摘要：賦能納米碳由于高橫縱比和兩親化結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)出表面活性劑、分子薄膜、膠體、液晶分子和聚合物的多面特性，在納米化學(xué)提高原油采收率領(lǐng)域獨(dú)具優(yōu)勢和應(yīng)用潛力。調(diào)研總結(jié)了一維碳納米管、二維石墨烯等納米碳結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的共性與特性，全面歸納了納米碳的起源、制備方法與賦能路徑；提出了油藏高溫、高礦化度條件納米碳的精細(xì)調(diào)控賦能策略，剖析了賦能納米碳在水油和水巖石界面吸附和組裝機(jī)制，多維度精細(xì)表征手段及信息化物理模擬方法。以水驅(qū)油藏波及系數(shù)和波及區(qū)內(nèi)驅(qū)油效率均低的普遍性問題為導(dǎo)向，基于納米的分子

粒子跨尺度特征和水油巖界面效應(yīng)提煉了賦能納米碳大幅擴(kuò)大波及系數(shù)和提高驅(qū)油效率的協(xié)同耦合機(jī)制。最后，提出了賦能納米碳提高原油采收率規(guī)模應(yīng)用存在的問題和低碳、高效的發(fā)展路徑。

關(guān)鍵詞：納米碳；賦能路徑；界面自組裝；表征；物理模擬；提高原油采收率

引言

中國常規(guī)原油資源量達(dá)765x10 t，水驅(qū)油藏是常規(guī)原油開發(fā)的絕對主戰(zhàn)場，產(chǎn)量占全國原油年產(chǎn)量的80%以上。然而，受水油黏度差異大、流度比高及非均質(zhì)性等因素的影響，水驅(qū)前緣極易形成黏性指進(jìn)和舌進(jìn)，波及體積（系數(shù)）低；同時(shí)，水油和油巖石界面能大，水波及區(qū)內(nèi)驅(qū)油效率也低。以上兩方面導(dǎo)致水驅(qū)油藏的采收率僅30%左右，大量原油未采出。因此，大幅提高水驅(qū)波及體積及波及區(qū)內(nèi)的驅(qū)油效率是永恒的主題，探索和研究大幅度提高原油采收率的新理論、新技術(shù)和新材料具有十分重要的理論意義和廣闊的應(yīng)用前景。納米顆粒是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度（1～100 nm）的材料，由于獨(dú)特的量子效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)，納米科技有望推動(dòng)提高采收率理論與技術(shù)重構(gòu)，形成顛覆性創(chuàng)新技術(shù)。

納米碳表現(xiàn)出納米顆粒的共性，也呈現(xiàn)出輕質(zhì)、高機(jī)械強(qiáng)度和彈性的特性，在納米化學(xué)提高原油采收率領(lǐng)域極具潛力，相關(guān)研究和報(bào)道日益活躍。然而，納米碳強(qiáng)疏水，在油藏應(yīng)用的關(guān)鍵前提是表面修飾賦予納米碳在復(fù)雜油藏環(huán)境的穩(wěn)定性及油藏尺度的波及和驅(qū)替能力。因此，本文綜述了納米碳的制備、賦能化改性策略及賦能納米碳的界面性質(zhì)、分子一粒子跨尺度表征手段、物理模擬方法的最新研究進(jìn)展，總結(jié)了基于納米尺度、納米跨尺度和納米顆粒水一油巖石面耦合效應(yīng)的賦能納米碳提高采收率機(jī)制，并指出賦能納米碳提高原油采收率的發(fā)展方向和應(yīng)用前景。

1納米碳的制備及兩親化賦能

1）納米碳的制備

納米碳包括零維富勒烯（C60）、一維碳納米管和二維石墨烯等低維納米材料。1985年，Kroto等首次發(fā)現(xiàn)并提取了C60，C60在氦氣中采用克級富勒烯方法蒸發(fā)石墨制備，工業(yè)化的年產(chǎn)量達(dá)噸級。碳納米管在1991年被Iijima發(fā)現(xiàn)，制備方法類似Kratschmer法和Hummers法，產(chǎn)率可達(dá)30%。碳納米管可被理解為“柱狀的富勒烯”，直徑為幾納米。根據(jù)堆疊性質(zhì)，碳納米管可分為單壁碳納米管（Single Walled Carbon Nano Tube，SWCNT）和多壁碳納米管（Multi Walled Carbon Na-notubes，MWCNT）。碳納米管的“難加工性”使產(chǎn)物中SWCNT和MWCNT同時(shí)生成。

石墨烯是由碳原子緊密堆積構(gòu)成的原子級厚度的二維石墨薄片，是包括富勒烯、碳納米管和石墨在內(nèi)的sp2雜化碳材料的基本結(jié)構(gòu)單元。石墨烯是人類已知的密度最低、韌性最好、強(qiáng)度最高、導(dǎo)電性最佳的材料。Novoselov等首次通過透明膠帶的“撕膠法”機(jī)械剝離石墨得到單層和2～3層石墨烯。石墨烯的優(yōu)異性質(zhì)引起了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。納米碳的制備策略可以分為兩大類，即“自上而下”制備策略和“自下而上”制備策略（表1）。“自上而下”的制備策略是對石墨化的碳材料進(jìn)行物理（機(jī)械、磁化）、化學(xué)、物理化學(xué)和電化學(xué)剝離而得到納米碳的制備方法?！白韵露稀钡闹苽洳呗允抢煤荚氐男》肿雍铣杉{米碳的過程?！白陨隙隆焙汀白韵露稀钡闹苽洳呗垣@得的納米碳在形貌、厚度、尺寸和純度方面均有各自的特點(diǎn)，針對應(yīng)用對象需選擇特定的制備策略保證納米碳的制備和應(yīng)用經(jīng)濟(jì)、高效。

2）納米碳的兩親化賦能

由于產(chǎn)量低、成本高、價(jià)格昂貴，C60及其衍生物在提高原油采收率領(lǐng)域未見報(bào)道。碳納米管和石墨烯天然疏水、高比表面積、高表面能導(dǎo)致它們在油藏溫度、礦化度環(huán)境聚集、沉降。共價(jià)鍵或非共價(jià)鍵的兩親（親油和親水）化改性，為納米碳在油藏環(huán)境穩(wěn)定性及賦能化驅(qū)油提供了行之有效的途徑。

（1）納米碳的共價(jià)鍵賦能

有機(jī)（無機(jī)）分子（原子）氧化或還原納米碳是納米碳共價(jià)鍵兩親化賦能的主要途徑。納米碳在硫酸和高錳酸鉀等強(qiáng)氧化介質(zhì)作用下可以廉價(jià)規(guī)?；苽溲趸{米碳（Graphene Oxide，GO）。Luo等采用烷基胺改性氧化石墨烯，制備了兩親化賦能GO，與GO相比，兩親化賦能GO水溶液在室內(nèi)環(huán)境耐鹽性能增強(qiáng)。歐霄巍采用三氨丙基三甲基硅烷分別與GO上的羥基及環(huán)氧交替共價(jià)成鍵，得到層層自組裝（Layer By Layer， LBL）多層膜。其他納米材料的化學(xué)改性方法也為納米碳的改性提供參考和借鑒。例如，Yin等以聚丙烯酰胺微球?yàn)槟０?，依次吸附三烷氧基硅烷的親水和疏水基團(tuán)，然后超聲剝離聚丙烯酰胺微球得到驅(qū)油用兩親化Janus硅基納米片。與納米碳相比，共價(jià)鍵賦能產(chǎn)生局部sp3雜化碳原子減少了碳原子sp2雜化產(chǎn)生的π-π堆積效應(yīng)，提高了納米碳在水中的分散和穩(wěn)定性；同時(shí)，功能基團(tuán)與納米碳的含氧官能團(tuán)（羧基、羥基等）的共價(jià)鍵反應(yīng)，有利無機(jī)（有機(jī)）分子在其表面生長，從而將特定功能的基團(tuán)錨定到納米碳優(yōu)異的理化性能表面，制備出結(jié)構(gòu)和性能豐富的賦能納米碳。

（2）納米碳的非共價(jià)鍵賦能

納米碳與其他物質(zhì)之間的超分子交互作用是納米碳非共價(jià)鍵賦能化的常用途徑。Liu等報(bào)道了陰離子型十二烷基硫酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉及非離子型三硝基甲苯來延緩碳納米管的高度團(tuán)聚，進(jìn)而形成穩(wěn)定的單壁碳納米管膠狀懸浮液。Moore等研究了陰離子、陽離子和非離子表面活性劑及聚合物水溶液對納米碳的懸浮和穩(wěn)定性能。Elyaderani等研究了羧基化碳納米管（MWCNT-COOH）在室溫環(huán)境不同NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的穩(wěn)定性，表明質(zhì)量分?jǐn)?shù)0-1%的MWCNT-COOH在質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.00%的NaCl溶液中聚集、沉降，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%的聚合物后，能在質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.00%的NaCl溶液中穩(wěn)定10d以上。目前，普遍認(rèn)可的機(jī)制是表面活性劑在水溶液中分散、穩(wěn)定納米碳主要是通過疏水（親水）作用，即表面活性劑的疏水基團(tuán)吸附在納米碳上而親水基團(tuán)與水分子結(jié)合；聚合物則通過親水官能團(tuán)增強(qiáng)空間的穩(wěn)定性來分散、穩(wěn)定納米碳。非共價(jià)鍵賦能的納米碳保證了納米碳的原始性能，不妨礙或者非常微弱地妨礙納米碳上的兀電子體系，從而保護(hù)了納米碳的π共軛。

化學(xué)合成和超分子化學(xué)的賦能化改性提高了納米碳在水中分散性和穩(wěn)定性，但在油藏環(huán)境下的穩(wěn)定性需精細(xì)調(diào)控納米碳的親油-親水平衡。

2賦能納米碳的界面吸附與組裝

1）賦能納米碳在水油界面吸附與組裝

賦能碳納米管的內(nèi)徑幾納米，長度可達(dá)幾十微米；賦能石墨烯的片層厚度幾納米，平面延展可達(dá)幾毫米；賦能納米碳既擁有sp2碳原子所構(gòu)成的六元環(huán)蜂窩結(jié)構(gòu)，又具備sp3雜化碳原子與其他原子（Si、N、S和H等）封端的氧原子形成豐富的親水官能團(tuán)。由于高的橫縱比和兩親化結(jié)構(gòu)，賦能納米碳能夠在特定的界面進(jìn)行組裝，表現(xiàn)為表面活性劑、分子薄膜、膠體、液晶分子和聚合物的多面特性（圖1）。提高原油采收率用賦能納米碳的界面性質(zhì)主要體現(xiàn)為賦能納米碳在水-油、水-巖石的界面性質(zhì)。賦能納米碳和其他兩親表面修飾的納米顆粒一樣，具有較大的比表面積和親油-親水的特征。類似表面活性劑分子在水一油界面自發(fā)緊密排列，親水端朝向水相、親油部分面向油相，降低水油界面能（界面張力），體系熵增加，整個(gè)過程表現(xiàn)為自發(fā)行為。納米顆粒從本體相擴(kuò)散（遷移）到界面的速率與密度緊密相關(guān)，因此，輕質(zhì)的賦能納米碳以較快的速率擴(kuò)散（遷移）到界面，實(shí)現(xiàn)從納米分散液到宏觀尺度納米陣列的液晶。Luo等對兩親Janus石墨烯在油相水相不同界面的擴(kuò)散行為研究表明，兩親Janus石墨烯從油相滴入還是從水相滴人，最終都會(huì)在油水界面富集。吳偉鵬等研究表明其他賦能二維納米片（2D納米黑卡）有同樣的界面吸附、富集特性。賦能納米碳在水-油界面發(fā)生吸附后的另一個(gè)有趣現(xiàn)象是作為膠體在剪切誘導(dǎo)納米碳進(jìn)一步形成Pickering乳化液。由于納米顆粒在界面的吸附能是表面活性劑的幾千倍及以上，在流體界面上的吸附幾乎是不可逆的，這突破了傳統(tǒng)乳化劑（表面活性劑）形成乳化液不可避免的Ostwald成熟（相變）瓶頸，進(jìn)而能夠形成和穩(wěn)定高內(nèi)相Pickering乳化液。賦能納米碳形成Pickering乳化液的類型表現(xiàn)為納米顆粒的共性，偏親油的本征潤濕表面（潤濕接觸角gt;90°）形成油包水乳化液，偏水濕的本征潤濕表面（潤濕接觸角lt;90°）形成水包油乳化液，中性的本征潤濕表面（潤濕接觸角=90°）形成油水交互的雙連續(xù)相乳化液凝膠，Pickering乳化液顯著高于乳化液體系的體相黏度。

2）賦能納米碳在水-巖石界面的吸附和潤濕

納米顆粒在水-巖石界面吸附的驅(qū)動(dòng)力主要是因?yàn)榧{米顆粒的表面活性，涉及巖石表面與納米顆粒的作用力包括靜電、氫鍵、疏水和π-π共軛等非共價(jià)作用力。研究表明，納米顆粒主要吸附在巖石的黏土礦物（蒙脫石、伊利石和高嶺石等）表面，幾乎不在石英表面吸附，這與表面活性劑在巖石表面的吸附行為完全不同。吸附后巖石表面的潤濕性受納米顆粒本征潤濕性和納米顆粒的幾何形貌的影響。

潤濕行為的研究一般都基于著名的楊氏方程及粗糙表面的修正模型。楊氏方程假設(shè)液滴在固相界面，液滴與固相接觸線處的界面膜厚度幾乎為零，并且液滴輪廓始終不發(fā)生變形。由于納米尺度，納米顆粒在巖石表面的潤濕現(xiàn)象與上述假說矛盾，使得納米流體在固相表面的潤濕現(xiàn)象不適合楊氏方程描述，已有的研究進(jìn)行了較充分的論證。Nosonovsky等提出了微（納）米尺度形貌的復(fù)合界面穩(wěn)定性假說，并通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算證明了固體表面凸起部分若為微米和納米尺度互穿的粗糙面，能有效改變固體表面的潤濕性，甚至形成“雙疏”（疏水、疏油）的固體表面。由于石墨是以石墨烯的方式相互層疊，層間距離為0.34 nm，沒有化學(xué)鍵連接，僅存在范德華力保持石墨的層狀堆垛結(jié)構(gòu)，原子層可以輕松地滑動(dòng)。這樣的結(jié)構(gòu)賦予納米碳和賦能納米碳優(yōu)異的潤滑和減阻效應(yīng)，呈現(xiàn)分子薄膜特征，這是非碳基納米顆粒不具有的特性。因此，筆者推測賦能納米碳在水巖石界面的吸附和潤濕既有納米顆粒的共性，也表現(xiàn)為個(gè)性。

3賦能納米碳的多維表征

賦能納米碳的表征包括本體形態(tài)和結(jié)構(gòu)、分散液的物理化學(xué)性質(zhì)及界面性質(zhì)的表征。顯微鏡成像是表征本體物形態(tài)和水溶液微觀結(jié)構(gòu)的最直接技術(shù)：原子力顯微鏡的微小探針“搜索”本體物的形貌、高低（厚度）和大?。ǔ叽纾粧呙杷淼里@微鏡在原子、分子維度觀察本體物形成二維有序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；環(huán)境掃描電鏡和冷凍透射電子顯微鏡在冷凍干燥狀態(tài)“掃描”溶液的二維網(wǎng)絡(luò)形貌。波譜技術(shù)表征化學(xué)結(jié)構(gòu)，主要包括：高場核磁共振、衰減全反射紅外光譜、拉曼光譜與X射線光電子能譜等。瓶試法進(jìn)行宏觀相行為是分析溶液熱鹽穩(wěn)定性的常規(guī)手段。賦能納米碳對巖石潤濕性改變通過接觸角分析儀來表征，借助紫外

可見分光光度計(jì)可量化在巖石表面吸附量。賦能納米碳在水油超分子組裝體的表征需借助更特殊和更具表面敏感的液液接觸分析技術(shù)。旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀通過表征油水界面自由能的變化，計(jì)算賦能納米碳對油水界面張力的降低；賦能納米碳在水-油界面組裝膜的穩(wěn)定性直接反映是機(jī)械強(qiáng)度的大小，常用界面流變技術(shù)（如剪切法、擴(kuò)張法等）間接反映；LB膜槽通過溶劑“呼吸”法表征壓縮-擴(kuò)張循環(huán)過程中多層膜的機(jī)械強(qiáng)度與穩(wěn)定性；石英晶體微天平通過處理后的芯片和流動(dòng)相模擬水油界面，可得到納米級別界面膜厚度。小角度中子散射通過擬合中子散射曲線得到界面膜厚度，可直接測定賦能納米碳在水油界面組裝膜厚。賦能納米碳在巖石表面的潤濕性可通過接觸角分析儀來表征。上述表征技術(shù)也適用其他類型納米顆粒的表征。在實(shí)際研究中常需要結(jié)合各維度的表征方法研究納米顆粒的結(jié)構(gòu)、尺度、分散液物理化學(xué)性質(zhì)和水油巖石界面特性。

4賦能納米碳驅(qū)油的信息化物理模擬

賦能納米碳在水油、水巖石界面性質(zhì)不能完全體現(xiàn)儲層孔隙中賦能納米碳的驅(qū)替特征?；瘜W(xué)驅(qū)的物理模擬方法為納米化學(xué)的物理模擬提供重要借鑒：1）使用T型或束狀毛細(xì)管研究納米顆粒在不同形態(tài)孔隙喉道中的流動(dòng)、原位Pickering乳化液的形成；2）以真實(shí)巖芯孔隙拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為原型制作微流控模型；3）使用填砂管、天然或人造巖芯模擬納米顆粒在孔隙中的驅(qū)油；4）巖芯驅(qū)替與微流控模型相結(jié)合研究納米顆粒界面效應(yīng)和驅(qū)油特征。對于可視化的模型，采用顯微鏡和高清攝像可實(shí)時(shí)監(jiān)控賦能納米碳水溶液及其原位乳化液在孔隙結(jié)構(gòu)中的流動(dòng)、油水飽和度分布。對無法直接觀察或攝像的填砂管或巖芯，采用X射線斷層掃描（Computed Tomography，CT）或核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）等數(shù)字成像技術(shù)，在三維孔隙尺度水平研究納米顆粒的流動(dòng)、驅(qū)替特征、乳化液的原位形成及大小、油水飽和度場分布及潤濕性變化。目前常規(guī)的微流控模型定量化分析效果較差；填砂管或巖芯模擬可以實(shí)現(xiàn)長尺度物理模擬，但無法描述油水飽和度分布和潤濕性的微觀變化；CT和NMR測試可實(shí)現(xiàn)驅(qū)替過程的成像和定量化表征，但耗時(shí)較長。根據(jù)研究目的，需綜合應(yīng)用以上實(shí)驗(yàn)手段實(shí)現(xiàn)對納米顆粒物理模擬的信息化表征。

5賦能納米碳提高原油采收率機(jī)理

化學(xué)驅(qū)提高原油采收率的重要理論基礎(chǔ)是提高波及系數(shù)及提高波及區(qū)內(nèi)的驅(qū)油效率。油藏水驅(qū)后，原油分為剩余油和殘余油兩大類。剩余油是由于儲層非均質(zhì)性和不利水油流度比，水驅(qū)過程中未波及的原油；殘余油是水波及的區(qū)域沒有被驅(qū)替出來的原油。已有的研究成果均表明，賦能納米碳在提高原油采收率發(fā)揮了微量且顯著的效果。例如，Khoramian等研究表明，與水驅(qū)相比0.04%的氧化石墨烯分散液可提高碳酸鹽巖巖芯采收率28%；質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.01%及以下納米驅(qū)油劑的驅(qū)油效率通常低于5.0%，Luo等通過物理模擬研究表明，采出液超高含水（98%）狀態(tài)，相同濃度的烷基化氧化石墨烯在砂巖巖芯的驅(qū)油效率達(dá)15.2%，是普通納米驅(qū)油劑驅(qū)油效率的3倍。當(dāng)前納米化學(xué)驅(qū)的研究主要聚焦納米顆粒的小尺度效應(yīng)和液固界面效應(yīng)衍生的驅(qū)油機(jī)理，基于納米顆粒的分子、粒子跨尺度特征和水-油-巖石界面效應(yīng)的提高采收率機(jī)制缺乏引領(lǐng)性認(rèn)識。在聚類和聚焦國內(nèi)外學(xué)者對納米化學(xué)驅(qū)油機(jī)理的綜述和學(xué)術(shù)研究成果基礎(chǔ)上，結(jié)合納米尺度、納米跨尺度和納米碳在水油和水巖石界面耦合效應(yīng)，歸納總結(jié)賦能納米碳潛在的提高采收率機(jī)制（圖2）。

1）擴(kuò)大波及系數(shù)

水驅(qū)油藏的波及系數(shù)對采收率的貢獻(xiàn)率可達(dá)70%，驅(qū)油效率的貢獻(xiàn)率為40%左右。擴(kuò)大波及系數(shù)是提高原油采收率的最重要前提和基礎(chǔ)。賦能納米碳在中-高滲儲層擴(kuò)大平面波及系數(shù)的機(jī)理為，賦能納米碳在水-油界面聚集形成界面膜，黏彈性的界面膜原位控制水相流度，在地層剪切誘導(dǎo)下納米顆粒進(jìn)一步與油、水形成Pickering乳化液，實(shí)現(xiàn)智能找油和自主驅(qū)油。Elyaderani等研究表明，0.1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的聚合物MWCNT-COOH在含水50%條件下，普通稠油（室內(nèi)環(huán)境，黏度355 mPa-s）乳化形成黏度是原油黏度1.1～1.7倍，具有優(yōu)異的流度控制能力Pickering乳化液。Liu等研究了兩親賦能的氧化石墨烯（GOC）在儲層含水率80%（剩余或殘余油飽和度20%）誘導(dǎo)油水形成黏度是普通稠油黏度2.1倍的增黏性Pickering乳化液。乳化液通過孔隙喉道產(chǎn)生的Jamin效應(yīng)也有助水驅(qū)波及系數(shù)的擴(kuò)大。此外，二維納米顆粒注入油藏后在離散化的油水界面能形成穩(wěn)定的吸附層，并可聚集微油滴，進(jìn)入稠油內(nèi)部破壞膠質(zhì)、瀝青質(zhì)分子纏繞結(jié)構(gòu)，降低稠油的黏度。

納米顆粒在低-超低滲透儲層擴(kuò)大波及系數(shù)的主要機(jī)制是“降壓增注”和降低水分子“氫鍵締合尺寸”。基于納米點(diǎn)陣滑移效應(yīng)，顧春元等認(rèn)為，納米顆粒在巖石表面的納米吸附層改變了巖石表面的親油-親水性質(zhì)，形成水流滑移層；計(jì)算表明，納米二氧化硅在巖石表面吸附形成的滑移長度在100 nm以上，從而深化了疏水滑移效應(yīng)理論，揭示了納米顆粒降壓增注機(jī)理。張磊等認(rèn)為水介質(zhì)中加入可均勻分散的納米顆粒，減弱水分子間的氫鍵締合作用，將單個(gè)水分子的鍵角變小，有效減小低-超低滲透儲層的啟動(dòng)壓力，因此，尺寸變小的水分子更易進(jìn)入孔喉尺寸更小的通道，進(jìn)一步豐富和發(fā)展了納米顆粒擴(kuò)大波及系數(shù)理論。

納米顆粒在水-油界面組裝構(gòu)建的微米-毫米跨尺度乳化液能封堵高含水優(yōu)勢通道，調(diào)控儲層滲透率的非均質(zhì)性。與傳統(tǒng)表面活性穩(wěn)定的乳化液相比，納米顆粒形成的Pickering乳化液的穩(wěn)定性極大提高，這是因?yàn)榧{米顆粒在油水界面形成的空間壁壘遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于表面活性劑，從而阻止了乳化液滴之間的聚并。納米顆粒最顯著特征之一是形成和穩(wěn)定超高水內(nèi)相（含水率gt;85%）的乳化液，中性潤濕的納米顆粒甚至形成油水交互的雙連續(xù)相乳化液凝膠。高含水內(nèi)相的Pickering乳化液和油水交互的雙連續(xù)相乳化液凝膠的黏度是油相黏度的幾百上千倍。非均質(zhì)巖芯物理模擬表明Pickering乳化液能有效調(diào)控滲透率非均質(zhì)性，擴(kuò)大垂向波及體積，在常規(guī)水驅(qū)極限采收率的基礎(chǔ)上，再提高原油采收率25%以上。Cote等研究表明，賦能二維納米碳形成Pickering乳化液的粒徑可達(dá)毫米級別，可以推測這種尺度的Pickeirng乳化液將在油藏尺度調(diào)控滲透率的非均質(zhì)性。

2）提高驅(qū)油效率

納米顆粒的親油（親水）部分在油-水界面定向排列，取代了以前的油-水界面，減少兩相間的摩擦力，從而降低界面張力；納米顆粒在油-水-巖石界面處形成楔形膜，改善巖石表面潤濕性，降低油在巖石的黏附功，“楔形結(jié)構(gòu)分離壓力”剝離油滴，從而將油膜輕易“卷起”；納米顆粒在降低油-水界面張力和改善巖石潤濕性的協(xié)同作用也表現(xiàn)為毛管力大小和方向的改變，有利油滴通過孔喉，有效“擴(kuò)散”油滴。Cao等等研究均表明，兩親賦能氧化石墨烯表現(xiàn)出極強(qiáng)的界面性能，在水-油界面自發(fā)形成界面膜降低水-油界面張力至10-1 mN/m的數(shù)量級，同時(shí)，將強(qiáng)油濕巖石表面改善為強(qiáng)水濕表面，提高驅(qū)油效率。納米顆粒的“卷起”和“擴(kuò)散”雙重微觀驅(qū)油是結(jié)構(gòu)分離壓力、水-油界面張力降低、巖石潤濕性改善三者共同的作用結(jié)果。已有的文獻(xiàn)一致表明，與其他類型納米顆粒相比，賦能納米碳具有更優(yōu)異的驅(qū)油效率。室內(nèi)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)表明，水驅(qū)至高含水率85%以上，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.01%～0.02%的賦能納米碳在水驅(qū)的基礎(chǔ)上調(diào)高驅(qū)油效率15.0%～25.0%。與之對比，Ogolo等報(bào)道了8種類型的納米顆粒（偶聯(lián)劑改性的SiO2、SnO、Al2O3、MgO、Fe2O3、Ni2O3、ZnO和ZrO2）在填砂管中驅(qū)油效率，他們獲得了Al2O3納米顆粒的潛力最大，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.30%的Al2O3納米顆粒的驅(qū)油效率為5.0%。

6存在問題與展望

雖然納米碳的主要原料石墨廉價(jià)易得，然而，當(dāng)前賦能納米碳由分步法制備獲得，大規(guī)模制備技術(shù)仍然是其實(shí)際應(yīng)用的瓶頸，也制約了賦能納米碳在油田的規(guī)模應(yīng)用。在石墨解離成納米碳的過程中同時(shí)兩親化賦能，賦能納米碳的“一步法”制備技術(shù)是未來發(fā)展的重要方向。與其他納米顆粒一樣，納米碳的高比表面積和強(qiáng)表面效應(yīng)導(dǎo)致納米碳聚集。納米碳在復(fù)雜水質(zhì)（溶劑）和溫度環(huán)境長期穩(wěn)定性的賦能調(diào)控方法一直是廣大學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)。物理、化學(xué)及物理化學(xué)聯(lián)作的制備策略和改性手段推動(dòng)納米碳結(jié)構(gòu)和性能多樣，賦予其全油藏尺度波及和驅(qū)替的潛力?；谟筒貎恿黧w性質(zhì)、巖石組成、孔隙空間結(jié)構(gòu)和含水特征，設(shè)計(jì)納米碳的尺寸、兩親化賦能納米碳，實(shí)現(xiàn)賦能納米碳滲透率非均質(zhì)調(diào)控、流度控制、微觀驅(qū)油賦能納米碳大幅度提高原油采收率的關(guān)鍵路徑。

賦能納米碳降低油水界面張力和改善巖石潤濕性體現(xiàn)了表面活性劑的性質(zhì)；在油-水-巖石界面處形成楔形膜，對油膜的運(yùn)移產(chǎn)生“滑移”是分子薄膜的性質(zhì)；在水-油界面聚集形成黏彈性界面膜體現(xiàn)了液晶分子自組裝的性質(zhì)；在油-水界面組裝形成Pickering乳化液表現(xiàn)了膠體乳化劑的性質(zhì)；橫縱比高達(dá)幾千的賦能納米碳也可認(rèn)為是一類嵌段共聚物。賦能納米碳的多面特性激發(fā)科研工作者應(yīng)從多維多視角考量賦能納米碳的性能和油藏尺度耦合提高采收率的機(jī)制。

7結(jié)語

由于納米顆粒獨(dú)特的量子效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)等，納米驅(qū)油有望突破傳統(tǒng)化學(xué)驅(qū)藥劑使用“濃度高”、低滲“注不進(jìn)”和高溫高鹽油藏“降解、失效”等技術(shù)瓶頸，擴(kuò)大化學(xué)驅(qū)的油藏覆蓋范圍，提質(zhì)增效。納米驅(qū)油已在超低滲、高溫高鹽等油藏開展了先導(dǎo)性試驗(yàn)，發(fā)揮了微量且顯著的效果。作為納米材料的重要成員，賦能納米碳不但具有納米顆粒的共性，又獨(dú)具魅力，集中體現(xiàn)為表面活性劑、分子薄膜、膠體、液晶分子和聚合物的多面特性。例如，Liu等報(bào)道了GOC的微觀形貌呈現(xiàn)出聚合物溶液的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，主要是因?yàn)镚OC的一段是疏水的石墨烯片，另外一段是親水的低聚二醇，這樣的結(jié)構(gòu)也使GOC能增強(qiáng)水相黏度而表現(xiàn)出聚合物溶液的黏彈性。同時(shí)，縱向上的納米尺寸，能夠?qū)崿F(xiàn)低-中-高滲透油藏的波及；賦能納米碳在水-油和水-巖石界面吸附和組裝的跨尺度效應(yīng)具有全油藏尺度的驅(qū)替潛力。當(dāng)前的賦能納米碳由分步法獲得，在納米碳制備過程中同時(shí)兩親化賦能，是賦能納米碳制備技術(shù)未來發(fā)展的重要方向?；谟筒貎恿黧w性質(zhì)、巖石組成、孔隙空間結(jié)構(gòu)和含水特征，借助多維表征和信息化模擬技術(shù)，發(fā)展賦能納米碳的滲透率非均質(zhì)調(diào)控、流度控制和微觀驅(qū)油的耦合理論和技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)賦能納米碳低碳、高效提高原油采收率的關(guān)鍵路徑。