Die Verbesserung der Temperatur- und Salzbeständigkeit von hydrolysiertem Polyacrylamid (HPAM) ist entscheidend für seine effektive Anwendung in der verbesserten Ölgewinnung (EOR). Aufgrund der Fülle, der nanoskaligen Größe und der hohen Öl-Wasser-Oberflächenadsorptionseffizienz von Nanocellulose hat sie in EOR-Anwendungen erhebliche Aufmerksamkeit erregt. In dieser Studie wurde eine neue Art von oberflächenfunktionalisierten amphiphilen Tunikaten-Zellulose-Nanokristallen (TCNCs-M2) erfolgreich durch sulfonierte und alkylierte Modifikation hergestellt, die synergistisch mit HPAM verwendet wurde, um ein hybrides Flutsystem (0,2 Gew.-% HPAM + 0,1 Gew.-% TCNCs-M2) zu formulieren. Dank der Struktur von TCNCs-M2 zeigte das hybride System eine stärkere Leistung in Bezug auf die Verdickungsfähigkeit (Viskosität erhöhte sich um 48,94 % bei 65 °C in Sole mit einer Salinität von 8044 mg.L−1), Temperaturbeständigkeit (25–90 °C), Salzverträglichkeit (Salinität 8044 mg.L−1), viskoelastische Eigenschaften und Alterungsstabilität im Vergleich zur HPAM-Lösung. Diese Verbesserungen wurden der hydrophoben Assoziation sowie starken Wasserstoffbrückenbindungen und elektrostatistischen Abstoßungen im hybriden System zugeschrieben. Darüber hinaus zeigte das hybride System einen höheren Öl-Rückgewinnungsfaktor (22,8 %) als die HPAM-Lösung (16,4 %). Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass das neu formulierte amphiphile Nanocellulose/HPAM-Hybridsystem ein effektives ölverdrängendes Mittel für Reservoirs unter extremen Bedingungen sein könnte.

In den letzten Jahren wurde zunehmend Wert auf Forschung und Innovation in der Technologie zur Ausbeutung von Ölfeldern gelegt, um auf die steigende Förderung von Erdölressourcen und den Rückgang der Produktion zu reagieren. Verfahren zur verbesserten Ölrückgewinnung (EOR), wie chemische Flutung (Polymer, Tensid, Alkali und Kombinationen davon), Gasinjektion, thermische Methoden usw., haben bedeutende Verbesserungen erfahren und wurden nach kontinuierlicher praktischer Erprobung weitreichend in Ölfeldern angewendet. Aufgrund ihrer Einfachheit und Kosteneffizienz ist die Polymerflutung bis heute die am häufigsten verwendete EOR-Methode in Ölfeldern, insbesondere in China. Allerdings ist das am häufigsten verwendete Polymer, teilweise hydrolysiertes Polyacrylamid (HPAM), sehr anfällig für raue Reservoirbedingungen, was seine EOR-Effizienz erheblich beeinträchtigt, insbesondere in Formationen mit erhöhten Temperaturen und Salinität. Obwohl die Derivate von HPAM (hydrophobes Polyacrylamid usw.) die Temperatur- und Salzbeständigkeit von HPAM durch Copolymerisation von Acrylamid und anderen funktionellen Monomeren verbessern könnten, gibt es immer noch einige Nachteile dieser Copolymere, wie lange Lösungszeiten, niedriges Molekulargewicht und komplexe Herstellung, die ihre Anwendung im Ölfeld behindern. Kürzlich hat das kombinierte Flutsystem aus Polymer und Nanopartikeln als neuartige EOR-Methode immer mehr Aufmerksamkeit erregt. Nanopartikel- suspensionen besitzen die Fähigkeit, den Injektionsdruck zu reduzieren und die EOR-Leistung in niedrig-permeablen Reservoiren zu verbessern. Sie können die Benetzbarkeit der Oberflächen der Gesteine verändern, indem sie einen Keilfilm zwischen dem Rohöl und der Gesteinsoberfläche bilden, aufgrund ihrer Nanosize, großen Oberfläche und hohen Wärmeübertragungsfähigkeit. Wenn Nanopartikel in eine Polymerlösung eingeführt werden, können die Synergien zwischen Polymer und Nanopartikeln die EOR-Leistung weiter verbessern, indem sie durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Polymermolekülen und Nanopartikeln vernetzen, was die molekulare Netzwerkstruktur verstärkt und die rheologischen Eigenschaften der Polymerlösung verbessert. Darüber hinaus konkurrieren Nanopartikel und Polymermoleküle um die Anziehung von Kationen, sodass der Abbau von Polymermolekülen in Salzwasser bei hoher Temperatur bis zu einem gewissen Grad vermieden wird. Neben herkömmlichen asphärischen Nanopartikeln wie SiO2, CaCO3, TiO2-Partikeln usw. zeigen auch anisotrope Nanopartikel wie Nanoschichten, Nanofibrillen und Nanoröhren hervorragende EOR-Leistungen, die an der Öl-Wasser-Grenzfläche mit ihrer langen Achse parallel zur Grenzfläche ausgerichtet werden können, wodurch Netzwerke in der kontinuierlichen Phase mit mehreren Schichten von Nanopartikeln an der Tropfenoberfläche erzeugt werden.

Nanocellulose, als ein erneuerbares, grünes und umweltfreundliches Nanomaterial, hat aufgrund seiner stäbchenartigen Form und des hohen Aspektverhältnisses, das zu einer höheren Adsorptionsenergie beiträgt, erhebliche Aufmerksamkeit in der Emulsionsstabilisierung und der EOR auf sich gezogen. Die physikochemischen Eigenschaften der Nanocellulose-Dispersionen, einschließlich Rheologie, Stabilität und Öl/Sole/Gestein-Oberflächenverhalten, wurden zuvor von Wei et al. gründlich untersucht. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass die Stabilität und die für EOR relevanten Eigenschaften (Salz- und Temperaturbeständigkeit) der Nanocellulose-Flüssigkeiten durch Oberflächenmodifikation zur Einführung übermäßiger negativer Ladungen und sterischer Hinderung erheblich verbessert werden können. Es ist erwähnenswert, dass Tunikaten-Zellulose-Nanokristalle (TCNCs), die aus den Mänteln von Tunikaten isoliert wurden, aus der stabileren Zellulose Iβ-Form bestehen und im Vergleich zu Zellulose-Nanokristallen aus anderen Biomassequellen ein höheres Aspektverhältnis, einen höheren Young-Modul und mehr Hydroxylfunktionalgruppen aufweisen. Diese Eigenschaften erleichtern die Bildung stabiler vernetzter Netzwerke mit Polymermolekülen und bieten eine ausgezeichnete Grundlage für die Oberflächenmodifikation, wodurch ihr potenzieller Nutzen in Anwendungen im Ölbereich erhöht wird. Allerdings zeigen TCNCs eine schlechte Verträglichkeit mit Polymeren. Der Hybrid neigt dazu, in Elektrolyten zu agglomerieren, aufgrund der schwachen abstoßenden Kräfte, was diese Kombination bei der Injektion und der tiefen Migration in porösen Medien problematisch machen kann. In unserer vorherigen Arbeit fanden wir heraus, dass die Zugabe des anionischen Tensids Natriumdodecylsulfat (SDS) zum hybriden System aus Polymer und TCNCs die Stabilität und die EOR-Leistung des Systems aufgrund des synergistischen Effekts von SDS, Polymer und TCNCs offensichtlich verbessern konnte. SDS kann mit Polymermolekülen durch hydrophobe Wechselwirkungen zwischen hydrophoben Gruppen und Polymerrückgraten interagieren, was wiederum die Stärke des dreidimensionalen Netzwerks, das von TCNCs und Polymerketten gebildet wird, erhöht. SDS kann auch das Mobilitätsverhältnis zwischen Öl und hybridem System aufgrund seiner hervorragenden Emulsionsleistung reduzieren. Mit all diesen Vorteilen zusammen beschlossen wir, ein neuartiges, oberflächenmodifiziertes TCNC zu synthetisieren, das sowohl hydrophile negative Gruppen als auch hydrophobe Gruppen aufweist, und dieses amphiphile TCNC in das HPAM-Flutungssystem für Hochtemperatur- und Hochsalinitätsreservoirs einzuführen. Soweit wir wissen, wurde diese Arbeit bisher nicht durchgeführt.

In dieser Studie wurde ein zweistufiger Modifikationsprozess eingesetzt, um amphiphile TCNCs (TCNCs-M2) unter Verwendung von 3-Chlor-2-hydroxypropylsulfonat (CHPS-Na) und Dodecyltrimethoxysilan (WD-10) herzustellen. Die Struktur von TCNCs-M2 wurde mittels FT-IR, TG, XRD, XPS, TEM und AFM charakterisiert. Anschließend wurde TCNCs-M2 mit HPAM gemischt, um ein homogenes hybrides System (HPAM/TCNCs-M2) zu erhalten. Der Interaktionsmechanismus zwischen HPAM und TCNCs-M2 wurde analysiert. Danach wurden die Dispersionsstabilität, rheologische Eigenschaften wie Temperaturbeständigkeit, Salztoleranz, Scherbeständigkeit und viskoelastisches Modul des HPAM/TCNCs-M2 bewertet, die eine hervorragende Verdickungsfähigkeit, Temperaturbeständigkeit, Salztoleranz, Scherbeständigkeit sowie viskoelastische Eigenschaften unter simulierten Ölvorkommen zeigten. Schließlich wurde ein Kernflutungstest durchgeführt, und die erhaltenen Daten zeigten, dass das Öl-Rückgewinnungsverhältnis des hybriden Systems HPAM/TCNCs-M2 22,8 % betrug, was höher ist als das der HPAM-Lösung (16,4 %), was bestätigt, dass das hybride System HPAM/TCNCs-M2 praktische Anwendungsperspektiven hat.