纳米流体和表面活性剂对提高石油采收率的综合效应：一项实验研究

《ACS Omega》：Combined Effects of Nanofluid and Surfactant on Enhanced Oil Recovery: An Experimental Study

本研究通过合成改性SiO2-NPs和MoS2-NSs纳米流体，并与SDS表面活性剂协同作用，系统探究了纳米流体-表面活性剂混合体系对提高原油采收率（EOR）的协同效应。实验表明，纳米材料与表面活性剂的复合体系可显著降低界面张力（至0.24 mN/m）、改善岩石润湿性（接触角增至100°），并在高渗透率岩心（>1 mD）中实现15%以上的增油效率。MoS2-NSs在高温（60°C）和高盐（>3000 mg/L）条件下表现出更优的稳定性和增油效果（5.3%更高采收率），而低渗透岩心（<1 mD）因纳米材料运移受限导致效率下降。

　　本研究围绕纳米流体与表面活性剂协同系统在提高石油采收率（EOR）中的应用展开，重点分析了两种改性纳米材料——硅氧化物纳米颗粒（SiO?–NPs）和二硫化钼纳米片（MoS?–NSs）在不同环境条件下的表现。传统表面活性剂存在稳定性差、吸附损失高以及对盐分和温度的耐受性不足等问题，而纳米材料则因其高比表面积和良好的界面行为表现出独特的优势。因此，将纳米材料与表面活性剂结合，可能是解决EOR技术瓶颈的重要方向。

### 纳米材料的改性与性能优化

研究中采用了两种不同的改性方法。对于SiO?–NPs，使用了KH-560作为硅烷偶联剂，通过在乙醇与去离子水混合液中进行超声分散和搅拌，使偶联剂成功接枝到纳米颗粒表面。这不仅提升了纳米颗粒的亲水性，还增强了其在水中的分散稳定性。而对于MoS?–NSs，研究团队使用了ODA（十八烷基胺）进行表面修饰，通过相似的处理步骤，使纳米片表面形成稳定的疏水性层。这种改性方式有效降低了纳米片在高盐度环境中的吸附损失，并提升了其在高温下的热稳定性。

通过扫描电镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）等手段，研究人员确认了纳米材料表面改性的成功。SiO?–NPs的SEM图像显示其呈现近球形结构，且粒径分布均匀，而MoS?–NSs则呈现出规则的层状结构，表明其表面修饰具有高度的均匀性。FTIR分析进一步揭示了偶联剂与纳米材料之间的化学结合，例如在SiO?–NPs中，2961 cm?1和2930 cm?1处的吸收峰与KH-560分子中的–CH?和–CH?–基团的伸缩振动相关；在MoS?–NSs中，2922 cm?1和2855 cm?1的吸收峰则对应ODA分子中的–CH?和–CH?–基团，同时1479 cm?1的吸收峰与ODA中的C–N键振动有关。这些结果表明，表面修饰不仅改变了纳米材料的表面性质，还提升了其在水溶液中的稳定性。

### 纳米流体的稳定性与界面行为

为了评估纳米流体的稳定性，研究人员通过瓶装法对不同浓度的SiO?–NPs和MoS?–NSs纳米流体进行了观察。结果显示，纳米流体在添加表面活性剂（如SDS）后，其稳定性显著提高。特别是在中等盐度（>3000 mg·L?1阳离子）条件下，MoS?–NSs表现出更强的稳定性，这与其层状结构带来的更大比表面积和更优的界面行为密切相关。此外，纳米流体的稳定性还受到纳米材料浓度的影响。当纳米颗粒浓度较低时，其在水中的分散性较好，而随着浓度的增加，纳米颗粒之间的相互作用增强，导致流体稳定性下降。

为了进一步量化纳米流体的稳定性，研究人员通过Zeta电位测量法分析了纳米颗粒在水溶液中的电荷特性。Zeta电位是衡量纳米颗粒在溶液中稳定性的重要参数，其绝对值大于30 mV的纳米流体被认为具有较好的稳定性。实验发现，当SiO?–NPs与SDS混合时，Zeta电位从原本的负值（未添加SDS时）显著降低，达到–34.3 mV；而MoS?–NSs与SDS混合后的Zeta电位则更低，为–36.2 mV。这表明，SDS的加入增强了纳米颗粒之间的静电排斥作用，从而提升了纳米流体的稳定性。同时，纳米颗粒表面的疏水性链段也起到了一定的空间位阻作用，进一步抑制了纳米颗粒的聚集和沉降。

### 纳米流体对界面张力与润湿性的影响

界面张力（IFT）是影响EOR效率的关键因素之一。实验表明，纳米流体与表面活性剂的协同作用能够显著降低油水界面张力。例如，在60 °C下，纯SDS溶液的IFT为0.5 mN·m?1，而加入SiO?–NPs（1000 mg·L?1）和SDS（300 mg·L?1）的混合纳米流体的IFT降至0.44 mN·m?1，进一步降低了油水界面张力。相比之下，MoS?–NSs与SDS的协同作用更为显著，其IFT仅为0.24 mN·m?1，显示出更强的界面活性。

润湿性改变是提高油采收率的另一个重要机制。润湿性通常通过接触角来表征，接触角越小，说明表面越亲水。实验发现，当纳米流体与SDS共同作用时，接触角显著增加，表明纳米材料和表面活性剂的协同作用能够有效改变岩心表面的润湿性，使其从油湿转变为水湿。这种润湿性改变有助于提高油在岩石孔隙中的驱替效率。在中等盐度条件下，MoS?–NSs的润湿性改善效果优于SiO?–NPs，这与其良好的热稳定性和对阳离子的抗吸附能力有关。

### 纳米流体在不同渗透率岩心中的应用效果

实验还研究了纳米流体在不同渗透率岩心中的驱油效果。对于高渗透率岩心（>1 mD），两种纳米流体均表现出良好的驱油能力，能够实现超过15%的增量采收率。然而，在超低渗透率岩心（<1 mD）中，纳米流体的驱油效率显著下降，主要原因是纳米颗粒的尺寸与孔喉结构不匹配，导致其在孔隙中难以有效扩散和迁移，容易发生聚集和沉积，从而影响驱油效果。此外，纳米颗粒的表面活性和界面行为在低渗透率岩心中的表现受到限制，进一步降低了其驱油效率。

为了克服这一问题，研究人员通过调整纳米颗粒的浓度和表面修饰方式，优化了纳米流体的驱油性能。例如，在高渗透率岩心中，SiO?–NPs的驱油效果最佳，其最大驱油回收率为33.8%；而在中等渗透率岩心中，MoS?–NSs的驱油效果更优，达到38.8%。相比之下，超低渗透率岩心中的驱油回收率显著下降，这表明在低渗透率储层中，纳米颗粒的尺寸和扩散能力需要进一步优化。

### 温度与盐度对纳米流体性能的影响

温度和盐度是影响纳米流体性能的重要环境因素。实验发现，随着温度的升高，纳米流体的界面张力和接触角均呈现下降趋势，表明高温有助于提高纳米材料与表面活性剂的协同效应。同时，高温还促进了纳米颗粒在孔隙中的扩散，提高了驱油效率。然而，高温也加剧了纳米颗粒的布朗运动，可能导致其在溶液中聚集，从而影响流体的稳定性。因此，在高温条件下，合理控制纳米颗粒的浓度和表面修饰方式对于维持纳米流体的稳定性至关重要。

盐度的影响则更加复杂。在低盐度（<3000 mg·L?1阳离子）条件下，纳米流体的润湿性改变效果较差，这可能与阳离子对纳米颗粒表面的吸附作用有关。然而，当盐度超过3000 mg·L?1时，纳米流体的润湿性改善效果显著增强，MoS?–NSs表现出更强的抗盐能力。这表明，在高盐度环境中，MoS?–NSs的表面修饰策略更具优势，能够有效抑制阳离子对纳米材料的吸附，从而保持其界面活性。

### 实验验证与实际应用前景

通过一系列实验，研究人员验证了纳米流体与表面活性剂协同作用在EOR中的有效性。在高渗透率岩心实验中，MoS?–NSs与SDS的混合纳米流体在60 °C下的驱油回收率比SiO?–NPs与SDS的混合纳米流体高出5.3%。这表明，MoS?–NSs在高渗透率储层中具有更优的驱油能力。此外，实验还发现，纳米流体在高温下的驱油效果优于低温条件，这与其增强的界面行为和更高的渗透性有关。

然而，纳米流体的应用仍面临一些挑战。首先，纳米材料的合成和表面修饰过程通常需要较高的能耗和成本，这在大规模应用中可能限制其经济可行性。其次，纳米颗粒在注入储层后，可能因高盐度和高温条件而发生聚集和沉积，导致储层孔隙堵塞，影响驱油效率。因此，未来的研究应关注如何降低纳米材料的合成成本，同时提高其在复杂储层条件下的稳定性。

### 结论与展望

综上所述，本研究系统性地探讨了纳米流体与表面活性剂协同作用在提高石油采收率中的潜力。结果表明，纳米材料的表面修饰能够显著提升其在水中的稳定性，并增强其界面活性。特别是在中等盐度和高温条件下，MoS?–NSs表现出优于SiO?–NPs的润湿性改善和驱油效果。然而，纳米流体在低渗透率储层中的应用仍受到纳米颗粒尺寸与孔喉结构不匹配的限制，因此需要进一步优化纳米材料的尺寸和表面性质。

未来的研究方向应包括：开发更加经济高效的纳米材料合成方法，以降低其生产成本；优化纳米颗粒的表面修饰策略，以提高其在复杂储层条件下的稳定性；探索纳米流体在低渗透率储层中的应用潜力，通过调整纳米颗粒的尺寸和分散性，使其能够有效渗透到微小孔隙中，提高驱油效率。此外，还需进一步研究纳米流体在不同储层条件下的长期行为，以评估其在实际油田中的应用前景。这些研究将为EOR技术的发展提供新的思路和理论基础，推动纳米材料在石油开采领域的广泛应用。