纳米磁流体驱替原油的作用机理分析

李雄杰

（中国石油长城钻探工程有限公司井下作业分公司，辽宁 盘锦 124010）

随着纳米材料的开发及学科交叉的融合发展，在尺寸和比表面积等方面具有显著优势的纳米材料逐渐被应用于油气开发的各个领域[1]。其中纳米二氧化硅是应用较早较为广泛的一种纳米材料，借鉴于纳米二氧化硅的成功应用，各种金属纳米材料及改性纳米材料逐渐被尝试于油气开发的各个方面。这其中，纳米磁流体因兼具磁响应特征和纳米流体的双重优势决定了其在携油驱油方面必然具有良好的应用前景，但关于纳米磁流体驱替原油的作用机理尚未见系统的报道，因此系统总结了纳米磁流体驱替原油的作用机理，为纳米磁流体在驱替原油中的应用提供理论基础。

1 磁场定向力

纳米磁性流体中含大量纳米级固相磁性颗粒，当存在外加磁场时，会影响纳米磁流体的流动、控制磁流体的运动路线，克服由于非均质性而造成的低波及范围的问题，达到提高采收率的目的。

当存在外加的磁场时，磁性颗粒会因为磁化沿着磁场的方向形成一种类似链条的形状，对于颗粒变成链状的原因可以用相变理论来解释。相变理论是磁性颗粒受到分子间的引力和斥力、热运动和布朗运动的影响，在不存在外加的磁场的情况下，磁性颗粒会随机分布在载液中，体系也能相应的保持稳定的状态。当处在外加的磁场中，磁性颗粒被磁化而整齐的排列起来，变成有序相。磁场越强，链化的越强，逐渐就会表现出固化的特征[2]。

磁化后的纳米磁流体会产生其他的磁场，该磁场和外加磁场相互作用，进而产生磁场力。去掉外加磁场后，纳米磁流体中的磁性颗粒会进行杂乱的运动，宏观上没有磁性；当处在外加的磁场中时，磁性颗粒会被磁化，显示出磁性。

2 润湿性

纳米磁性颗粒在岩心内的吸附和滞留可以部分覆盖原有的油湿孔壁，岩石与液体间的部分界面被亲水性纳米磁性颗粒与液体间的界面所取代，岩心的润湿性在一定程度上取决于纳米颗粒的亲水性还是疏水性。采用亲油和亲水的多晶硅纳米颗粒为研究对象，测试砂岩的润湿性变化，发现对润湿性的转变有效的是亲水性的多晶硅纳米颗粒。

Torseater[3]对纳米颗粒在亲水性砂岩上的润湿性进行了研究，发现吸附于砂岩表面的纳米颗粒可以转变岩石的润湿性。为更好地理解纳米颗粒对润湿性的影响，研究了纳米颗粒的加入对溶液接触角的变化：纳米颗粒浓度增加，接触角会变小、润湿性也由强油湿变为弱油湿；在相同浓度下，亲水性二氧化硅胶体纳米颗粒比亲水性二氧化硅纳米结构颗粒更能减小接触角。

3 界面张力

界面张力是影响流体在多孔介质中分布和运动的主要参数，纳米颗粒也被认为具有降低界面张力的作用，降低界面张力是纳米流体提高采收率的主要机制。

纳米颗粒和表面活性剂驱或者聚合物驱在驱油方面具有协同作用。Suleimanov等[4]将金属纳米流体 (70～150nm)加入阴离子表面活性剂溶液中，采收率提高了35%，而单独使用表面活性剂时采收率仅提高17%。Hendraningrat[5]等采用垂坠法测定原油与纳米流体之间的界面张力，结果表明：添加纳米颗粒可使界面张力由14.7mN/m降至9.3mN/m。此外，当纳米流体浓度从0.01%增加到0.05%时，界面张力值从9.3mN/m降低到5.2mN/m；界面张力对纳米流体浓度敏感，随着纳米流体浓度的增加而减小。

Alomair[6]等比较了SiO2和Al203纳米流体对界面张力的影响，发现：纳米流体的加入会使界面张力明显下降；加入SiO2纳米流体时的界面张力值低于Al2O3纳米流体时测得的值，相比较而言SiO2纳米流体具有更高的提高采收率潜力；进一步比较三种纳米颗粒 (Al2O3、SiO2和NiO)在原油和纳米流体之间降低界面张力的能力，结果发现SiO2纳米颗粒与原油间的界面张力值最低，其主要原因是油水表面上SiO2纳米颗粒吸附量最高。

4 其它因素

通过改变井网结构，进行角井和边井交替开采的方式，可以改变磁流体驱替原油的速度和方向，有效的动用残余油、提高了波及系数，增大了原油的采收率。说明合理的井网开采方式对纳米磁流体驱替原油具有协同作用[7]。

除了直接依赖于纳米磁流体磁化率外，磁场力还受到孔隙几何形状的强烈影响，现有的提高采收率方法 (如注入表面活性剂)和磁场激发的纳米磁流体的协同作用有可能驱替井筒附近更多孔隙中原油[8]。

5 结语

1）纳米磁流体兼具纳米磁流体和磁响应的双重优势，外加磁场会影响到磁流体的流动，提高纳米磁流体的波及范围，达到提高采收率的目的。

2）纳米磁流体驱替原油的作用机理归纳起来包括磁场定向力、改变润湿性、降低界面张力、注采井网和储层孔隙结构等与磁场的协同作用等。