纳米乳液：性能、制备及在非常规油气开发中的应用进展

纳米乳液在致密油藏自发渗吸驱油过程中通过降低界面张力，改变润湿性提高自发渗吸采收率，在渗吸驱油方面得到了广泛应用。纳米乳液会在油水界面进行吸附，使相关分子排列紧密，造成表面张力大幅度下降、接触角上升、毛管阻力减小，可以更好的排除压裂残液。

1、驱油机理

①降低界面张力、改变润湿性

黏附功的计算公式为：

由公式（2-1）可以看出油水界面张力越小，所需黏附功越小，油滴越易从岩石表面脱落，减小贾敏效应，有利于提高洗油效率。

另外，只有岩心亲水时，毛管力才能作为渗吸的动力进入岩石孔隙替换出原油。因此，应该将油湿的岩石表面转化为水湿表面，增加渗吸效果。可用公式（2-2）：

由公式（2-2）可以看出润湿角的余弦值越大，毛细管动力越大，油滴越易从岩石表面。

②增加毛细管数

毛细管数的计算公式为：

由公式（2-3）可以看出毛管数NC越大，越有利于提高采油效率。因为纳米乳液降低了油与驱替液之间的界面张力，从而使得毛管数增加，使不同孔径的孔隙中油水界面向前均匀推进，减少残余量，提高驱油效率。

③降低流度比流度比的计算公式如下：

当流度比小于1时，原油的流动能力大，具有更大的波及面积。使流度比控制在小于或等于1的范围内，可以更好的提高原油采收率。

（1）影响纳米驱油性能的主要因素

影响纳米乳液驱油性能的主要因素有温度、化学剂的种类和纳米乳液的浓度。Guttoff等基于自发乳化法制备了尺寸小于200nm的纳米乳液。他们发现，形成的纳米乳液在室温下稳定30天，但在80℃下不稳定。Yu等利用相转变组分法在水/Span80-Tween80/石蜡油体系中制备了的O/W型纳米乳液。他们发现，随着温度从20℃升高到70℃，纳米乳液液滴尺寸从10.3μm减小到51nm。罗旭等使用3种不同的表面活性剂分别制备纳米乳液，3组纳米乳液的渗吸驱油效率均不同。贾磊磊设计了三组驱替实验，证明纳米乳液的浓度会对驱油效率产生影响。黄越等通过岩心测试实验，证明随着纳米乳液浓度的上升渗吸驱油效率增加。

2、助排机理

用Laplace公式可以表达降低毛管阻力的原理：

当液面是球形的一部分时，公式为：

假设地层孔隙的平均半径为r，则公式变为：

如果纳米乳液在油水界面进行了吸附，相关分子进行紧密排列，从而使界面张力大幅度下降，接触角上升，通过公式可以发现附加压力会减小，毛管阻力会降低，可以更好的排除压裂残液。

（1）影响助排性能的主要因素

影响纳米乳液助排性能的因素有驱替方向、地层压力、表面张力、压裂液黏度和支撑剂润湿性。王方祥等针对以上影响因素进行研究，认为当驱替方向与重力方向一致时压裂液的最终返排率最高；压裂液的最终返排率随地层压力的升高而降低；稳定的地层压力更有利于压裂液的返排；随着表面张力的下降而上升，但影响效果并不显著；随着液体黏度的增加而降低。陈晴认为润湿性和水锁效应会影响纳米乳液助排的性能。SHAHIDZADEH等通过实验得出相同的结论。

纳米乳液是上个世纪中期开始在油田中使用的一种新型驱油剂，受到了许多学者的关注。20世纪后期，该技术在石油、天然气等领域得到了进一步的推广，目前已经被用于压裂、抑制沥青质、钻完井等领域，对提高石油和天然气的产量起到了积极的作用。

（1）纳米乳液在压裂方面的应用

压裂致密地层是通过提高地层渗透率来提高采收率的一种方法。通常是通过注入水基压裂液的液压来实现，然后压裂液的一部分返回地表。降低压裂液的毛细管力，增强回流，避免水堵塞。这可以通过选择在岩石表面具有高接触角和低界面张力的压裂液来实现。Guan等通过将纳米乳液封装在回流添加剂中合成压裂液，接触角比传统乳液高54°，界面张力为29mN/m。Wang等将砂岩浸泡在纳米乳液中，接触角从38.5°逐渐增加到126°，表明表面润湿性由水润湿向非水润湿发生变化。

将纳米乳液复配到滑溜水体系中，能够改善岩石润湿性，增强岩石亲水性，提高液体在岩石表面的延展性，从而剥离置换原油。为使压裂液的效果最大化，张矿生等利用自乳化法制备出颗粒尺寸在20-50nm之间的纳米乳液，再经过氨甲基化和季胺化，制备出具有良好粘弹性能的聚丙烯酰胺，并将其与纳米乳液相结合，制备出一种多功能的变黏滑溜水压裂液。

（2）纳米乳液在抑制沥青质方面的应用

原油中沥青质的聚集和沉淀会对原油的运输和精炼产生不利影响。抑制剂经常被用来改变沥青质的分子结构，从而防止其絮凝或沉淀。但运输这些抑制剂的过程中会造成严重的质量损失。Alhreez等将沥青质抑制剂十二烷基磺酸盐加入纳米乳液中，通过扩散形成十二烷基磺酸盐-纳米乳液。X射线衍射、傅里叶变换红外光谱仪和热重分子结果表明，十二烷基磺酸盐经过纳米乳液处理后分子结构发生了变化，包括芳香性降低，脂肪链短，芳香片间的堆积距离长，烷基侧链的碳数少。所有这些结构变化导致了沥青质的絮凝和沉淀的最小化。

（3）纳米乳液在钻井方面的应用

近年来纳米乳液技术逐渐成熟，在钻井液中被广泛应用。纳米乳液具有很强的吸附能力，能够减少钻具和井壁的摩擦，可以保持井壁的稳定性和储层不受污染。李超和Ye等通过改变表面活性剂、助表面活性剂与水的配比，并与溶剂混合，制备出了粒径为11nm的纳米乳液。在室温下，将纳米乳液与含油岩屑混合后，经20min的搅拌，洗油率高达95.7%。不足的是其配制较为复杂，难以工业化应用。

1、高能乳化法制备纳米乳液操作简单，配方成本低，但是制备的纳米乳液粒径越小所需要输入的能量越多，能量利用率只有1%，制备成本高，很难实现大规模生产。因此，开发较高能量利用率、低工艺设备成本的纳米乳液制备方法是今后发展的方向。

2、在高温高盐环境中，纳米乳液界面膜破裂，导致其稳定性降低，进而降低纳米驱油的驱油效果。因此，研究耐温耐盐型纳米乳液驱油剂是未来的主要方向。

3、致密储层岩性过密，孔渗极低，构造复杂，30%～50%的可动原油储集于0.1~1.0μm的亚微米级孔喉中，使纳米乳液难以进入孔喉中驱油。因此，开发适应于非常规油气藏的更小尺寸的纳米乳液及渗吸驱油机理研究尤为重要。