纳米技术在中原油田的应用和研究(改定稿2)

纳米技术在中原油田的应用和研究中国石油化工股份公司中原油田分公司二零零五年八月目录一、前言二、纳米技术在油田生产中研究及应用情况（一）、纳米粉体复合增注技术研究（二）、纳米材料在封隔器胶筒中应用研究（三）、纳米技术在油田污水处理中的应用研究三、中原油田纳米技术研究的展望（一）、目前正在进行的研究项目（二）、近期将要开展的研究项目（三）、对今后工作的期望一、前言纳米技术是20世纪80年代末刚刚诞生并正在崛起的新科技，它从一诞生就显示了卓越的应用前景，在涂料、电器、纺织、陶瓷以及军事等行业都得到了广泛的应用，纳米材料和纳米技术被认为是21世纪的三大科技之一，它的迅猛发展将在21世纪促使几乎所有的工业领域产生一场革命性的变化。

纳米颗粒是指尺寸为纳米级的超细微粒，它的尺寸大于原子簇，小于通常的微粒。

纳米微粒的粒径在1～100nm之间，是肉眼和一般显微镜看不见的微小粒子.当粒子的尺寸进入纳米量级（1～10nm）时，它表现出了一些特殊的物理效应，如：量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应。

纳米材料所特有的物理效应使得它展现出了许多特有的性质。

纳米材料的一个重要特性是表面效应，随着粒径减少，微粒的表面积急剧变大，当纳米微粒的粒径达到10nm时，比表面积为90m2/g,粒径为5nm时，比表面积为180 m2/g，粒径下降到2nm时，比表面积猛增到450 m2/g。

庞大的比表面积导致表面原子数迅速增加，位于表面的原子占相当大的比例，键态严重失配造成原子配位不足及高的表面能，出现许多活性中心，表面台阶和粗糙度增加，表面出现非化学平衡、非整数配位的化学价，这导致纳米体系的化学性质与化学平衡体系出现很大差别。

石油工业是一个涉及多学科、多领域的技术密集型行业，石油工业的飞速发展依赖于相关技术和材料的突破，在油田开发方面，新材料的应用对推进新工艺技术的发展起着决定性作用。

中原油田是一个高温、高压、深层、低渗非均质油藏，在油田开发的过程中存在着许多矛盾，特别是油田开发中的增注、堵水、水质改造、剩余油开采、分层注水等矛盾特别突出。

油田一直以来都致力于解决这些矛盾以促进油田的高效开发，开发三十年来广大科研人员努力攻关解决了很多矛盾问题，但是随着油田的开发进程新的矛盾也不断出现，这就要求将新的技术和材料应用到生产中去。

中原油田从2000年开始对纳米材料和纳米技术进行了大量的考察和实验工作，并邀请国内的一些纳米方面的专家来油田进行讲座。

2002年成立了石油纳米研究中心，自筹资金进行新材料的应用研究工作。

三年以来通过科研人员的刻苦攻关，以及与国内科研院所的共同合作，纳米技术在油田已经得到了初步的应用并取得了一些科研成果，有些技术已经展现出良好的应用前景。

其中“活性纳米材料改善文东油田注水开发效果先导试验”作为总公司2002年的先导性试验项目已经在现场试验了十口井，通过现场试验表明，在施工成本和施工效果上都要优于俄罗斯的“泡雷希尔”技术。

“纳米材料在胶筒中的应用研究”技术在现场应用了二十二井次、用纳米材料对橡胶改性后，使得封隔器的有效期大大提高。

“纳米技术在油田污水处理中的应用”以及“非润湿单分子纳米驱油剂”的室内研究工作也在积极的开展中，室内实验表明了加入纳米材料后，在各项性能上也大大优于目前的材料，这也显示出了它们良好的应用前景。

中原油田的纳米研究工作毕竟刚刚起步，科研人员一直从事油田开发工作，纳米材料的理论知识还有待提高。

通过这次会议希望各位专家领导能给予一些技术指导，下面简要介绍一下这三年来纳米技术在中原油田的应用情况。

二、纳米技术在油田生产中研究及应用情况(一)、纳米粉体复合增注技术研究1、项目背景该技术最初是从俄罗斯引进的“泡雷希尔技术”，使用的是粒径在10nm 左右的强憎水SiO2粉剂。

当SiO2达到纳米级后，其表面能将会大大提高，位于表面的原子占相当大比例。

由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这些表面原子具有很高的活性，极不稳定，很容易与其他物质结合。

当把纳米SiO2粉体注入地层后可以在岩石孔隙表面牢固吸附，变水湿地层为油湿地层从而达到注水井降压增注的目的。

2001年用“泡雷希尔技术”在中原油田进行四口井的现场试验，应用效果见表1。

表1 泡雷希尔降压增注效果统计通过表1的数据可以看出：文92-113井措施效果明显，而其余三口井的效果不明显。

出现这种情况最主要的原因是施工工艺不完善，文92-113井是对地层进行了酸化，解除掉近井地带的污染后再注入粉体进行增注施工，这样纳米粉体才能在岩石孔隙上吸附，达到降压增注的目的。

而其余三口井未对地层进行预处理而直接注入粉体进行增注施工。

另外，“泡雷希尔技术”是以油基溶剂（柴油等）作为分散剂，仅此一项成本在当时就达到6～7万元。

因此，针对“泡雷希尔技术”成本过高，施工工艺不成熟导致施工有效率比较低等问题，总公司于2002年立项在文东油田进行了先导性试验研究工作。

2、增注机理将纳米SiO2粉体的悬浮液挤入地层后，它将牢固的吸附到亲水砂岩表面上，变水湿地层为强憎水地层，其降压增注机理主要表现在：（1）将吸附在孔隙内表面的水膜赶走,从而有效地扩大孔径；（2）其卓越的憎水性能，大幅度降低注入水在孔隙中的流动阻力，同时避免了水化现象的发生；（3）阻碍泥土颗粒的膨胀和扩散。

岩石孔道表面的润湿性可用拉普拉斯方程来表示：P K=2σcosθ/R式中：P K-毛管压力σ-表面张力系数θ-润湿角R-孔隙半径由于表面的憎水性，润湿角变得大于90°，结果cosθ具有负值。

也就是说，毛管力的降低使得松散粘合水非常容易地被驱替出来。

此外，储层中粘土颗粒的憎水化降低了水化膜的厚度，从而增加了岩石通道的有效尺寸。

通过下面图1的油水两相相对渗流曲线我们能够更加清楚和直观的看出：用纳米粉剂对岩心进行处理后，水相相对渗透率大大提高，这也是提高注入水渗流能力的机理了。

图1 两相渗流曲线图中：K ro1,K rw1 是处理后油、水相对渗透率曲线；K ro2,K rw2 是处理前油、水相对渗透率曲线纳米SiO2粉体挤入注水层位后，岩石的许多性质均发生改变，大量室内实验证明纳米SiO2粉体在地层中的微观作用机理主要表现在以下几个方面：相对渗透率的变化、润湿性改变、毛细管自发渗吸作用、吸附作用以及界面性质的改变等。

活性纳米粉体增注是一种物理吸附的结果，与目前国内以化学反应或利用在井底产生高能物质来输通孔道、清除杂物的工艺相比，它不会造成砂粒脱落，从而避免了二次污染问题，因而有明显的技术优势。

此外，对管柱及施工人员无危害性，具有明显的环保优势。

3、室内实验利用“智能岩心梯度仪”在一定温度和压力下，用选定的驱替流体按一定的顺序注入岩心，测定不同阶段压力、排量，计算岩心渗透率，根据岩心渗透率的变化，分析纳米粉剂改善效果。

（1）、纳米粉剂对压力、渗透率及流量影响实验图2 纳米粉剂对压力、渗透率及流量影响曲线从图中的3组变化曲线可以看出，当岩心经过纳米粉剂处理后，驱替压力明显下降，渗透率明显上升，流量也呈上升趋势。

由此可以分析纳米粉剂吸附于岩心孔隙表面后将吸附在孔隙内的表面水膜赶走，从而有效地扩大孔径，具有明显地降压增注效果。

1025＃渗透率变化曲线00.20.40.60.811.21.41.651015202530PVaK i /K1025＃流量变化曲线00.020.040.060.080.10.1251015202530PV流量1025＃压力变化曲线051015202551015202530PV P1（2）、纳米粉剂最佳吸附环境吸附强度实验图3 纳米粉剂最佳吸附环境实验曲线备注：1#岩心：正驱3％氯化铵—－正驱1‰水基纳米粉剂—－正驱3％氯化铵—－反驱3％氯化铵2#岩心：正驱3％氯化铵—－正驱12％盐酸—－正驱1‰水基纳米粉剂—－正驱3％氯化铵—－反驱3％氯化铵3#岩心：正驱3％氯化铵—－正驱8％氢氧化钠—－正驱1‰水基纳米粉剂—－正驱3％氯化铵—－反驱3％氯化铵4#岩心：正驱3％氯化铵—－正驱8％氢氧化钠—－正驱12％盐酸—－正驱1‰水基纳米粉剂—－正驱3％氯化铵—－反驱3％氯化铵从图3中可以看出：1＃岩心未经过除油，除盐，纳米粉剂在有油膜的孔隙上吸附能力很差，吸附强度小。

而经过除油，除垢处理后的2＃、3＃、4＃岩心纳米粉剂的吸附能力大大提高，使得岩心的渗透率也有很大的改善。

这也充分说明了纳米粉剂主要是在岩心的原油脱落区上吸附。

12345102030405060708090100PVK i /K o（3）、纳米复合增注与酸化增注对比实验图4 纳米复合增注与酸化增注对比曲线备注：1#岩心：正驱3％氯化铵—正驱8％氢氧化钠—正驱酸液—驱3％氯化铵2#岩心：正驱3％氯化铵—正驱8％氢氧化钠—正驱酸液—正驱1‰水基纳米粉剂—正驱3％氯化铵通过图4可以看出：1＃岩心渗透率的改善仅仅是由于酸、碱的作用所造成的。

2＃岩心注入纳米粉剂后在酸、碱作用的基础上进一步提高了岩心的渗透率。

4、现场试验经过长期大量的室内实验后，2002年在文留油田开始使用该技术，对W215-6、W203-43、W13-281、W92-19、W13-310、WC15-48等六口井。

2003年对W13-325、W203-48、W3827、WC65-43等四口井进行降压增注试验，效果统计见下表2。

从统计结果可以看出，所施工的十口井都有不同程度的降压增注效果。

特别是WC15-48和13-281井降压增注效果明显。

其中W215-6井是四次酸化都无效的井，经采用该技术解堵后，注水压力下降5.0MPa，注水量每天增加60m3。

措施后十口井平均压力下降5.0MPa，表2 纳米粉体降压增注效果统计5、小结通过大量的室内及现场是试验表明，纳米材料在油田增注上的应用前景是十分广阔的，但是也存在着以下需要改进的地方：（1）、分散剂由油基改为水基后措施成本大幅度降低但是相对于普通酸化而言，措施成本仍显过高。

（2）、由于纳米粉体的高活性，如何保存也是亟待解决的问题。

（3）、继续寻求廉价、高效的分散剂也是今后要做的研究工作。

(二)、纳米材料在封隔器胶筒中应用研究1、项目背景中原文东油田是异常高温高压油藏，对分注工具的耐温、耐压、耐持久性能要求很高。

几年来收工具性能等方面原因分注工作一直没有进展。

封隔器胶筒的耐温耐压达不到要求也是原因之一。

因为在这样高的温度下，各种橡胶的拉伸结晶特性事实上已经消失，常温下表现的高强度特性不复存在，高温下的强度也大概是常温强度的25%。

如此低的强度无法满足高压密封需要，因此选择耐温性能更好的橡胶材料有效提高橡胶材料的高温强度、抵抗老化的能力是提高胶筒性能的关键。

近年来，纳米材料、纳米技术的出现和应用为橡胶性能的提高提供了支撑。