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.

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.