Улучшение температурной и солевой устойчивости гидролизованного полиакриламида (HPAM) имеет решающее значение для его эффективного применения в увеличении извлечения нефти (EOR). Благодаря обилию, наноразмеру и высокой эффективности адсорбции на интерфейсе нефть-вода, наноцеллюлоза привлекла значительное внимание в приложениях EOR. В этом исследовании был успешно подготовлен новый вид поверхностно-функционализированных амфифильных нанокристаллов целлюлозы (TCNCs-M2) с помощью сульфонатной и алкилированной модификации, которые синергетически использовались с HPAM для формирования гибридной системы закачки (0,2 мас.% HPAM + 0,1 мас.% TCNCs-M2). Благодаря структуре TCNCs-M2, гибридная система продемонстрировала более сильные характеристики загустения (вязкость увеличилась на 48,94 % при 65 °C в солевом растворе с соленостью 8044 мг.Л−1), температурной устойчивости (25–90 °C), солевой устойчивости (соленость 8044 мг.Л−1), вискоэластичности и стабильности старения по сравнению с раствором HPAM. Эти улучшения были обусловлены гидрофобной ассоциацией, а также сильным водородным связыванием и электростатическим отталкиванием в гибридной системе. Более того, гибридная система продемонстрировала более высокий коэффициент извлечения нефти (22,8 %) по сравнению с раствором HPAM (16,4 %). Эти результаты указывают на то, что новосформированная амфифильная система наноцеллюлозы/HPAM может быть эффективным агентом для вытеснения нефти в условиях жестких резервуаров.

В последние годы наблюдается растущее внимание к исследованиям и инновациям в технологии эксплуатации нефтяных месторождений в ответ на увеличение добычи нефтяных ресурсов и снижение производства. Методы увеличенной нефтеотдачи (EOR), такие как химическое закачивание (полимеры, поверхностно-активные вещества, щелочи и их комбинации), газовая закачка, термические методы и т. д., претерпели значительные улучшения и были широко применены на нефтяных месторождениях после непрерывных практических исследований. Благодаря своей простоте и низкой стоимости полимерное закачивание является наиболее широко используемым методом EOR на сегодняшний день на нефтяных месторождениях, особенно в Китае. Однако частично гидролизованный полиакриламид (HPAM), наиболее широко используемый полимер, очень чувствителен к жестким условиям пласта, что серьезно влияет на его эффективность EOR, особенно в условиях повышенной температуры и солености. Хотя производные HPAM (гидрофобный полиакриламид и др.) могут улучшить термостойкость и солеустойчивость HPAM за счет сополимеризации акриламида и других функциональных мономеров, у этих сополимеров все еще есть некоторые недостатки, такие как длительное время растворения, низкая молекулярная масса и сложная подготовка, что препятствует их применению в нефтяной отрасли. В последнее время комбинированная система закачивания полимера и наночастиц привлекает все больше внимания как новый метод EOR. Суспензии наночастиц обладают способностью снижать давление закачки и улучшать эффективность EOR в низкопроницаемых пластах. Они могут изменять смачиваемость поверхности горных пород, образуя клиновидную пленку между нефтью и поверхностью породы благодаря своему наноразмеру, большой площади поверхности и высокой теплопередающей способности. Когда наночастицы вводятся в раствор полимера, синергия между полимером и наночастицами может дополнительно улучшить эффективность EOR за счет сшивания между молекулами полимера и наночастицами через водородные связи, что укрепляет молекулярную сетевую структуру и улучшает реологические свойства раствора полимера. Более того, молекулы наночастиц и полимера конкурируют за привлечение катионов, поэтому деградация молекул полимера в солевом растворе при высокой температуре в определенной степени предотвращается. В дополнение к традиционным асферическим наночастицам, таким как SiO2, CaCO3, TiO2 и т. д., анизотропные наночастицы, такие как нано-листы, нано-волокна и нано-стержни, также демонстрируют отличную эффективность EOR, которые могут ориентироваться на интерфейсе нефть-вода с их длинной осью, параллельной интерфейсу, создавая сети в непрерывной фазе с многослойными наночастицами на интерфейсе капли.

Наноцеллюлоза, как возобновляемый, экологически чистый и безопасный наноматериал, привлекла значительное внимание в стабилизации эмульсий и увеличении извлечения нефти (EOR) благодаря своей палочковидной форме и высокому аспектному соотношению, что способствует более высокой энергии адсорбции. Физико-химические свойства дисперсий наноцеллюлозы, включая реологию, стабильность и межфазные поведения масла/соли/скалы, были тщательно исследованы Вэй и др. ранее. Экспериментальные результаты показали, что стабильность и свойства, связанные с EOR (устойчивость к соли и температуре), жидкостей на основе наноцеллюлозы могут быть значительно улучшены за счет модификации поверхности для введения избыточных отрицательных зарядов и стерического препятствия. Стоит отметить, что нанокристаллы целлюлозы из туникат (TCNCs), изолированные из мантий туникат, состоят из более стабильной формы целлюлозы Iβ и обладают более высоким аспектным соотношением, модулем Юнга и большим количеством гидроксильных функциональных групп по сравнению с нанокристаллами целлюлозы из других биоресурсов. Эти характеристики способствуют образованию стабильных сшитых сетей с полимерными молекулами и обеспечивают отличную основу для модификации поверхности, тем самым повышая их потенциальную полезность в нефтяных приложениях. Однако TCNCs демонстрируют плохую совместимость с полимерами. Гибрид имеет тенденцию к агрегации в электролите из-за слабых отталкивающих сил, что может сделать это сочетание затопления проблематичным при инъекции и глубокой миграции в пористых средах. В нашей предыдущей работе мы обнаружили, что добавление анионного поверхностно-активного вещества натрия додецилсульфата (SDS) в гибридную систему полимера и TCNCs может явно улучшить стабильность и производительность EOR системы благодаря синергетическому эффекту SDS, полимера и TCNCs. SDS может взаимодействовать с полимерными молекулами через гидрофобные взаимодействия между гидрофобными группами и полимерными цепями, что, в свою очередь, усиливает прочность трехмерной сети, образованной TCNCs и полимерными цепями. SDS также может снизить соотношение подвижности между маслом и гибридной системой благодаря своим отличным эмульсионным свойствам. Учитывая все эти преимущества, мы решили синтезировать новый модифицированный TCNCs, который имеет как гидрофильные отрицательные группы, так и гидрофобные группы, и ввести этот амфифильный TCNCs в систему затопления HPAM для высокотемпературного, высокосоленого резервуара. Насколько нам известно, эта работа ранее не проводилась.

В этом исследовании был использован двухступенчатый процесс модификации для подготовки амфифильных TCNCs (TCNCs-M2) с использованием 3-хлоро-2-гидроксипропилсульфоната (CHPS-Na) и децилтриметоксисилана (WD-10). Структура TCNCs-M2 была охарактеризована с использованием FT-IR, TG, XRD, XPS, TEM и AFM соответственно. Затем TCNCs-M2 был смешан с HPAM для получения однородной гибридной системы (HPAM/TCNCs-M2). Механизм взаимодействия между HPAM и TCNCs-M2 был проанализирован. Впоследствии были оценены дисперсионная стабильность, реологические свойства, такие как термостойкость, солеустойчивость, устойчивость к сдвигу и вискоэластичный модуль HPAM/TCNCs-M2, которые показали отличную способность к загущению, термостойкость, солеустойчивость, устойчивость к сдвигу, а также вискоэластичные свойства в условиях имитированного нефтяного резервуара. Наконец, был проведен тест на вытеснение из пласта, и полученные данные показали, что коэффициент извлечения нефти гибридной системы HPAM/TCNCs-M2 составил 22,8 %, что выше, чем у раствора HPAM (16,4 %), что подтверждает, что гибридная система HPAM/TCNCs-M2 имеет перспективы практического применения.