全球能源需求不斷增長(zhǎng)促使工程師開(kāi)創(chuàng)新技術(shù)以提高油藏的原油采收率。本研究使用指甲花提取物作為天然表面活性劑并合成納米顆粒（二氧化鈦（TiO2）、二氧化硅（SiO2）、石墨烯和TiO2-石墨烯的復(fù)合物），以研究二者降低油水界面張力的可行性。研究采用溶膠-凝膠法合成了納米顆粒，并進(jìn)行了XRD、FESEM、EDAX和FTIR測(cè)試，以證實(shí)該合成材料的真實(shí)性。納米表面活性劑與一種名為黃芪膠提取物的天然水性懸浮表面活性劑穩(wěn)定結(jié)合，該表面活性劑能夠很好地替代石油工業(yè)中工業(yè)納米顆粒穩(wěn)定劑。在對(duì)指甲花提取物表面活性劑進(jìn)行CMC測(cè)定后，旨在穩(wěn)定納米表面活性劑，通過(guò)粒徑和zeta電位測(cè)試確定了黃芪膠提取物表面活性劑的最佳濃度。IFT（界面張力）測(cè)量結(jié)果表明，指甲花提取物濃度從0wt%增加到10wt%，煤油和水之間的IFT從37.23mN/m降至15.24mN/m。此外，在指甲花提取物表面活性劑處于CMC值時(shí)向其添加1wt%的合成TiO2納米顆粒，可將IFT從18.43mN/m降至14.57mN/m。由于IFT值明顯降低，EOR過(guò)程中的原油采收率可能會(huì)大幅提高。結(jié)果證明，TiO2納米表面活性劑與工業(yè)表面活性劑效用一致，但會(huì)破壞環(huán)境，危及人類健康，給政府帶來(lái)沉重的經(jīng)濟(jì)壓力。

研究背景

盡管近年來(lái)出現(xiàn)了可再生能源，但全球?qū)剂虾吞細(xì)浠衔锏男枨蟛](méi)有減少，而且正處于上升趨勢(shì)。由于對(duì)新油氣藏的勘探明顯減少，工程師們一直在尋找能夠提高現(xiàn)有油藏采收率的新方法。新方法不僅需要提高采收率，還必須實(shí)惠、環(huán)保，并且能夠用于現(xiàn)場(chǎng)油田。一些化學(xué)EOR方法可以用于提高油藏采收率，其中，表面活性劑驅(qū)油是最實(shí)用的化學(xué)EOR方法之一。通過(guò)降低注入水和剩余油之間的界面張力，改變巖石表面潤(rùn)濕性和乳液的形成過(guò)程，從而提高石油產(chǎn)量。在表面活性劑驅(qū)油的過(guò)程中，在濃度高于CMC值的溶液中形成表面活性劑膠束可以改善其在儲(chǔ)層中的應(yīng)用效果，因此確定每種表面活性劑的臨界膠束濃度（CMC）非常重要。CMC測(cè)量方法包括表面張力測(cè)定、紫外－可見(jiàn)光譜、電導(dǎo)率、發(fā)光光譜和濁度。濁度在CMC值穩(wěn)定后隨基液中表面活性劑濃度的升高而出現(xiàn)突變。

盡管工業(yè)表面活性劑對(duì)提高采收率有重大影響，但其具有很多缺點(diǎn)，如可用性不強(qiáng)、環(huán)境破壞性大、成本高以及表面活性劑會(huì)因吸附在儲(chǔ)層巖石上而損失等。因此近年來(lái)，天然表面活性劑和可生物降解表面活性劑在石油工業(yè)上游的應(yīng)用受到了研究人員的廣泛關(guān)注。指甲花提取物是一種天然染料，近來(lái)的的研究將其用作生物添加劑用在鉆井液中。指甲花提取物首次用于抑制鹽酸中的鋼腐蝕和氫氧化鈉中的鋁腐蝕。隨后，部分研究探討了指甲花提取物對(duì)酸性和堿性溶液中某些金屬（如鋅、鎳、鋁和鐵）的緩蝕作用。指甲花提取物在石油工業(yè)上游中的其他用途包括在油井酸化處理中提高水泥抗HCl的能力，減少鈉膨潤(rùn)土在水溶液中的溶脹現(xiàn)象，降低粘土顆粒的去絮凝和膨脹抑制作用等。盡管有關(guān)指甲花提取物在鉆井領(lǐng)域的應(yīng)用研究有限，但迄今為止，尚未研究該表面活性劑在EOR中的適用性及其對(duì)降低界面張力的影響。

本研究在EOR中引入天然表面活性劑。具體做法是從敘利亞棗樹(shù)中提取皂苷生物表面活性劑，將其加入蒸餾水中。界面張力測(cè)試表明，皂苷作為一種非離子表面活性劑，可以將煤油與水之間的界面張力（IFT）從48dyn/cm降至9dyn/cm。Seidlitzia Rosmarinus是一種新型天然陽(yáng)離子表面活性劑，Deymeh等人通過(guò)測(cè)量原油與表面活性劑溶液之間的界面張力，評(píng)估了該活性劑作為化學(xué)方法提高采收率的可行性。向水中添加Seidlitzia Rosmarinus表面活性劑后，煤油與水的界面張力從32mN/m降至9mN/m。Ravi等人研究了從桑葉中提取的新型植物表面活性劑對(duì)降低砂巖和碳酸鹽巖界面張力，改變二者潤(rùn)濕性，以及對(duì)采收率的影響。IFT測(cè)量結(jié)果表明，使用桑葉提取物后，水與煤油之間的界面張力從42dyn/cm降至20dyn/cm。除此之外，Shadizadeh和Kharrat使用了新型植物表面活性劑（洋甘菊提取物）降低油水界面張力，使IFT值從30.63mN/m降至12.57mN/m。

如今，納米技術(shù)已經(jīng)可以解決醫(yī)學(xué)、食品、農(nóng)業(yè)和工業(yè)等行業(yè)的許多問(wèn)題，并提供高效且具有成本效益的方案。近年來(lái)，納米材料的使用在行業(yè)中具有重要地位，上游石油行業(yè)也不例外。納米顆粒的獨(dú)特特征是表面體積比較高，這意味著顆粒表面存在更多的原子，從而導(dǎo)致表面能增強(qiáng)。一些研究已經(jīng)證實(shí)納米顆?？梢越档陀退缑鎻埩亩岣卟墒章?。Emadi等人利用由納米二氧化硅和雪松提取物表面活性劑合成天然納米表面活性劑，研究了砂巖巖心的采收率和油水界面張力的變化。將雪松提取物濃度從0wt%增加到10wt%之后，水相和煤油的IFT從35mN/m降至11.9mN/m。然而，納米二氧化硅濃度增加對(duì)降低IFT的影響可以忽略不計(jì)。Hosseini等人通過(guò)測(cè)定潤(rùn)濕性的變化和界面張力，研究了氧化硅和氧化鋁納米顆粒對(duì)采收率提高的影響。研究人員使用鹽度為35000 ppm NaCl的鹽水作為制備納米流體的基流。結(jié)果表明，兩種納米流體的濃度從100ppm上升到10000ppm，使原油和納米流體間的IFT降低，但只是相對(duì)較低。Hen draningrat和Torsaeter的研究結(jié)果表明，金屬氧化物納米流體可以通過(guò)改變巖石潤(rùn)濕性、降低界面張力來(lái)提高采收率。二人使用了聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作為濃度為1wt%的納米粒子穩(wěn)定劑。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，0.05wt%濃度的Al2O3和SiO2納米顆?？梢詫⒂退缑鎻埩?9.2mN/m分別降低到12.8mN/m和17.5mN/m。

盡管納米流體對(duì)采收率有著重大影響，但使納米流體穩(wěn)定是石油工業(yè)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。納米流體長(zhǎng)期不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致納米顆粒在巖石表面沉淀、凝聚，隨之而來(lái)的則是儲(chǔ)層巖石滲透率和孔隙度受損，儲(chǔ)層各個(gè)部分顆粒分布不均勻，納米懸浮液特性消失。儲(chǔ)層條件不佳（高鹽、高溫）是導(dǎo)致納米流體不穩(wěn)定的最大因素之一。此外，由于EOR過(guò)程中注水量非常高，且注入水為輔助化學(xué)制劑進(jìn)入油藏的基流，鹽度超過(guò)30000ppm，使得納米流體更不穩(wěn)定。研究表明，納米流體中的離子會(huì)導(dǎo)致納米顆粒流體動(dòng)力學(xué)直徑縮小，從而降低了其互斥的能力。粒子的zeta電位是確定膠體系統(tǒng)穩(wěn)定或不穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)。Zeta電位的定義是兩個(gè)不同粒子之間的測(cè)量點(diǎn)以及二者之間的靜電排斥強(qiáng)度和靜電引力強(qiáng)度。zeta電位越大（無(wú)論正負(fù)），納米顆粒之間的靜電斥力更強(qiáng)，溶液就更穩(wěn)定。因此，改變顆粒的zeta電位、流體動(dòng)力學(xué)直徑和電荷密度可以提高納米顆粒分散體的穩(wěn)定性。而改變顆粒的zeta電位、流體動(dòng)力學(xué)直徑和電荷密度，可以對(duì)納米顆粒表面改性，對(duì)納米顆粒使用非離子表面活性劑、聚合物以及離子表面活性劑。由于納米顆粒的穩(wěn)定性是其大小、類型和懸浮液中濃度的函數(shù)，要想EOR過(guò)程中納米流體的作用發(fā)揮到最大，關(guān)鍵是確定上述變量的最佳值，找到穩(wěn)定變量的方法。因此，要盡量避免儲(chǔ)層巖石孔隙度和滲透率降低，穩(wěn)定納米顆粒就能回收地下大部分剩余油。

Dehghan Monfared等人使用兩種不同的方法研究了二氧化硅納米顆粒的濃度和離子強(qiáng)度對(duì)納米流體穩(wěn)定性的影響，其中包括使用紫外－可見(jiàn)（UV–Vis）分光光度計(jì)進(jìn)行觀察和光吸收分析。結(jié)果表明，由于靜電相互排斥作用降低和能量壁壘減少，納米流體的穩(wěn)定性隨著納米顆粒和鹽濃度的增加而降低。此外，Shadizadeh和Kharrat使用了新的植物表面活性劑（Matricia chamomilla提取物）降低油水界面張力降，使IFT值從30.6312.57mN/m降至12.57mN/m。Sarmad Al-Anssari等人研究了pH、鹽度和納米二氧化硅濃度對(duì)zeta電位值的影響。實(shí)驗(yàn)表明，zeta電位絕對(duì)值隨納米二氧化硅濃度和鹽度的降低而增加，隨pH的增加而增加。添加PVP穩(wěn)定劑后，Hendraningrat和Torsaeter使用包直接觀察、納米觀察和表面電導(dǎo)率測(cè)量三種方法，測(cè)定了含0.05wt%Al2O3、TiO2和SiO2鹽水（NaCl 3wt%）的穩(wěn)定性。結(jié)果顯示，所有三種未經(jīng)處理的納米流體在不到一小時(shí)內(nèi)開(kāi)始沉淀，并在3小時(shí)后完全沉淀，然而在向TiO2和Al2O3納米流體中添加1wt%的PVP后，其穩(wěn)定性各自提高到48和96小時(shí)。Songolzadeh和Moghadasi通過(guò)測(cè)量納米流體的紫外線吸附和zeta電位，研究了SDS和CTAB離子表面活性劑對(duì)γ-Al2O3和SiO2納米顆粒穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明，SDS通過(guò)對(duì)二氧化硅納米顆粒進(jìn)行增壓并增強(qiáng)顆粒之間的電排斥最大限度地穩(wěn)定SiO2納米流體；另一方面，CTAB對(duì)氧化鋁納米顆粒的穩(wěn)定性沒(méi)有明顯影響。

盡管有關(guān)新技術(shù)提高采收率的研究已有很多，但是有關(guān)納米顆?；蛱烊槐砻婊钚詣┫到y(tǒng)作為新型化學(xué)材料的研究并不多。由于納米級(jí)的化學(xué)、物理性質(zhì)豐富多樣，因此評(píng)估納米顆?；蛱烊槐砻婊钚詣┤芤旱男Ч饬x重大。雖然在化學(xué)驅(qū)油過(guò)程中，表面活性劑消耗是主要問(wèn)題之一，但大量文獻(xiàn)表明，比起單獨(dú)使用，同時(shí)使用納米顆粒和表面活性劑提高采收率的效果好得多。Suleimanov等人稱，同時(shí)使用納米顆粒和表面活性劑時(shí)，采收率可提高35%。若僅僅使用表面活性劑，即便是最佳條件下，采收率只有17%。另一篇文獻(xiàn)的巖心驅(qū)替試驗(yàn)結(jié)果顯示，天然表面活性劑只能產(chǎn)生53%的OOIP。然而，加入納米顆粒后，采收率提高到了74%。因此，即使會(huì)消耗大量表面活性劑，同時(shí)使用納米顆粒和天然表面活性劑，就能夠回收油藏中的大部分圈閉油，該方法經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，操作性強(qiáng)。