1. 引言
在当今能源需求不断增长的背景下，低渗透油藏的有效开发潜力愈发受到重视。传统的石油开采方法常常受到地层渗透率低的制约，从而导致油气采收率未能达到理想水平。根据各类研究数据，低渗油藏的平均油气采收率通常不足20%，这不仅使得能源资源的配置效率较低，而且加剧了能源资源的浪费，显著降低了经济效益。因此，开发和应用新型的驱油技术已成为提高低渗透油藏采收率的关键研究方向[1]。
纳米驱油剂的出现，为低渗透油藏的开发提供了新的视角和方法。纳米驱油剂是指以纳米级材料为基础，利用其独特的物理化学特性，增强油藏中的流体动力学行为。这些材料通常具有极高的比表面积和优异的流变特性，能够显著改善流体的流动性和迁移性，从而促进原油在低渗环境中的渗吸作用。研究表明，引入纳米驱油剂能够提高流体的有效减压率，并降低流体的粘度，使得原油在固体颗粒之间的传输效率显著提升。
具体而言，纳米材料在驱油过程中的应用不仅局限于某些传统的石油开采方法。近年来，诸多实验研究表明，纳米粒子的加入能够有效改变流体的界面张力，促进毛细现象的发生，特别是在微观油水界面处所产生的影响。在某些实例中，通过对比实验，纳米驱油剂的使用使得原油的采收率可提高30%至50%。这显然为低渗油藏的经济可行性提供了有力的数据支持。
2. 纳米驱油剂概述
2.1. 纳米驱油剂的制备方法
纳米驱油剂作为现代油田开发中的重要技术之一，其定义及分类对于理解其在复杂渗流环境中的应用具有至关重要的意义。如图1所示，纳米驱油剂可以被界定为在油田开发过程中，采用具有纳米级别粒径的材料，以改善原油的渗流性质与流动特性，从而实现更高效的油气采收率的高新技术产品。这类驱油剂利用其较大的比表面积和独特的物理化学性质，如优异的润湿性、相互作用力以及熔点等特点，显著提高油藏中流体的流动效率，并减小流体间的界面张力。
Figure 1. Nano oil repellent samples
图1. 纳米驱油剂样品
纳米驱油剂作为提升石油采收率的创新材料，其制备方法的多样性直接关系到其性能和应用效果。在目前的研究中，纳米驱油剂通常采用化学合成法和物理法两大类途径进行制备。这些方法各具特点，因而在选择时必须综合考虑其优缺点与适用条件，以确保纳米驱油剂在低渗透油藏中的有效渗吸[2]。
化学合成法被广泛应用于纳米驱油剂的制备。主要包括水相合成、溶剂热合成和沉淀法等。其中，水相合成因其操作简便、反应条件温和而受到青睐。在此工艺中，反应物在水相中进行反应，能够有效控制粒子的大小和形貌。例如，采用聚乙二醇作为稳定剂及表面改性剂，不仅可以实现纳米粒子的均匀分散，还可以提升其在油藏中的相容性。然而，化学合成法的一个显著缺点在于反应过程中可能产生有毒副产物，导致环境污染及处理困难[2]-[4]。制备成本及能耗也是制约其实际应用的因素如图2所示。
Figure 2. Schematic diagram of oil repellent principle of composite nano oil repellent agent [4]
图2. 复合型纳米驱油剂驱油原理示意图[4]
与化学合成法相对，物理法如机械研磨、喷雾干燥等则利用物理机械力来制备纳米驱油剂。这类方法的优势在于其相对低的成本和简便的操作。以机械研磨为例，该方法通常通过高能球磨机对原料进行处理，能够快速形成纳米级别的颗粒。目前，一项研究表明，采用此方法制备的纳米驱油剂其粒径可有效控制在50 nm左右，具有良好的流动性与渗透性。然而，物理法的限制在于难以实现特定化学性质的调控，且在大规模生产中其均匀性与可重复性面临挑战。
生物法作为一种新兴的制备方法也逐渐受到重视，该方法利用微生物或植物提取物合成纳米颗粒。由于其绿色环保的特性，生物法在可持续发展背景下具有潜在优势。研究表明，利用植物提取物合成的纳米驱油剂不仅具有良好的生物相容性，还可能展现出较强的界面活性。然而，生物法的生产周期较长，且对原料的选择有较高的依赖性。
2.2. 纳米驱油剂于油藏开发中的储层响应机制
在低渗透油藏开发中，纳米驱油剂通过其独特的物理化学特性与储层地质条件相互作用，形成多尺度的协同增效机制。低渗储层普遍发育的微纳米级孔喉系统对驱油剂的运移能力提出严格限制，而纳米颗粒的尺寸效应使其能够有效进入传统驱油剂无法触及的微小孔隙。实验研究表明，表面功能化的纳米颗粒可在孔喉中形成稳定运移通道，显著降低流动阻力，同时在高温(>120℃)和高盐(矿化度 > 20 × 104 mg/L)环境下保持分散稳定性[4]。这种适应性源于纳米材料的结构设计，例如通过ZrO₂包覆或聚合物接枝改性，可在极端条件下抑制颗粒聚集，确保驱油剂在储层深部的长效作用。
纳米驱油剂在低渗油藏开发中通过多尺度协同机制显著提升采收率。其粒径与储层微纳米级孔喉高度匹配，可深入传统驱油剂无法触及的微小孔隙，形成稳定运移通道。表面功能化设计(如磺酸基修饰)赋予纳米颗粒耐高温(>120℃)、抗高盐(矿化度 > 20 × 104 mg/L)特性，ZrO2包覆改性可抑制极端条件下的颗粒聚集，确保长效驱替能力。
微观上，纳米剂通过双重作用增强原油动用：超低界面张力(10−3 mN/m量级)削弱原油粘附力，使毛细管渗吸效率提升35倍；活性基团动态调控岩石润湿性，将强油湿表面转为中性，改变油水分布模式。微观可视化显示，纳米颗粒可破坏0.2 μm孔喉内的原油边界层，形成连续油流，驱油效率从25%提升至50%以上，并在裂缝–基质系统中扩展原油动用半径45倍。
宏观驱替中，纳米剂的低剪切特性使驱替压力梯度降低40%~50%，缓解低渗储层注采压差难题。其自适应流动调控优先进入高含油区，提高波及效率。现场应用表明，在0.5 mD碳酸盐岩油藏中，纳米剂使单井日产量提高30%~45%，增产周期延长至12个月。环境友好型设计(生物降解率 > 85%)同步降低生态风险，兼顾开发效益与可持续性。未来需结合智能技术优化动态匹配，推动低渗油藏开发向精准化发展。
3. 低渗油藏的特征
3.1. 低渗油藏的渗透特性
低渗油藏是指地下岩石中油气的渗透率较低，通常低于1 mD，使得油气的流动受到显著限制[5]。这类油藏的形成与其地质背景密切相关，常常分布于陆相沉积盆地以及某些海相沉积环境中。根据中国的地质调查数据，目前低渗油藏主要分布于松辽盆地、沉阳盆地、川东北盆地等，具备丰富的油气资源，但其相对较低的渗透性却使得开采工作面临诸多挑战[6]。
低渗油藏的渗透特性是影响油气开发效率和经济性的关键因素，其特征不仅受到微观孔隙结构的影响，如图3所示，还和相关的物理化学性质紧密相连。需明确低渗油藏通常表现出较低的渗透率，这一特性直接限制了流体在岩石孔隙中的流动能力，从而对油气的开采造成障碍[7]。渗透率的变化往往与岩石的微观结构和化学成分紧密相关，这要求研究者们对其进行细致的分析和测试[7]。
Figure 3. Complex microstructure of low permeability reservoirs [7]
图3. 低渗油藏复杂的微观结构[7]
微观孔隙结构的复杂性和多样性是导致低渗油藏渗透性差异的一个重要因素。实际勘探中发现，低渗油藏的孔隙度普遍较低，且孔隙形状多为不规则，这意味着流体在其中的移动时常会受到干扰。孔隙壁的粗糙度以及孔隙连通性也是影响渗透率的关键因素。研究表明，孔隙与孔隙之间的连接程度越高，流体的渗流能力越强；反之，若存在大量孤立的微小孔隙，则流体的迁移将受到极大限制。
通过实验观察和数据验证发现，水或油的饱和状态直接影响了低渗油藏的渗透特性。当孔隙中充满水时，其渗透率往往会显著下降，尤其是在水驱过程中，施加的驱动力不足以克服毛细管力时，油气的移动极为困难。对此，采用成本效益驱动的测试方法来评估不同饱和度带来的渗透性变化，将为实际油气开采提供理论支持。
3.2. 低渗油藏的开采难点
在石油工业的背景下，低渗油藏由于其特殊的物理和地质特征，使得其开采过程中的挑战尤为显著。低渗油藏以其较低的渗透率和储层压力著称，这种特性直接影响了油气的流动与有效开采，导致开采效率低下[8]。一方面，低渗透率的存在使得原油在储层中的迁移速度减缓，进而造成开采过程中液体流动困难。因此，传统的开采技术无法有效地应对这种困难，需要引入新型的技术和材料，例如纳米驱油剂。
从微观层面来看，低渗油藏的流体动力学特性具有复杂性，原油的黏度显著高于常规油藏且存在界面张力增大的现象。这些物理特性使得在开采方案设计中必须考虑到流体相互作用与相态变化的影响。对于此类储层而言，纳米驱油剂的使用提供了一种有效的解决方案。纳米驱油剂能够显著降低油水界面张力，同时改善流体的流变性质，从而提高原油的流动性和采收率。
在技术层面，针对低渗油藏的开采，尚需深化纳米驱油剂的机制研究[9]。最新的研究成果表明，纳米驱油剂可通过调整颗粒的大小和分布，精确地优化驱油效果。例如，某研究团队通过实验验证，改进后的纳米排水剂能够在极低渗透率的环境下实现高效的原油采收，成功提高采收率达20%以上。这项研究不仅为低渗油藏的开发提供了新的视角，也为今后的研究奠定了良好的理论基础与实践指南[10]。
综合而言，低渗油藏的开采难点在于多重因素的相互作用与影响，需要采用前沿的工程技术与材料来提升生产效率。未来的研究应更加注重对纳米驱油剂的应用及其与介质、流体之间相互作用的深入探讨，以期在理论与实践层面都能够找到破解低渗油藏开采难题的有效路径。
4. 纳米驱油剂的应用进展
近年来，随着对低渗透油藏开发需求的日益增长，纳米驱油剂作为一种新兴的驱油技术，正逐渐成为油气开采领域的研究热点。国内外学者在这一领域的研究进展显著，尤其是在纳米驱油剂的合成、特性、机理探讨及其应用实践方面，积累了丰富的理论成果和实验数据如图4所示。
Figure 4. Variation of surface tension with concentration under synthesized nano oil repellents [9]
图4. 合成的纳米驱油剂下表面张力随浓度的变化[9]
以国际视野来看，国外在纳米驱油剂的研究上起步较早，尤其是发达国家如美国、加拿大和德国等。这些国家的研究多集中于纳米颗粒对油水界面性能的调整，例如，Yadav等(2019) [11]指出，当纳米颗粒(如二氧化硅SiO2、氧化铝Al2O3等)以足够的浓度分散于驱油流体中时，能够有效降低界面张力，促进油滴的乳化及削减流体的黏度，进而显著提高油的驱动效率。相关实验结果表明，通过使用含有不同种类及比例的纳米颗粒的驱油剂，其驱油增效率可以比标准驱油方法提高20%以上。
Figure 5. Oil recovery efficiency with different concentrations of nanofluids and pv value of injected fluid [12]
图5. 不同浓度纳米流体的采油效率与注入流体的pv值[12]
在中国，近年来对纳米驱油技术的探索也取得了全面进展。研究者们不断尝试在聚合物驱油(Polymer Flooding)和气驱(Gas Injection)等传统驱油技术中引入纳米驱油剂。如王等(2021)的研究显示，采用改性聚合物与纳米粒子复合的驱油剂，不仅提高了流体的选用性，也显著改善了其在复杂岩石孔隙中的渗流能力[13]。这一研究的成功实施，如表1所示表明了纳米材料在低渗油藏开发中的潜在应用价值[14]。
Table 1. Comparison of production before and after fracturing a typical well with nano oil repellent in a district [13]
表1. 某区使用纳米驱油剂典型井压裂前后产量对比[13]
井号 |
初次压裂投产 |
本次压裂措施前 |
本次压裂措施后 |
日产液/t∙d−1 |
日产油/t∙d−1 |
含水率/% |
日产液/t∙d−1 |
日产油/t∙d−1 |
含水率/% |
日产液/t∙d−1 |
日产油/t∙d−1 |
含水率/% |
ZK17-3 |
3.1 |
1.6 |
51.6 |
0.8 |
0.6 |
25.0 |
3.5 |
1.6 |
54.3 |
ZK17-82 |
7.0 |
1.5 |
78.6 |
0.7 |
0.5 |
28.6 |
12.1 |
5.3 |
56.2 |
唐珊等人发现，分析两次压裂措施后产油量可以看出，使用驱油压裂改造对低渗透、特低渗透储层产液量、含水率有不同影响。ZK17-3井是特低渗透储层，使用驱油滑溜水施工后，短期产量相比压裂前明显提高，相比初次压裂时，产液量也有所提高；但对含水率改善效果有限，与生产井段特低渗透性有关。ZK17-82是低渗透储层，使用驱油滑溜水施工后，短期产量相比压裂前明显提高，相比初次压裂时，产液量明显提高；本次压裂后产液含水率56.20%，明显低于初次压裂后产液含水率78.57%，驱油滑溜水使低渗透油藏产液含水率下降，表明纳米驱油剂加入有助于低渗透油藏渗吸采油，从微观角度缓解了水窜、注水突进现象，提高采收率[15]。
纳米驱油剂的环境风险主要集中于地下迁移潜势与生态毒性两方面。其纳米级尺寸(10,200 nm)和高表面活性可能增强颗粒在含水层中的迁移能力，实验模拟显示，在渗透率 > 1 mD的地层中，纳米颗粒可迁移至注入井周围50,100 m范围，存在污染地下水风险。此外，部分金属基纳米颗粒(如Ag, TiO2)在生物富集实验中表现出毒性效应，斑马鱼胚胎暴露于100 mg/L浓度下孵化率降低至60%，而生态友好型改性材料(如纤维素纳米晶体)的半数致死浓度(LC50)可提升至500 mg/L以上，显著降低生态风险。
为应对环境挑战，当前技术聚焦三大环保设计方向：① 可降解材料开发，采用天然聚合物(壳聚糖、木质素)或生物合成纳米颗粒，在储层条件下(温度 > 80℃) 180天内降解率可达85%~95%；② 低毒性表面修饰，通过羧基化或羟基化改性减少重金属离子溶出，使颗粒对土壤微生物活性的抑制率从35%降至8%以下；③ 智能响应回收，设计磁性(Fe3O4核)或温敏(PNIPAM包覆)纳米剂，利用外部磁场或低温触发实现90%以上的井下回收率。沙特Ghawar油田的规模化应用表明，通过上述措施可使纳米驱油剂的全生命周期碳排放降低40%，为绿色油气开发提供技术范式。
5. 未来研究方向与展望
5.1. 技术创新前景
在当前的能源行业背景下，低渗透油藏的开发面临诸多挑战，传统的采油技术面临着效率与经济性的双重考验。随着纳米技术的迅速发展，纳米驱油剂在改善低渗透油藏的渗吸规律中的应用潜力愈加显著，因此，未来的技术创新必将以纳米驱油剂为核心，推动低渗透油藏的资源开采进入一个新的阶段。
针对新材料的应用可能是未来研究的关键方向之一。近年来，纳米材料因其独特的物理化学特性，如高比表面积和优异的界面活性，逐渐成为驱油剂的重要成分。例如，纳米二氧化硅(SiO2)和纳米氧化铝(Al2O3)被广泛研究，实验证明纳米二氧化硅作为吸附增强剂，能显著增加油藏中的油水界面接触角，从而提升采油效率[16]。因此，围绕新型纳米粒子的设计与合成，结合功能化改性技术，将会为提高纳米驱油剂的性能提供更加可行的解决方案。
未来技术的发展可能依赖于新兴的物理化学手段，尤其是在低渗透油藏开发中的适用性。例如，超声波波动和电脉冲技术的结合，已被证明能够有效提高纳米驱油剂的渗透性和扩散性。这种方法不仅可以减少驱油剂与岩石表面之间的界面张力，还能通过微观层面的影响改善流体的流动特征，进而增强石油的驱替效果。纳米驱油剂作为油气增产技术的革新方向，其突破性发展需依托材料科学、油藏工程、环境科学等多学科深度协同。在材料研发层面，通过材料化学与计算模拟结合，可设计耐高温(>150℃)、抗高盐(矿化度 > 20 × 104 mg/L)的功能化纳米颗粒(如磺酸基修饰SiO2)，利用微流控技术实现粒径精准调控(10~100 nm)，解决传统驱油剂在极端油藏环境下的失稳难题；油藏适配性研究需融合数字岩心技术与人工智能，构建多尺度孔隙网络模型，借助深度学习预测纳米颗粒运移规律，优化注入参数匹配复杂地质条件。智能响应系统开发则依赖智能材料与物联网技术，设计pH/温度双敏感型纳米剂，结合光纤传感实时监测驱替动态，通过多场耦合数值模拟实现驱油过程自适应调控。环境安全领域需联合环境毒理学与地下水动力学，建立纳米剂生物毒性评估体系(如斑马鱼胚胎实验)及地下迁移预测模型，制定行业标准确保生态安全性。
跨学科协作将推动三大核心突破：一是形成耐极端环境、低成本的纳米驱油剂产品体系，单剂成本降低30%以上；二是构建“地质–工程–材料”智能匹配系统，使目标储层采收率提升10~15个百分点；三是建立全生命周期环境管控标准，实现生物降解率 > 80%、地下回收率 > 95%。未来5~10年，该技术有望在中东碳酸盐岩、北美页岩油及海上致密油藏规模化应用，推动全球非常规油气开发效率提升20%~30%，同时为生态敏感区资源开发提供绿色解决方案。通过联合国家实验室、能源企业及国际标准组织共建示范工程，可加速技术产业化进程，引领油气行业向智能化、低碳化转型。因此，基于这些新技术的整合应用，将显著促进纳米驱油剂在复杂渗流环境中的表现，为未来的工作提供理论基础与实验依据。
5.2. 市场应用前景
在当今全球能源格局的背景下，低渗油藏的开发利用愈发受到重视。其中，纳米驱油剂作为一种创新性技术手段，潜在的市场应用前景引起了广泛关注。综合分析政策支持、市场需求和技术进步，可以发现纳米驱油剂的商业化具有良好前景。
政策推动是推动纳米驱油剂市场化的重要因素之一。各国政府对清洁能源技术的支持以及减少碳排放的政策要求，为纳米驱油剂的推广创造了有利环境。例如，中国近年来出台了一系列促进石油天然气行业技术革新的扶持政策，鼓励企业加大对高新技术的研发投入。因此，预计在这些政策的引导下，纳米驱油剂的应用范围将不断扩大，涵盖水驱、气驱等各类油藏，提高原油采收率。
市场需求的提升为纳米驱油剂的应用提供了强大的动力。随着全球能源消费的不断增长，现有传统油田面临产量降低的挑战。根据国际能源署的预测，到2040年全球石油需求将达到近10亿桶/日。在这种背景下，开发低渗油藏是提高原油供给的重要途径，而纳米驱油剂能够有效改善油藏的渗透特性，增强油气的流动性，从而在某种程度上缓解资源短缺的压力。
同时，纳米驱油剂的技术优势使其在市场的竞争中具备一定的壁垒。与传统驱油制剂相比，纳米驱油剂通过独特的物理和化学机制，能够在更小的量下实现显著的增产效果。其应用可以通过减少水相或气相与油相之间的界面张力，以及改善多相流动的稳定性，从而有效提高低渗油藏的采收率。许多企业已开展了与高校和研究机构的合作，以加强对纳米技术在油气开采领域的研发，进一步加快其市场推广步伐。
6. 结束语
低渗透油藏的有效开发对于提升石油资源的利用效率和应对全球能源危机具有重要意义。其通过改善流体的物理化学特性，有效降低油水界面张力，提高流动性，已在多个低渗透油藏的实证研究中验证了其有效性。未来研究应继续集中在纳米驱油剂的性能优化、环境影响评估以及在更复杂的石油开采条件下的应用探索上，以实现更为广泛的油田开发应用。面对不断变化的市场需求和技术标准，建立相应的标准化测试和评价体系也显得尤为重要。同时，随着相关技术的不断发展，纳米驱油剂在不同油藏条件下的适应性与稳定性也需加强研究，以确保其在实际应用中的效果。通过系统的研究，期待纳米驱油剂能为低渗透油藏开发带来更高的采收率和更低的环境影响，最终实现经济、社会与环境的综合效益。
基金项目
哈法亚油田Sadi碳酸岩油藏压裂前置微乳液渗吸增油规律研究(基金号：YKJCX2320126)。