注入压力并避免储层损伤。实验还表明，纳米流体的粘度增强与其微孔结构和表面化学特性密切相关，这为未来进一步优化纳米流体性能提供了理论依据。

在实际应用中，纳米流体的稳定性是其能否成功用于EOR的关键因素之一。研究团队发现，PWC纳米流体在常温下能够保持稳定超过6个月，而无需添加额外的稳定剂，这表明其具有良好的工程可行性。相比之下，CSAC纳米流体虽然在某些条件下表现出较高的粘度和EOR性能，但在高浓度时容易发生聚集，导致流体渗透性下降。因此，在实际操作中，需要根据储层的孔隙结构和渗透性调整纳米流体的浓度，以避免堵塞并确保其高效驱油。

这项研究不仅揭示了基于木炭的纳米流体在EOR中的潜力，还为碳捕集、利用与封存（CCUS）技术提供了一种新的思路。通过将纳米流体作为驱油流体，不仅可以提高原油采收率，还能实现碳负排放，有助于缓解全球变暖问题。研究团队指出，这种技术具有成本低廉、可再生以及环境友好的特点，有望成为未来油气开发中的一种可持续解决方案。同时，研究还强调了纳米颗粒的尺寸、浓度以及表面化学特性对EOR性能的影响，为后续的材料选择和流体设计提供了重要的参考依据。

总体而言，这项研究通过系统性的实验和分析，验证了基于木炭的纳米流体在提高原油采收率中的应用潜力。其结果表明，松木炭纳米流体在优化浓度和pH条件下能够实现显著的粘度增强和残余油采收率提升，而椰壳活性炭纳米流体则在特定条件下表现出较高的EOR效率。这些发现不仅拓展了纳米流体在EOR领域的应用范围，还为实现更加环保和高效的油气开发提供了新的技术路径。未来，研究团队建议进一步探索纳米流体在不同储层条件下的应用，并结合微观可视化技术进一步验证其在储层中的行为机制，以推动这一技术在实际工程中的应用。