3.5 油-水-固三相接触区域形成结构分离压力

          近十几年里，纳米流体一直被认为是大幅度提高原油采收率的候选者。关于润湿现象的研究一般都是基于著名的Young方程或适用于粗糙表面的修正模型。然而，Young方程基于以下假设：液滴形状为球形，液滴与固相接触线处液体厚度为0，液滴的球状轮廓始终不发生变形。但实验表明，纳米流体在固相表面的润湿现象与这一假设相矛盾，使得Young方程不再适用于描述纳米流体在固相表面的润湿现象。传统的化学驱油机理也无法解释纳米流体驱油过程中纳米颗粒在固体表面的快速扩散速度。为了解释此现象，Wasan等于2003年提出了结构分离压力（structuring disjoining pressure，SDP）的概念。

         SDP是由于纳米颗粒在一个封闭区域（楔形薄膜）内有序排列造成的，源于楔形膜结构对纳米颗粒的限制（图7），而不是来自体相中自由运移的纳米颗粒。基于Orn⁃stein-Zernike统计力学原理可计算球形纳米颗粒产生的SDP解析表达式。研究结果表明，随着纳米粒子体积分数的增加，三相接触限制区域内的渗透压力和结构分离压力也会增加，体积分数与纳米颗粒的直径成反比，SDP取决于纳米颗粒的直径、温度、体积分数和纳米颗粒及其它性质。当楔形膜厚度小于单个纳米颗粒直径时，结构分离压力绝对值与渗透压绝对值相等，且渗透压越高，SDP越高。

        在楔形膜中，SDP由顶点向外相呈现振荡衰减的趋势，楔形膜顶点的SDP值可达50 000 Pa（图8），极大的 增强 了 纳 米 流 体 沿 着 三 相 界 面 的 扩 散 行 为。

        Kondiparty等从油滴顶部观察到纳米流体启动玻璃表面油滴时出现了两条明显的接触线（图9）：外接触线（油滴、固体和水膜之间）和内接触线（油滴、固体和油水混合膜之间）。

        其中，外接触线为常规三相接触线，内接触线为纳米流体膜扩展边缘与油-固界面相遇的边界。Zhang等揭示了纳米流体驱动后形成的厚油膜不稳定并会破碎形成油环，然后在结构分离压力的作用下，油环与固体表面分离形成球状油滴，纳米流体可利用此机理将岩石表面的剩余油膜剥离，从而大幅度提高原油采收率。

        Wasan和Kondiparty等的研究结果均是在球形纳米颗粒浓度大于10 wt%、且纳米流体中需加入8 wt% SDS时，三相约束结构（楔形薄膜）内才会形成结构分离压力，并作为纳米流体主要的驱油机理之一。目前很多研究文献中球形纳米颗粒体积分数远远低于10 wt%，在这种情况下结构分离压力能否作为纳米流体驱油的主要机理是值得商榷的。近年来Qu等研究了片状纳米流体在超低使用浓度下（0.005 wt%）也可在三相受限接触区域内形成两种接触线：内接触线和外接触线，在比较短的时间内就可将油滴从固体表面剥离掉，这项研究成果突破了只有高浓度球形纳米颗粒才能形成结构分离压力的限制，为片状纳米流体在矿场的应用提供了可能性。

3.6 降压增注

        纳米降压增注技术是一种将特定的纳米颗粒材料通过分散介质携带到油藏中，并吸附在喉道表面，改变孔壁表面润湿性和微结构，达到降压增注的目的。Di等提出了纳米点阵滑移效应解释了纳米流体降压增注的原因。疏水性纳米颗粒可取代水化层在孔喉表面呈点阵排列并形成纳米层，使孔喉表面表现为超疏水性，注入的水无法靠近孔喉表面从而产生水流滑移效应；此外，纳米颗粒在岩石孔喉表面致密排列，减少了水相与岩石表面的接触机会，进而可大幅度降低水相的流动阻力。陈玉祥等采用溶胶-凝胶法制备了纳米二氧化硅粉体，并用硅烷偶联剂对SiO₂表面进行改性，降压增注实验结果表明，与表面活性剂溶液相比，改性的纳米SiO₂流体具有更高的注入量和明显的驱替压差下降率。刘培松制备了一种粒径分布在6~7 nm的水基纳米聚硅增注剂，岩心驱替实验结果表明，该水基纳米聚硅增注剂对人造岩心和天然岩心的渗透率分别提高了65.5%和48%。综上所 述 ，纳 米 流 体 降 压 增 注 的 机 理 可 以 概 括 为 三个：①扩大孔隙有效半径（图10）；②超疏水效应；③防膨性能。

        ①扩大孔隙有效半径。储层孔喉表面带有负电荷，表现为亲水性，黏土颗粒表面会吸附一定厚度的水膜，当注入水经过地层孔隙时就会与水膜作用增大流动阻力，导致注入压力大、注水困难。将纳米流体注入地层后，纳米流体中的非极性物质（改性纳米颗粒表面大量的—CH3）驱逐水膜，致使地层孔隙表面水膜厚度变薄，相当于扩大了地层孔隙有效半径。

        ②超疏水效应。纳米颗粒与孔隙表面水化层产生“竞争”吸附，疏水性纳米颗粒表面大量不饱和键的高能态和表面原子的极不稳定性，使其具有较强的亲水性和结合吸附能力，地层中的纳米颗粒在扩散、对流、沉降等方式下靠近壁面，通过分子力、氢键等作用在孔隙表面与水化层竞争吸附并代替孔隙表面水膜，形成强疏水性的吸附层，使孔隙喉道进一步扩大，岩石润湿性发生反转，注入水在储层岩石表面流动时产生疏水滑移作用，从而降低注入水流动阻力，选择性地提高了水相渗透率。

        ③防膨性能。带正电的纳米颗粒进入岩石孔隙，并吸附在岩石孔隙表面，不仅有效扩大了孔隙半径，形成强疏水层，也隔开了黏土矿物与水的接触，削弱了黏土颗粒的水化膨胀和扩散，降低了颗粒迁移对地层孔隙的堵塞几率，进而降低注水压力，起到一定的增注作用。