摘要

為分析納米沸石咪唑酯骨架(ZIF)顆粒作為納米驅油劑對提高原油采收率的作用，以六水合硝酸鋅、2-甲基咪唑為原料，在室溫與水相條件下制備了納米ZIF-8顆粒。對其微觀結構進行了表征;將納米ZIF-8顆粒分散在水中得到納米流體，研究了該流體的穩定性，通過測定油水界面張力和接觸角分析其提高采收率機理;最后通過巖心驅替實驗評價了納米ZIF-8驅油體系的驅油效率。結果表明，納米ZIF-8顆粒的平均直徑為65.8nm，相態單一無雜質;當加量不高于0.03%時，納米ZIF-8顆粒在水中的分散性良好，Zeta電位絕對值約30mV，具有較高的穩定性。在模擬地層水和低礦化度水中添加0.03%的納米ZIF-8顆粒，油水界面張力值分別降至4.66、3.97 mN/m，比未添加時降低了75.77%、73.25%;納米流體在巖心切片表面的接觸角分別由114°、109°降至78°、73°，巖石表面潤濕性轉為水濕，更有利于油膜的剝離。巖心驅替實驗中，用地層水驅替至無油產出后轉注0.03%的納米ZIF-8流體，在地層水和低礦化度水中的采收率分別提高8.25百分點、10.7百分點，提高采收率效果較好。

納米材料具有尺寸小、比表面積大、表面活性強等優點，在提高油氣采收率領域受到了廣泛的關注。納米顆粒分散形成的流體通過改善油水流度比、降低界面張力、改變潤濕性以及產生楔形分離壓等作用機理，可以有效提高驅油效率。馮曉羽等將改性納米TiO2應用于驅油過程，發現TiO2潤濕性發生改變并吸附在油水界面降低界面張力;Ebrahim等通過添加SiO2納米粒子到低礦化度水中進一步提高了采收率;Ahmed等則利用表面活性劑對納米顆粒進行改性，實現了兩者的協同作用，巖石表面朝水相潤濕轉變，油水間界面張力降低了64.9%，提高了驅替效果。目前應用于驅油過程的納米顆粒主要包括金屬氧化物(TiO2、Al2O3、回收率低等問題。

納米金屬-有機框架材料(Metal-OrganicFramework，MOF)是由金屬中心與有機配體通過共價鍵或離子-共價鍵連接構筑的具有規則孔道結構的有機-無機雜化納米多孔材料。作為近些年的熱門研究材料，MOF在藥物傳送、氣液吸附、高效催化等多個領域展現出極大的潛力。納米沸石咪唑酯骨架材料(Zeolitic Imidazolate Framework，ZIF)作為MOF中的一類，具備優異的化學與熱力學穩定性、出色的選擇吸附性和豐富的表面改性能力。常見的ZIF合成方式需要以三乙胺等有機物作為中間溶劑并于高溫條件下進行，殘余有機物可能對儲層環境造成損害且存在廢液處理問題。為解決上述問題并提高納米ZIF顆粒與儲層的適配能力，需要設計更加溫和環保的合成途徑對ZIF顆粒的尺寸與形貌進行調控，使其在儲層條件下保持穩定的同時具備驅油能力。利用ZIF作為多孔材料獨特的選擇吸附能力和強烈的表面吸附能，使得油滴吸附在其表面;通過ZIF顆粒與巖石表面進行“爭奪吸附”促進原油在儲層表面的解離。莊慶佐等將ZIF-8與氯丙啶進行加聚反應制得納米級封堵-抑制劑，在油田鉆井液體系應用中表現出良好的配伍性，并實現了封堵與抑制性能一體化。目前，尚無將納米ZIF用于提高采收率方面的研究。

本文采用水相合成方法在室溫下制備納米ZIF-8顆粒，使用X射線衍射儀(XRD)和場發射掃描電鏡(FESEM)對其微觀結構進行表征;然后配制納米ZIF-8流體，通過沉降實驗和Zeta電位測試研究了該流體的穩定性，測定了納米ZIF-8流體的油水界面張力和接觸角，分析了提高采收率作用機理;最后通過巖心驅替實驗評價了納米ZIF-8流體的驅油效果，為納米ZIF-8在驅油領域的進一步應用打下基礎。

實驗部分

1.1材料與儀器

六水合硝酸鋅、2-甲基咪唑，分析純，上海麥克林生化科技有限公司;渤海油田模擬地層水，礦化度7739 mg/L，離子組成(單位mg/L):Na?+K?2119.1、Ca2?119.9、Mg2?16.1、Cl?797.6、HCO??4599.2、SO?2?87.2;模擬油，自制，渤海油田脫氣原油與煤油按體積比1:2配制，室溫下的黏度為70.3 mPa·s，密度0.906 g/cm3;露頭砂巖巖心，氣測滲透率為50×10?3μm2，尺寸φ2.5 cm×30 cm。

SH-3型磁力攪拌器，廣東佛衡儀器有限公司;PS-20超聲波分散儀，東莞潔康超聲波設備有限公司;TG16-WS型離心機，湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司;XRD-6100型X射線衍射儀(XRD)，島津實驗器材有限公司;SU8010高分辨率場發射掃描電鏡(FESEM)，日立儀器有限公司;Zetasizer Nano ZS ZEN3600型Zeta電位分析儀，英國馬爾文儀器有限公司;SDC-200型接觸角測量儀，東莞市晟鼎精密儀器有限公司;巖心驅替設備，包括巖心夾持器、真空泵、手搖泵、中間容器、壓力表等。

1.2實驗方法

(1)納米ZIF-8顆粒的合成與表征

室溫下分別將2.37 g六水合硝酸鋅溶于20 mL去離子水中，18.96 g 2-甲基咪唑溶于90 mL去離子水中，將兩者混合攪拌30 min，然后將混合物在10000 r/min下離心15 min，將產物用去離子水沖洗3次，放入烘箱中烘干備用。使用XRD分析樣品的結構，用FESEM觀察納米ZIF-8的形貌。

(2)納米ZIF-8流體的制備與穩定性測試

在去離子水(DW)、模擬地層水(FW)、低礦化度水(LW，將FW稀釋1倍)中分別加入0.01%～0.05%的納米ZIF-8，用磁力攪拌器攪拌3 h后移入樣品瓶中，然后使用超聲波分散30 min獲得穩定分散的納米流體。將放有納米流體的樣品瓶靜置15 d，觀察流體的聚沉情況。用Zeta電位分析儀測定不同濃度納米流體的Zeta電位，重復測定3次取平均值。

(3)油水界面張力的測定

通過懸滴法測定油水間的界面張力。通過相機得到原油懸浮液滴在流體中的圖像和體積，由式(1)計算油水界面張力值。測定在不同礦化度(DW、FW、LW)的水中添加0～0.05%納米ZIF-8顆粒后的油水界面張力值。

(4)接觸角的測定

室溫下用接觸角測量儀測定油滴與不同質量分數納米流體在巖心切片表面三相接觸角的變化。考慮到巖心切片的配伍性，只在模擬地層水、低礦化度水中進行實驗。靜置48 h后，記錄接觸角的數值變化。

(5)巖心驅替實驗

將巖心飽和模擬地層水，測定孔隙體積，然后以0.15 mL/min的速度飽和模擬油，65℃下老化15 d。室溫下分別用模擬地層水、低礦化度水以0.15 mL/min的速度進行驅替，采出液含水率達98%后，轉用含不同質量分數ZIF-8的納米流體進行驅替，直至含水量達到98%，記錄產油、產水量以及壓力變化情況。