疏水纳米颗粒在油层微孔道中的吸附机制

基于对疏水纳米颗粒在储集层微孔道系统中的受力分析,建立了作用对象问的微观作用能数学模型,计算了疏水纳米颗粒和水分子所受的微观作用能量级,进而阐述了两者的竞争吸附机制.计算结果表明,疏水纳米颗粒受到的综合作用为指向孔壁的引力作用,总作用能量级约10-18～10-17J,是水分子与孔壁的作用能量级的103倍左右,在竞争吸附中占绝对优势,这使得疏水纳米颗粒可以突破孔壁表面的水化层并与孔壁产生牢固吸附.通过扫描电子显微镜和能谱仪检测了疏水纳米颗粒在岩心孔壁的吸附状况.结果显示,经纳米液处理过的岩样表面具有大量纳米颗粒组成的微结构,说明纳米颗粒确实突破了水化层并在岩心孔壁形成了吸附层.     

纳米吸附法降低岩石微孔道水流阻力的实验研究

研究了疏水性纳米SiO₂颗粒在岩石微孔道孔壁的吸附对岩石孔壁的阻力特性的改变机制,探讨了纳米SiO₂降压增注机理。疏水性纳米颗粒吸附在地层岩石微孔道表面并形成纳米吸附层,使亲水孔壁表面呈现强疏水性并形成水流滑移层,较大幅度地降低了流动阻力,从而提高了水流速度。通过润湿性变化、吸附电镜扫描等系列实验,证明了岩石微孔道中产生纳米滑移效应的可能性。流动实验结果表明,经含纳米颗粒流体处理后,岩心的水相渗透率大幅度提高,平均达到47%。同时用Lattice Boltzmann方法(LBM)模拟了含疏水性纳米SiO₂颗粒流体处理前后的实际渗流问题,间接计算出了纳米颗粒吸附造成的滑移长度。     

疏水性纳米SiO2增注剂的降压作用机理

根据最新的纳米点阵滑移效应,提出疏水性纳米SiO2降压增注剂的作用机理。疏水性纳米颗粒吸附在地层孔道表面,取代水化层,形成纳米层,使孔壁表面体现为强疏水性,导致水流产生了水流滑移效应,较大幅度的降低了流动阻力,从而提高了水流速度。通过润湿性变化、吸附电镜扫描等系列实验,证明了岩石微孔道中产生纳米滑移效应的可能性。流动试验结果表明,经纳米流体处理后,岩石的水相渗透率大幅提高,平均达到47%。     

深水疏松砂岩储层微粒运移损害的控制方法

中国南海深水疏松砂岩油气层钻完井作业中，易发生微粒运移、堵塞，造成储层损害，需要探索微粒运移损害的控制方法。选用南海深水疏松砂岩储层岩样，通过微粒吸附和释放实验以及岩心动态损害评价实验，探讨了纳米材料控制微粒运移损害的作用效果；实验分析了纳米颗粒吸附对岩石表面形貌、粗糙度及电性的影响；利用微粒与吸附纳米颗粒的岩石孔壁之间的相互作用能计算模型，分析了不同离子强度下储层微粒与岩石孔壁之间的总相互作用势能及作用机制。结果表明，纳米颗粒能有效控制深水储层微粒的运移，将其吸附并固定在孔壁表面。随着流体离子强度增加，控制运移的作用效果增强。其中，纳米氧化铝NP-1的作用效果最好，可明显提高深水储层岩心的渗透率恢复值，并且与深水钻井完井液具有良好的配伍性。模型计算结果表明，吸附纳米颗粒后，岩石孔壁与储层微粒之间的总相互作用势能下降，有利于岩石孔壁吸附、固定微粒，原因是纳米颗粒的吸附增加了岩石表面粗糙度及黏附力矩，也影响了表面电荷分布，有利于降低排斥势垒，并使初级势阱加深，提高岩石表面固定微粒的能力。因此，深水钻完井中，可通过加入纳米颗粒、适当提高工作液矿化度来减少微粒运移引起的储层损害。     

疏水纳米颗粒在岩心表面的吸附特性试验研究

采用纳米颗粒吸附法可以在岩心表面构建具有微纳米结构的强/超疏水表面,进而在该表面产生水流滑移,从而达到降低水流阻力及注水压力、增加注水量的目的。研究分析影响纳米颗粒在岩心表面吸附效果的主要因素对吸附效果的影响可以指导纳米降压增注材料的开发和矿场试验。通过制作纳米颗粒吸附岩心片,测试岩心片表面接触角的大小来分析纳米颗粒质量浓度、吸附时间、试验温度和pH值等对纳米颗粒吸附效果的影响。结果表明,纳米颗粒质量浓度、关井时间和试验温度都存在使纳米颗粒吸附表面的接触角达到最大的最佳值。碱性环境对纳米颗粒吸附的影响较大,而酸性环境几乎没有影响。      

疏水纳米SiO2抑制黏土膨胀机理

纳米减阻技术是针对高压欠注问题研发的一项有效新技术,其减阻机理尚不十分明确。疏水纳米材料抑制黏土的膨胀是纳米减阻机理之一。采用一种适用于疏水纳米粉体防膨率的测试方法,测试了多种疏水纳米SiO₂对黏土的防膨率。采用吸附实验和扫描电子显微镜（SEM）研究了纳米颗粒在岩心表面的吸附特征。防膨实验结果显示,所测疏水纳米SiO₂大多具有一定的防膨作用,但防膨效果差异较大。纳米SiO₂的表面修饰剂以及纳米粉体与黏土的比值(纳土比)对防膨效果有较大的影响,合适的纳土比和表面修饰材料可达到较好的防膨效果。HNP2在纳土比为1∶25时,防膨率为46.9%,而HNP4在纳土比为1∶25时,防膨率却为-25.8%。SEM照片显示,疏水纳米SiO₂通过吸附作用在岩心表面形成了纳米颗粒层,使岩心表面具有了强疏水特性,接触角达到138.3°。研究表明,疏水纳米SiO₂通过在黏土矿物表面吸附,形成具有强疏水特性的隔离层,起到隔离水分子与黏土矿物的作用,从而产生了防膨效果,这与一般黏土稳定剂的防膨机理有所不同。     

纳米SiO2颗粒改变岩心润湿性及提高采收率的室内研究

在油井生产过程中，近井地带的胶质、沥青质等有机质的吸附现象是普遍存在且不可忽视的，这种作用常常使岩石的亲水表面变为亲油表面，降低储层的渗透率和孔隙度，最终影响油气的运移和开采。有针对性地调整和改善油藏润湿性，使之向着有利于提高采收率的方向改变，完全可以实现更好的驱油效果。为此，本文研究了纳米SiO₂颗粒对改变岩心润湿性及提高采收率的影响。结果表明：纳米SiO₂颗粒可改变岩心润湿性，使之从强亲油状态转为强疏水疏油状态。疏水纳米SiO₂颗粒可高效剥离原油，吸附在岩心表面改变其润湿性，改善原油流体流动状态，从而提高水驱采收率。     

两亲性纳米颗粒的制备及提高采收率性能

为满足哈得油田高温高盐储层条件下三次采油技术的要求,采用Pickering乳液模板法,用氨丙基三乙氧基 硅烷和全氟辛酸对SiO2纳米颗粒进行表面改性,制得同时具有亲水氨基和疏水氟碳链的两亲性纳米颗粒。研究 了Na+与Ca2+ 浓度、温度对两亲性纳米颗粒分散液与模拟油间界面张力的影响,考察了纳米颗粒在多孔介质中的 运移规律和提高采收率性能。结果表明,两亲性纳米颗粒具有良好的抗盐耐温性能,Na+与Ca2+ 浓度、温度对两亲 性纳米颗粒界面活性的影响较小。两亲性纳米颗粒分散液与模拟油间的界面张力维持在10-2 mN/m数量级。虽 然两亲性纳米颗粒会吸附在岩心孔隙表面,减缓了两亲性纳米颗粒分散液中一部分颗粒的运移速度,但最终可 通过布朗运动实现脱附并运移出岩心。两亲性纳米颗粒在多孔介质中的最终吸附量小于10%,抗吸附性能优 良。两亲性纳米颗粒在高温高盐条件下具有一定的提高采收率效果。在120 ℃、矿化度为215 g/L的储层条件 下,注入0.5 PV 0.6%两亲性纳米颗粒分散液,可在一次水驱基础上提高采收率10.1百分点。两亲性纳米颗粒结 合了分子表面活性剂和均质颗粒的优点,具有较好的界面活性和稳定性。     

提高乳化酸稳定性纳米颗粒材料的室内研究

乳化酸的稳定性对其运用效果具很重要作用,将纳米颗粒材料引入到乳化酸中从而提高其乳化稳定
性。室内合成了疏水性较强的纳米颗粒材料,其平均粒度为１０６．４ｎｍ,表面水润湿接触角可达１２０°以上。表面疏
水性的纳米颗粒材料可以与乳化酸的表面活性剂形成协同效应,对乳化酸稳定性大幅度提高;乳化酸中添加１．０％
纳米颗粒材料后,缓蚀效果比常规乳化酸提高了２３．７％。并联模拟岩心驱替实验表明,含有纳米颗粒材料的乳化
酸选择性酸化过程中绝大多数进入油润湿的模拟岩心中,对油润湿模拟岩心改造的渗透率增加幅度为１．７７倍,对
水润湿的模拟岩心增加幅度为０．６２倍。     

超低渗透砂岩SiO2纳米颗粒吸附滞留特征

纳米颗粒因其独特的纳米效应在提高原油采收率具有广泛的应用前景,但超低渗储层孔喉细小,纳米颗粒的吸附滞留对其储层物性影响较大。基于SiO₂纳米流体在超低渗岩心中的驱替实验,结合紫外可见分光光度实验测试纳米颗粒在岩心中吸附量,并采用扫描电镜观察了驱替结束后岩心切片。研究结果表明,随着纳米流体质量分数(0.01%～0.50%)的增加,岩心注入压力升高,纳米颗粒滞留率增大(7.60%～87.50%)、渗透率损失率最高可达96.46%。后续NaCl溶液驱替仅可带走少许吸附不稳定的游离态纳米颗粒,但未明显缓解吸附滞留情况,纳米颗粒已在岩心中形成了有效封堵。为了不影响后续流体的注入,超低渗砂岩注入SiO₂纳米流体的质量分数不能大于 0.01%。驱替结束后岩心切片的 SEM 扫描图像显示,纳米颗粒集中吸附在岩心前段的孔喉和基质表面,占据流体渗流通道,引起孔喉结构变化。纳米流体浓度越大,颗粒聚集现象越明显。     

复合控水砂表面结构及疏水性能研究

以机械混合法对纳米氧化锌微粒进行了表面修饰改性,利用预聚和硅丙树脂的自组装功能,将制备的纳米氧化锌微粒与预聚和氟硅树脂混合制备了具有“荷叶效应 ”的超疏水涂层 ,静态水接触角达 158°,滚动角约为 5°。通过投射显微镜观察涂层的表面微观形貌,发现其具有荔枝皮状粗糙结构。通过接触角的测试、岩心流动驱替实验,探讨了表面微观结构、涂层粗糙度和涂层疏水性能之间的关系。结果表明:复合粒子构成的非均相界面的水接触角符合 Cassie模型。涂层的粗糙结构与自组装预聚和氟硅树脂成膜的低表面能的协同效应,使涂层具有了优良的超疏水性能。     

内蒙古几种天然沸石的吸附性能和孔结构的研究

用ＮＨ＿４Ｃｌ对内蒙古５种天然沸石矿化学改性得Ｈ型矿样。用静态容量法测试这５种原矿及其Ｈ型矿样子７７Ｋ时Ｎ＿２吸附等温线。发现除吸附性能不同外，均有程度不同的低压脱附滞后效应。用严继民、张启元方法和Ｄ～Ｒ方程计算了比表面积、孔径分布、微孔体积和特征吸附能。结果发现，Ｎ＿２吸附性能、低压脱附滞后效应、特征吸附能都与它们的微孔结构密切相关。     

表面润湿性对三元复合驱设备结垢的影响

通过接触角测试、扫描电镜微观结构观察以及XRD分析表面污垢,在模拟三元复合驱液与地层水的混合液中,研究了设备表面的不同处理方式对其抗结垢性能的影响。结果表明,固体表面污垢的形成与水溶液在表面润湿难易程度密切相关。亲水表面污垢颗粒容易吸附,利于结晶垢的生长;疏水表面污垢颗粒与之接触困难,污垢颗粒在表面的吸附和晶体长大过程都很难进行,但不同的表面对污垢的晶型影响不大。不同表面处理后的表面微细结构变化对表面的润湿性影响较大;采用降低设备表面水润湿性的表面处理方式将提高设备表面的抗结垢能力。     

稀土元素对CO络合吸附剂结构及性能的影响

比较了吸附剂微孔结构 ,考察了添加稀土元素对CO络合吸附剂的微孔结构及性能的影响 ,探讨了其促进机理 ,结果表明 ,WHTX粉状活性炭作载体 ,微孔尺寸均一 ,BET比表面积最大 ;而稀土元素可改善CO络合吸附剂的微孔结构 ,明显增大孔容积 ,促进了对CO的吸附性能。吸附与脱附性能试验说明了吸附剂变压再生的可能性 ,这为CO变压吸附过程的节能开发奠定了一定的基础。     

摩擦副表面边界润滑膜形成能力的研究

从界面化学的角度出发,分析了润滑油中基础油和添加剂分子在摩擦副表面上的物理化学吸附和反应成膜,讨论了压力效应对极压反应膜形成的影响,提出了有待进一步研究的新课题:①纳米级粒子在摩擦副表面物理吸附起极压抗磨作用的规律;②粘度指数改进剂、极性基础油(如酯类油)在摩擦副上的吸附强度和定向排列;③采用纳米摩擦学的手段,从原子、分子尺度揭示边界膜的微观结构与性能的关系;④润滑油物理吸附引起的rehbinder效应。     

电吸附再生废弃水基钻井液作用机理

电吸附对废弃水基钻井液中的微小劣质固相具有选择性去除作用,能有效提高处理后钻井液的性能和回用率,但有关作用机理尚未明确。为此,采用激光粒度仪、环境扫描电子显微镜、比表面与孔隙度分析仪等分析设备对实验材料进行表征,结合废弃钻井液的特性,研究了电吸附法再生处理废弃钻井液时固相颗粒吸附的主要作用力、电吸附对固相颗粒的吸附范围及选择性、极板表面电荷对吸附效果的影响等作用机理。研究结果表明:①固相颗粒吸附主要依靠电场力的作用,极板材料本身的表面特性对于废弃钻井液中固相颗粒的吸附作用影响有限;②极板材料在废弃钻井液中时,其表面天然带负电荷,但不会影响电吸附的处理效果;③电吸附对废弃钻井液中粒度小于10μm的钻屑吸附效果好,而对粒度在0.1μm以下的固相颗粒吸附有限;④预处理后的废弃钻井液和电吸附分离出的固相颗粒的矿物种类和成分相同,电吸附对固相颗粒的类型没有选择性。结论认为,电吸附再生废弃水基钻井液是电吸附与微弱电解反应共同作用的结果,在电极板捕获、粘附、包被悬浮着的固相颗粒的同时,正极发生的微弱电解反应使废弃钻井液中的大分子聚合物部分氧化断链,促使劣质固相含量和黏度均大幅度降低。     

基于低温CO2吸附的煤和页岩微孔结构分形分析

分形维数是分析煤和页岩微观孔隙结构的重要参数之一。目前主要是基于低温N₂吸附数据进而利用Frenkel?Halsey?Hill(FHH)模型,获得煤和页岩中孔（2~50 nm）与宏孔（>50 nm）的表面粗糙分形维数,对其微孔（<2 nm）分形维数的研究还较少。为深入研究煤和页岩的微孔特征,基于微孔填充与孔径分布理论,对比分析了煤和页岩微孔结构的分形特征。选取煤和页岩样品进行低温CO₂吸附实验,计算并分析两者的微孔分形维数。结果表明：煤的微孔分形维数分布在2.6~2.8之间,平均为2.75;页岩的微孔分形维数分布在2.8~2.9之间,平均为2.88。煤的微孔比表面积分布在100~300 m²/g之间;页岩的微孔比表面积集中在15~30 m²/g之间,页岩的孔隙分布零散且数量少,说明分形维数越大,微孔结构更加复杂。此外,分别对煤与页岩的微孔分形维数、表面粗糙分形维数进行了对比,发现虽然煤的微孔比表面积均远大于页岩,但其孔径分布、孔隙结构比页岩简单,微孔分形维数小于页岩。同时,由于中孔、宏孔数量少,比表面积小,孔隙表面较为光滑,煤的表面粗糙分形维数小于页岩。微孔分形维数和表面粗糙分形维数分别受微孔结构复杂程度与中孔、宏孔表面粗糙程度的影响,微孔结构越复杂,中孔、宏孔表面越粗糙,分形维数越大。