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教学论文:化学中纳米材料对于油田的实用理解
作者:管理员    发布于:2021-01-10 19:38:23    浏览次数:
摘要:介绍了纳米资料共同的规范巨细、外表功用以及现在在油田实验研讨中运用的纳米资料品种,别离从钻完井施工、压裂增产改造、进步采收率、油田

介绍了纳米资料共同的规范巨细、外表功用以及现在在油田实验研讨中运用的纳米资料品种,别离从钻完井施工、压裂增产改造、进步采收率、油田废液处理等方面总述了纳米资料在油田化学工程中的研讨现状,发现了纳米资料凭仗其共同的物理化学性质可以有用进步油田开发功率、节省施工本钱、削减储层损伤,是油田化学工程中运用远景极好的新式资料,展望了纳米资料在油田开发各个环节中的运用远景。
  要害词: 纳米资料; 油田化学; 钻井完井液; 压裂液; 进步采收率; 油田污水处理;
  Abstract: Introduced the unique size, surface properties of nanomaterials and the nanomaterials currently used in oilfield experimental research. Reviewed the research status of nanomaterials in oilfield chemical engineering from drilling and completion engineering, fracturing stimulation, EOR, oilfield waste liquid treatment and so on. Founded that nanomaterials with their unique physical and chemical properties can effectively improve oilfield development efficiency, save construction costs and reduce reservoir damage, and are promising new materials in oilfield chemical engineering. The prospect of the application of nanomaterials in all aspects of oilfield development in the future is put forward.
  Keyword: nanomaterials; oilfield chemistry; drilling and completion fluid; fracturing fluid; EOR; oilfield waste liquid treatment;
  纳米资料特指在资料的三维空间结构中至少有一维的规范处于1~100nm,其极小的规范、极高的比外表积、极强的不饱和性,赋予了纳米资料许多特有的功用:外表效应、体积www.588lunwen.com效应、量子规范效应、微观量子地道效应、力学功用效应等[1,2,3]。现如今纳米资料在电工、生物、医药等范畴现已得到了广泛运用[4],而在油田化学工程中,纳米资料的研讨也正如火如荼地进行,首要涉及到包含纳米颗粒、纳米薄膜、纳米晶体、纳米纤维、纳米乳液等许多不同办法的纳米资料[5]。本文从多方面临纳米资料在油田化学中的运用进行总述,剖析了现在存在的问题,并展望了未来的研讨方向。
 
  1、 纳米资料在钻完井施工中的运用
  纳米资料作为钻完井施工中的一种特别添加剂,凭仗其共同的性质与钻完井作业液系统相互作用,在削减液体滤失、增强钻井液造壁性、改进固井水泥环孔隙结构、进步施工质量等方面起到了极大的促进作用。
  陈朝然等[6]将纳米颗粒参加到钻井液中后发现钻井液的光滑性进步,施工摩阻明显下降。王伟吉等[7]制备的纳米光滑剂在下降摩阻的一起不会对钻井液流变功用产生负面影响。Al-saba等[8]研讨了CuO、Al2O3、MgO纳米颗粒对水基钻井泥浆流变性的影响,实验作用标明纳米颗粒的添加使钻井液的塑性黏度下降50%,在钻井泥浆中添加0.5%Vol的CuO、Al2O3、MgO纳米颗粒后,钻井液的屈从值别离添加84%、121%、231%。在低温低压条件下,钻井液的滤失体积会因纳米颗粒的参加削减30%,但一起也发现在高温高压条件下,纳米颗粒的参加会下降钻井液功用。Ma等[9]经过SI-ATRP办法制备了耐高温、高盐、高pH的安稳碳纳米管资料,该资料在钻井液中具有极好的分散性,实验作用显现添加0.3wt%的碳纳米管资料能使钻井液所构成的滤饼浸透率下降50.96%,以为该资料可以作为杰出的钻井液纳米堵剂。V.Ershadi等[10]在固井水泥浆中添加了SiO2纳米颗粒,探究其对固井质量的影响。该纳米资料均匀粒径为20nm,约为水泥颗粒粒径的1/1000。他www.588lunwen.com们发现向固井水泥浆中参加1%的SiO2纳米颗粒后,所构成水泥环的孔隙度和浸透率别离下降33.3%、99%,一起水泥浆的稠化时刻由8小时下降为1.58小时,封堵抗压强度从1486psi进步到3801psi。此外,纳米资料在钻井液加剧剂[11]、水泥浆高温防气窜[12]、完善混凝土界面过渡区孔隙结构,构成高密度C-S-H凝胶[13]、改进水泥水化产品结构,进步水泥浆力学功用[14]等方面也有杰出的体现。
  综上,纳米资料的参加对钻井液的流变性、光滑性、泥饼造壁性、裂缝封堵性等功用有很大的改进,一起在下降水泥环孔渗,缩短水泥浆稠化时刻,进步固井水泥环长时间密封完整性等方面具有出人意料的作用。除此之外,引进纳米资料可以削减钻完井施工进程中液体的滤失,不仅对储层环境友好,还下降了施工本钱。这些实验作用说明晰纳米资料是钻完井工程中极具运用远景的添加剂。现在我国非常注重对深部页岩气的开发,研制出可以有用封堵页岩储层中微-纳米裂缝的封堵剂、完善纳米钻完井液在地层环境中的作业机制等都是现如今亟待处理的问题。
  2 、纳米资料在压裂增产进程中的运用
  现下低浸透储层及非惯例油气已成为油气出产和开展的主力,为高效开发此类油气资源,压裂增产改造为不贰之选,但由于非惯例油气资源开发的特别性,对压裂技能的要求也益发苛刻。在压裂施工中压裂液系统是决定压裂胜败的要害。向压裂液系统中添加纳米资料,经过纳米资料与聚合物间的交联、与外表活性剂间的协同作用、与胶束间构成可逆交联结构等办法来改进压裂液系统功用,可以较好地处理低浸透储层及非惯例油气有用开发中排量大、泵压高的恶性循环难题。
  Alharbi等[15]研讨了纳米资料对聚合物基压裂液流变性的影响,他们发现在高压条件下纳米资料的参加可以削减由硼酸盐交联的瓜尔胶压裂液的黏度丢失。在8000psi条件下,向压裂液系统中参加0.02%的活性纳米资料I和0.04%的活性纳米资料II后,系统黏度别离添加了6倍和9倍,携砂功用明显进步。实验作用标明添加了纳米资料的压裂液可以在高温高压条件下更好的完结支撑剂运送作业。Zhang等[16]经过将硼酸引进到含有-NH2基团的活性SiO2纳米颗粒外表,制备出含有N-B键的纳米交联剂,该交联剂有利于瓜尔胶凝胶构成网络结构,然后进步压裂液系统的耐温耐剪切性。这是由于纳米资料具有较强的活化能和较小的规范效应,www.588lunwen.com能与瓜尔胶聚合物上的顺式羟基基团在氢键的作用下,构成附着才干极强的交联凝胶结构,以获得更高的交联功率[17]。研讨还发现在外表活性剂基泡沫压裂液中纳米资料的参加也能改进压裂液系统功用。Emrani等[18]向AOS(—烯烃磺酸盐)泡沫压裂液中参加Fe2O3纳米颗粒,发现纳米颗粒的存在使泡沫压裂液系统的半衰期由3小时添加为7小时,标明混合系统的安稳性优于单一AOS泡沫压裂液系统。Zhu等[19]经过运用Cryo-SEM、光学显微镜剖析了在不同温度下SiO2纳米颗粒安稳黏弹性外表活性剂泡沫的微观特性。发现纳米颗粒的参加能在系统中构成可逆交联结构,使胶束间的缠结更为杂乱,导致压裂液系统的表观黏度添加、气泡液膜的机械安稳性得到改进。实验显现在70℃时,含3wt%EAPB(芥酸酰胺丙基甜菜碱)+1wt%SiO2的混合系统的排水速率明显低于不含纳米颗粒的泡沫压裂液系统,一起还得到了纳米颗粒的参加能减缓泡沫中气体的分散速率,然后减缓气泡粗化进程,获得更安稳的泡沫系统。
  总的来说,纳米资料的引进能改进压裂液系统的流变性和悬砂性,构成更有质量的裂缝网络系统,增强压裂施作业用,进步增产改造功率。为满意当下对低浸透储层及非惯例油气的有用开发,研制在储层环境下可以安稳的纳米资料并树立新式纳米压裂液系统将会成为往后的重要研讨方向。
  3 、纳米资料在进步采收率范畴的运用
  现在我国首要针对已开发油田进行三次采油,经过进步油气田采收率的办法获得更多的油气资源量。而传统的三次采油办法存在驱油不均、功率低、污染环境等缺陷。引进纳米资料,可以替代外表活性剂等化学驱,起到使岩石潮湿性回转、下降界面张力、下降原油黏度等作用,然后有用进步驱油功率。
  Li等[20]对SiO2纳米颗粒进行外表改性获得了亲水性SiO2纳米颗粒,并经过实验得到经过纳米流体处理的岩石,其外表潮湿性由油湿转变为水湿,添加了水驱功率,进步油气采收率。蒋茜等[21]制备了HNTs/SiO2纳米流体粒子,经过触摸角实验和驱油实验得出,HNTs/SiO2纳米流体粒子使得油湿的玻璃板产生潮湿回转,在0.05wt%的浓度下驱油功率可以进步28.18%。Zhang等[22]发现纳米流体能在结构别离压力的作用下,在掩盖油相的岩石界面上构成一层迫使油相活动的纳米流体膜,添加水湿系统采收率。
  李建荣等[23]选用分子动力学的办法发现,经过烷烃链和羧酸链润饰的纳米颗粒具有相似外表活性剂的界面亲疏水功用,润饰改性后的纳米颗粒能使油水界面张力由50.880mN/m下降至32.028mN/m,该实验作用为进步三次采油驱油功率供给了理论依据。Chen等[24]发现纳米颗粒能与外表活性剂之间经过协同作用下降油水界面张力,然后进步驱油功率。
  在稠油降黏方面纳米资料的研讨也获得了不错的成效。Lakhova等[25]研讨了金属纳米颗粒对稠油黏度的影响。他们在350℃、11MPa条件下,向稠油中参加6wt%的Al2O3纳米www.588lunwen.com颗粒后,发现稠油中沥青质含量由7wt%下降为3.2wt%,稠油黏度明显下降,一起轻质组分的产率添加。Hascakir等[26]则标明即便在室温条件下向稠油中参加纳米颗粒,也能起到下降稠油黏度的作用。这是由于金属纳米颗粒极大的比外表积能与油相之间有极大的触摸面积,运用其优胜的导热功用完成稠油降黏。一起金属纳米颗粒外表具有很多的活性位点,能加快稠油中高碳分子的C-S键、C-O键、C-C键开裂[25],还能在高温下催化稠油的水热裂解进程,添加稠油裂解度,将长链的沥青质成分降解为低碳链分子[27],完成有用降黏。此外,Afra等[28]为保证蒸汽驱进程中注入流体的温度,选用了纳米陶瓷热绝缘体和纳米二氧化硅热绝缘体作为注气管柱的保温涂层,发现纳米涂层可以下降传热系数,使注蒸汽进程中热量丢失削减43%,大大进步了注入蒸汽的驱替功率,一起下降了蒸汽的出产本钱,是三次采油注蒸汽驱的一大新打破。
  纳米资料在进步采收率中的运用现已成为了研讨的热门,特别是在纳米资料改动岩石潮湿性、纳米颗粒下降油水界面张力、纳米金属型催化剂等方面现已获得了不小的发展。当处理了纳米资料工业化和现场化的运用后,会对国家中后期油气田的开发有着重要的含义。
  4 、纳米资料在废液处理上的运用
  在油田开发进程中会产生很多的油田污水,其间含有较多的有机物、悬浮物、细菌、化学药剂等,既无法满意油田施工的重复运用,也达不到排放规范。因而需要对油田污水进行处理,最常见的处理办法为:絮凝、重力沉降、气浮、膜别离等[29]。但随着施工进程中添加剂品种和剂量的添加,油田污水的处理难度和本钱也明显添加,因而许多学者开端研讨纳米资料辅佐处理油田污水的可能性。
  在2006年王松等[30]就将TiO2纳米颗粒运用于河南油田压裂液废液的处理,经过处理的废液各项目标均能到达国家污水归纳排放二级规范。杨敬一等[29]制备了Fe3O4纳米颗粒,在外加磁场的作用下,向含油污水中参加200mg/L的Fe3O4纳米颗粒后,发现除油率可到达80%。运用磁铁还能将Fe3O4纳米颗粒收回,经过处理后可屡次重复运用,大大下降了除油本钱,一起保护环境。谢泽辉等[31]制备了超顺磁核壳型纳米粒子A-MNPs,在pH=4,含油量为10g/L的含油污水中参加500mg/L的A-MNPs,发现在重复运用A-MNPs纳米粒子10次后,其除油率依然高达99%以上,且其对杂乱含油污水的处理也具有明显作用。杜彦敏等[32]规划了一款油田污水过滤设备,该设备的特色为运用了外表涂覆纳米二氧化钛粉末的硅胶做滤料,使得该设备在油田污水处理中的吸附悬浮物才干为惯例滤芯的10倍,一起还具有了灭菌、自洁净、易清洗等成效。Liu等[33]将纳米CuO锚定在碳纤维外表,再运用KH570(硅烷偶联剂)进行化学改性,制备了超亲油性的气凝胶复合资料CNCA。CNCA具有密度低、弹性好、收回简略、可重复运用等特色,在油水混合物中体现出优异的吸油才干。该资料可运用于油水别离、油水乳液别离、油田污水处理等范畴,可以作为一种极具开展远景的高效吸油剂。
  纳米资料凭仗其外表很多不饱和官能团,可以高效催化油田污水中的有机物和细菌等物质,经过吸油、破乳作用使得油水乳化别离。而且可以根据纳米资料的结构单元构建整体式气凝胶资料,一起完成破乳-油水别离双功用。我国产油的油田遍及产水,会产出很多安稳的油水乳液。若能凭仗纳米资料其共同的界面性质,研制出具有遍及适应性的高效破乳剂,将会在有用保护环境的一起为油田带来更多的经济效益。
  5、 纳米资料在其他方面的运用
  除以上方面外,纳米资料在钻具防腐蚀、气井控水压裂、管道清洁等其他方面也获得了研讨发展。
  油气所蕴藏环境特别杂乱,许多储层有着高温、高压、高盐、高pH的特征,部分油气藏还具有必定的腐蚀性,这对油气挖掘中运用的东西、管材具有极大应战性。在钻井施工进程中难免会遇www.588lunwen.com到酸性储层,在出产进程中会产生很多的相似于CO2、H2S的酸性气体,不仅对人体与环境损伤较大,还大大缩短了施工设备的寿数。杨番等[34]克己了钛纳米高分子合金涂料,将该涂料与惯例防腐蚀涂料进行了功用比照,作用发现钛纳米高分子合金涂料在附着力、抗冲击、耐高温高压、耐土酸、耐腐蚀等方面都更具有优胜性。处理了油气田井管腐蚀与防护难题,为延伸施工管材运用寿数、进步油田经济开发效益供给技能支持。
  细密气藏一般有着高含水饱和度、气水联系杂乱的特色,水力压裂施工后所构成的裂缝网络将会为地层水构成活动通道,导致压裂后气井产水量急剧上升[35]。而控水压裂技能可以在必定程度上处理此类问题。Luo等[36]制备了氨基-聚硅氧烷纳米乳液,将其作为水力压裂的前置液以完成细密气藏水力压裂施工中的高效控水。该纳米乳液能吸附于岩石外表改动其潮湿性,经纳米乳液处理后的岩样气水相对浸透率别离下降20%、60%,且该纳米乳液在岩石外表具有较好的耐冲刷才干,可以有用操控水力压裂气井的产水量。
  在油气采输进程中,有机物、化学添加剂、细菌等物质的残留会在管道中构成阻塞物,下降油气运送功率。张丹丹[37]研制了纳米除垢剂,与惯例酸液除垢剂比较该纳米除垢剂对油气运送管道内壁的清洁作用更为明显,在削减用水量的一起不会对人体和环境形成损伤。一起纳米资料在清防蜡剂[38]、硫化物清洁剂[39]等许多方面也具有着广泛的运用价值和开展潜力,为往后油田的高效开发供给了新的规划思路与办法。
  6、 问题与展望
  在油田化学工程的技能开展与革射中,各种新式资料的引进逐步为油气田勘探开发各环节带来了潜在远景,为往后的油田施工带来新的研讨方向。但现阶段,纳米资料仍迟迟未正式投入到油田现场施工中。笔者针对纳米资料在油田化学工程中的研讨现状提出了以下的缺乏以及对未来的展望:
  (1)现有的实验与模仿还无法精准地论述纳米资料与作业液、地层流体、岩石之间的作用机理,精确把握作用机制可为往后的深化研讨带来事半功倍的作用。因而对纳米资料www.588lunwen.com作用机制的研讨还需愈加剧视。
  (2)纳米资料在油田化学工程上的作用已初见成效,但对各类纳米资料的改性研讨、制备原理与办法、运用作用点评和运用技能仍要深化探究。
  (3)迄今为止没有得到纳米资料对人体存在损害的实验报告,但仍需要对其进行研讨。一起纳米资料的不安稳分散性及其在地层环境中是否会产生聚会现象导致地层阻塞也是往后的要点研讨方向之一。
  (4)现在所运用的纳米资料大部分本钱较高且部分纳米资料的制备工艺杂乱,因而完成纳米资料的低本钱化、规模化出产也将是未来的一大应战。
  油气田专用纳米资料的研制及其在油气田开发各范畴中的运用,已成为当时和往后国内外油气勘探开发技能攻关的一个重要研讨方向。只要将纳米科学与石油工程两个学科进行有机结合,精确凝练其科学问题,从根底理论研讨下手,进行多学科联合攻关,实施立异研讨,才干获得实质性的打破。
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