Применение наночастиц в повышении нефтеотдачи

В сегодняшней публикации мы продолжаем перевод статьи «Интерпретация механизмов применения наночастиц в повышении нефтеотдачи«, и сегодня речь пойдет о том, каким образом применение наночастиц позволяет повышать показатели нефтеотдачи.

Применение наночастиц в повышении нефтеотдачи

Использование наночастиц размером порядка от 1 до 100 нм открывает возможности для конкретных тепловых, оптических, электрических, реологических и межфазных свойств, которые непосредственно полезны для высвобождения защемленной нефти из пористых пространств низкопроницаемых коллекторов размером порядка от 5 до 50 микрометров. Эльсайд обобщил преимущества наночастиц в повышении нефтеотдачи в трёх основных подходах: нанокатализаторы, наноэмульсии и наносуспензии.

Нанокатализаторы можно определить как наноразмерные частицы металла, используемые в качестве катализаторов для реакций акватермолиза, возникающих в процессе нагнетания пара в коллектора с тяжелой нефтью. Закачка пара в коллектора с тяжелой нефтью не только снижает вязкость нефти при её нагреве, но также приводит к химическим реакциям, происходящим между паром и нефтью. Эти реакции называются акватермолизом. Реакции акватермолиза проводят с целью разорвать сероуглеродную связь в асфальтенах, увеличивая количество предельных углеводородов и ароматических соединений в нефти. Таким образом, эти реакции облагораживают высоковязкую нефть в пластовых условиях. Акватермолиз приводит к необратимому снижению вязкости тяжелой нефти. Такие металлы, как никель и железо, могут катализировать реакции, которые происходят между паром и нефтью в пласте.

Присутствие наноразмерных частиц металла катализирует разрыв сероуглеродных связей в асфальтенах. Наноразмерные частицы металла могут легко перемещаться через пористую среду микронных размеров. Грефф отметил, что в процессе нагнетания пара наночастицы никеля повышают нефтеотдачу на 10%. Наночастицы от микрочастиц отличаются почти в 100 раз большей удельной площадью поверхности. В результате исследований содержание частиц составило 0,5% от массы образца. Наноразмерные частицы показали большее снижение вязкости, чем микроразмерные частицы. Это связано с большей удельной площадью поверхности, которая приводит к увеличению реакционной способности наночастиц по сравнению с микрочастицами. Другими словами, большая площадь поверхности частиц приводит к увеличению площади контакта частиц с нефтяной фазой и, таким образом, к лучшему взаимодействию между двумя фазами. Первые исследования месторождений с использованием наноразмерных частиц металлов в качестве катализаторов были проведены на нефтяных месторождениях Ляохэ, северо-востока Китая. В скважинах были произведены интенсификация добычи закачкой пара в пласт и катализ. Это считается первым практическим применением наночастиц на нефтяном месторождении.

Наноэмульсия представляет собой вид эмульсии Пикеринга, которая вместо поверхностно-активного вещества стабилизирована наночастицами и является более стабильной в суровых условиях температуры и минерализации. Высокая вязкость эмульсии, стабилизированной наночастицами, способна помогать в управлении соотношения подвижностей в процессе заводнения, что позволяет осуществить на практике способ вытеснения высоковязкой нефти из недр в отличие от стабилизации полимерами, которые относительно больше и имеют высокую степень удержания в коллекторе. Капельки эмульсии, стабилизированной наночастицами, достаточно малы, чтобы пройти обычные поры и профильтроваться через коллектор без особого удержания. Они также остаются стабильными, несмотря на суровые условия в пласте за счет необратимой адсорбции наночастиц на их капельной поверхности.

Такие наночастицы имеют ряд преимуществ по сравнению со стандартными коллоидными частицами:

  1. Маленький размер наночастиц и микроразмерных капелек эмульсии, стабилизированной ими, позволяет им продвигаться без удержания в коллекторах широкого диапазона проницаемости.
  2. Полимерное покрытие поверхности частиц может вызвать удержание частиц на водной/безводной поверхности раздела фаз с необходимым краевым углом смачивания. Это приводит к образованию капелек эмульсии с необходимой кривизной поверхности раздела фаз, а также помогает снизить их удержание в коллекторе.
  3. Имея один размер, сферические наночастицы могут образовывать компактный, хорошо структурированный монослой на водной/безводной поверхности раздела фаз. Это делает эмульсию крайне стабильной, даже в суровых пластовых условиях, при таких как высокая температура.
  4. Наночастицы – твердые, они могут быть магнитными, магнитострикционными или пьезоэлектрическими, что увеличивает возможность внешнего контроля над качеством эмульсии, её структурой и дестабилизацией.
  5. Наночастицы могут быть катализаторами, вступать в химическую реакцию или быть совместимыми с молекулами водорастворимого полимера или поверхностно-активного вещества.

Наиболее часто используемыми наночастицами являются сферические частицы пирогенного кремнезема (SiO2) с диаметром в диапазоне от нескольких до десятков нанометров. Их смачиваемость контролируется степенью покрытия силанольными группами их поверхности. Наночастицы могут быть приготовлены гидрофильными с высоким содержанием (более 90%) силанольных групп на поверхности, и, следовательно, образовывать стабильные эмульсии прямого типа (нефть в воде – Н/В). С другой стороны, когда поверхность частиц кремнезема покрыта только на 10% силанольными группами, в этом случае они являются гидрофильными и образуют эмульсии обратного типа (вода в нефти – В/Н). Кроме того, когда наночастицы только частично покрыты силанольными группами (к примеру на 70%), они становятся частицами с «промежуточной гидрофобностью». Тип стабильной эмульсии определяются в зависимости от полярности нефти, то есть образование эмульсий прямого типа предпочтительно для неполярной нефти, тогда как образование эмульсий обратного типа – для полярной нефти. Схема капелек эмульсии, стабилизированной наночастицами, с различным краевым углом смачивания показана на рисунке ниже.

Схема капель эмульсии, стабилизированной наночастицами, с различным краевым углом смачивания

Закачка диоксида углерода (CO2) является надежно отработанным и широко используемым методом увеличения нефтеотдачи (МУН). CO2 может быть использован в качестве несмешивающегося или смешивающегося вытесняющего агента в зависимости от пластовых условий и состава сырой нефти. Для смешивающегося вытеснения при большинстве пластовых условий из-за очень низкой вязкости CO2 низкий коэффициент охвата по объему пласта является принципиальным недостатком закачки CO2 как метода увеличения нефтеотдачи (МУН). Использование пены, содержащей диоксид углерода (CO2) и стабилизированной наночастицами, предполагает снижение подвижности диоксида углерода (CO2) в процессе его закачки. Динамическая пена, содержащая сверхкритический диоксид углерода (CO2), была образована сдвиговой деформацией дисперсных систем, содержащих сверхкритический диоксид углерода и наночастицы, в колонне, заполненной стеклянными шариками. Снимок пены был получен в сапфировой трубке. Размер частиц был определен в диапазоне от 60 до 90 нм. Наночастицы обладают большей энергией адгезии на границе раздела фаз в отличие от поверхностно-активного вещества, которая дает возможность наночастицам надолго стабилизировать пены, так наночастицам потребуется больше энергии, чтобы дестабилизировать пены. Пены, полученные с помощью твердых наночастиц, являются стабильными в течение длительного времени (до одного года) в отличие от пен, стабилизированных молекулами ПАВ, время жизни которых составляет порядка нескольких часов. Кроме того, для повышения теплопроводности сверхкритического диоксида углерода (CO2) или для быстрого снижения вязкости тяжелой нефти используются наночастицы металла.