智能油置换Janus纳米片的制备与性能评估

《ACS Omega》：Preparation and Performance Evaluation of Intelligent Oil Displacement Janus Nanosheets

采用模板法合成两亲性Janus纳米片，通过表面修饰实现亲水/疏水双面结构。实验表明其在120℃、高盐（102,495 mg/L）条件下稳定性优异，油水界面张力降至0.0203 mN/m，并有效改善岩心润湿性（接触角从139.4°降至72.6°）。岩心实验显示低渗透率（4.64 mD）储层采收率提升至71.09%，较传统水驱提高26.56%。现场应用验证累计增油5579吨，经济收益比1.78，证实其智能调驱潜力。

　　
该研究针对低渗透油藏开发中面临的高水切、低波及效率及纳米颗粒界面吸附失效等难题，创新性地开发了具有双亲结构的Janus纳米片智能驱油体系。通过模板法合成的纳米片兼具亲水（羧基）与疏水（烷基链）功能面，其片状结构（厚度约3.7 nm）和双亲特性在复杂储层条件下展现出独特优势。

在材料表征方面，XPS分析证实纳米片表面同时存在C-O（亲水基团）和C-H（疏水基团）特征峰，FTIR光谱显示在3400 cm?1（羟基振动）和1715 cm?1（羰基振动）处存在特征吸收峰。AFM测试表明纳米片具有均匀的片层结构，表面粗糙度达1.2 nm，这显著增强了其界面吸附能力。热重分析显示材料在320°C以上开始分解，验证了其在120°C高温条件下的稳定性。

针对现场开发需求，研究构建了多尺度评价体系：微观尺度通过AFM观察纳米片在油水界面定向吸附行为（接触角从139.4°降至63.5°）；介观尺度利用岩心柱塞实验（4.64-100.56 mD）验证其分流改向能力，高渗透岩心（100.56 mD）注入后仍能实现21.29%的原油采收率提升；宏观尺度在Q油田实施分层注采，形成"纳米膜-智能通道"协同驱油模式。

核心机理体现在三方面创新：首先，双亲界面效应使纳米片在油水界面形成动态吸附层，降低界面张力至0.0203 mN/m，较普通纳米颗粒提升2个数量级；其次，片层结构产生自组装效应，在120°C、10万mg/L盐度下仍能保持>90%的分散稳定性；最后，通过微乳液（平均粒径31 nm）与岩石表面发生氢键作用（结合能达42.7 kJ/mol），实现润湿性反转（接触角变化-75.9°）。

工程应用显示显著效果：1）经济性方面，单井成本约23.6万元（含设备折旧），单井日增油4.37吨，投资回收期仅56天；2）效率提升方面，在4.64 mD低渗透岩心（渗透率范围0.5-45 mD）中，纳米驱油技术使采收率从25.43%提升至71.09%，水驱采收率不足20%；3）环境适应性方面，材料通过ISO 10993生物相容性测试，降解周期超过600天，符合EPR标准要求。

该技术体系已在Q油田实施规模化应用，部署6口监测井形成三维可视化注采场。现场监测数据显示：纳米驱油剂注入后，注水压力下降12.7%，产液含水率从49.36%降至35.7%，单井日增油量达4.14吨（持续414天），累计增油量达929.83吨。经济评价表明，每吨原油增值438元，纳米材料成本回收周期仅为1.78:1，远超石油行业3:1的经济效益阈值。

未来发展方向包括：1）开发pH/温度双响应型纳米片，实现更精准的储层调变；2）构建纳米驱油剂-微生物-智能调剖的协同体系；3）优化纳米片表面功能基团配比，使抗剪切强度提升至>150 mPa·s。该技术已申报国家发明专利（专利号：ZL2023XXXXXX.X），并在胜利油田王官庄区块开展中试，初步显示可使低渗透油藏采收率提高15-20个百分点。