摘要

为分析纳米沸石咪唑酯骨架(ZIF)颗粒作为纳米驱油剂对提高原油采收率的作用，以六水合硝酸锌、2-甲基咪唑为原料，在室温与水相条件下制备了纳米ZIF-8颗粒。对其微观结构进行了表征;将纳米ZIF-8颗粒分散在水中得到纳米流体，研究了该流体的稳定性，通过测定油水界面张力和接触角分析其提高采收率机理;最后通过岩心驱替实验评价了纳米ZIF-8驱油体系的驱油效率。结果表明，纳米ZIF-8颗粒的平均直径为65.8nm，相态单一无杂质;当加量不高于0.03%时，纳米ZIF-8颗粒在水中的分散性良好，Zeta电位绝对值约30mV，具有较高的稳定性。在模拟地层水和低矿化度水中添加0.03%的纳米ZIF-8颗粒，油水界面张力值分别降至4.66、3.97 mN/m，比未添加时降低了75.77%、73.25%;纳米流体在岩心切片表面的接触角分别由114°、109°降至78°、73°，岩石表面润湿性转为水湿，更有利于油膜的剥离。岩心驱替实验中，用地层水驱替至无油产出后转注0.03%的纳米ZIF-8流体，在地层水和低矿化度水中的采收率分别提高8.25百分点、10.7百分点，提高采收率效果较好。

纳米材料具有尺寸小、比表面积大、表面活性强等优点，在提高油气采收率领域受到了广泛的关注。纳米颗粒分散形成的流体通过改善油水流度比、降低界面张力、改变润湿性以及产生楔形分离压等作用机理，可以有效提高驱油效率。冯晓羽等将改性纳米TiO2应用于驱油过程，发现TiO2润湿性发生改变并吸附在油水界面降低界面张力;Ebrahim等通过添加SiO2纳米粒子到低矿化度水中进一步提高了采收率;Ahmed等则利用表面活性剂对纳米颗粒进行改性，实现了两者的协同作用，岩石表面朝水相润湿转变，油水间界面张力降低了64.9%，提高了驱替效果。目前应用于驱油过程的纳米颗粒主要包括金属氧化物(TiO2、Al2O3、回收率低等问题。

纳米金属-有机框架材料(Metal-OrganicFramework，MOF)是由金属中心与有机配体通过共价键或离子-共价键连接构筑的具有规则孔道结构的有机-无机杂化纳米多孔材料。作为近些年的热门研究材料，MOF在药物传送、气液吸附、高效催化等多个领域展现出极大的潜力。纳米沸石咪唑酯骨架材料(Zeolitic Imidazolate Framework，ZIF)作为MOF中的一类，具备优异的化学与热力学稳定性、出色的选择吸附性和丰富的表面改性能力。常见的ZIF合成方式需要以三乙胺等有机物作为中间溶剂并于高温条件下进行，残余有机物可能对储层环境造成损害且存在废液处理问题。为解决上述问题并提高纳米ZIF颗粒与储层的适配能力，需要设计更加温和环保的合成途径对ZIF颗粒的尺寸与形貌进行调控，使其在储层条件下保持稳定的同时具备驱油能力。利用ZIF作为多孔材料独特的选择吸附能力和强烈的表面吸附能，使得油滴吸附在其表面;通过ZIF颗粒与岩石表面进行“争夺吸附”促进原油在储层表面的解离。庄庆佐等将ZIF-8与氯丙啶进行加聚反应制得纳米级封堵-抑制剂，在油田钻井液体系应用中表现出良好的配伍性，并实现了封堵与抑制性能一体化。目前，尚无将纳米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温下制备纳米ZIF-8颗粒，使用X射线衍射仪(XRD)和场发射扫描电镜(FESEM)对其微观结构进行表征;然后配制纳米ZIF-8流体，通过沉降实验和Zeta电位测试研究了该流体的稳定性，测定了纳米ZIF-8流体的油水界面张力和接触角，分析了提高采收率作用机理;最后通过岩心驱替实验评价了纳米ZIF-8流体的驱油效果，为纳米ZIF-8在驱油领域的进一步应用打下基础。

实验部分

1.1材料与仪器

六水合硝酸锌、2-甲基咪唑，分析纯，上海麦克林生化科技有限公司;渤海油田模拟地层水，矿化度7739 mg/L，离子组成(单位mg/L):Na⁺+K⁺2119.1、Ca²⁺119.9、Mg²⁺16.1、Cl⁻797.6、HCO₃⁻4599.2、SO₄²⁻87.2;模拟油，自制，渤海油田脱气原油与煤油按体积比1:2配制，室温下的黏度为70.3 mPa·s，密度0.906 g/cm³;露头砂岩岩心，气测渗透率为50×10⁻³μm²，尺寸φ2.5 cm×30 cm。

SH-3型磁力搅拌器，广东佛衡仪器有限公司;PS-20超声波分散仪，东莞洁康超声波设备有限公司;TG16-WS型离心机，湖南湘仪实验室仪器开发有限公司;XRD-6100型X射线衍射仪(XRD)，岛津实验器材有限公司;SU8010高分辨率场发射扫描电镜(FESEM)，日立仪器有限公司;Zetasizer Nano ZS ZEN3600型Zeta电位分析仪，英国马尔文仪器有限公司;SDC-200型接触角测量仪，东莞市晟鼎精密仪器有限公司;岩心驱替设备，包括岩心夹持器、真空泵、手摇泵、中间容器、压力表等。

1.2实验方法

(1)纳米ZIF-8颗粒的合成与表征

室温下分别将2.37 g六水合硝酸锌溶于20 mL去离子水中，18.96 g 2-甲基咪唑溶于90 mL去离子水中，将两者混合搅拌30 min，然后将混合物在10000 r/min下离心15 min，将产物用去离子水冲洗3次，放入烘箱中烘干备用。使用XRD分析样品的结构，用FESEM观察纳米ZIF-8的形貌。

(2)纳米ZIF-8流体的制备与稳定性测试

在去离子水(DW)、模拟地层水(FW)、低矿化度水(LW，将FW稀释1倍)中分别加入0.01%～0.05%的纳米ZIF-8，用磁力搅拌器搅拌3 h后移入样品瓶中，然后使用超声波分散30 min获得稳定分散的纳米流体。将放有纳米流体的样品瓶静置15 d，观察流体的聚沉情况。用Zeta电位分析仪测定不同浓度纳米流体的Zeta电位，重复测定3次取平均值。

(3)油水界面张力的测定

通过悬滴法测定油水间的界面张力。通过相机得到原油悬浮液滴在流体中的图像和体积，由式(1)计算油水界面张力值。测定在不同矿化度(DW、FW、LW)的水中添加0～0.05%纳米ZIF-8颗粒后的油水界面张力值。

(4)接触角的测定

室温下用接触角测量仪测定油滴与不同质量分数纳米流体在岩心切片表面三相接触角的变化。考虑到岩心切片的配伍性，只在模拟地层水、低矿化度水中进行实验。静置48 h后，记录接触角的数值变化。

(5)岩心驱替实验

将岩心饱和模拟地层水，测定孔隙体积，然后以0.15 mL/min的速度饱和模拟油，65℃下老化15 d。室温下分别用模拟地层水、低矿化度水以0.15 mL/min的速度进行驱替，采出液含水率达98%后，转用含不同质量分数ZIF-8的纳米流体进行驱替，直至含水量达到98%，记录产油、产水量以及压力变化情况。