全球能源需求不斷增長促使工程師開創新技術以提高油藏的原油采收率。本研究使用指甲花提取物作為天然表面活性劑并合成納米顆粒（二氧化鈦（TiO2）、二氧化硅（SiO2）、石墨烯和TiO2-石墨烯的復合物），以研究二者降低油水界面張力的可行性。研究采用溶膠-凝膠法合成了納米顆粒，并進行了XRD、FESEM、EDAX和FTIR測試，以證實該合成材料的真實性。納米表面活性劑與一種名為黃芪膠提取物的天然水性懸浮表面活性劑穩定結合，該表面活性劑能夠很好地替代石油工業中工業納米顆粒穩定劑。在對指甲花提取物表面活性劑進行CMC測定后，旨在穩定納米表面活性劑，通過粒徑和zeta電位測試確定了黃芪膠提取物表面活性劑的最佳濃度。IFT（界面張力）測量結果表明，指甲花提取物濃度從0wt%增加到10wt%，煤油和水之間的IFT從37.23mN/m降至15.24mN/m。此外，在指甲花提取物表面活性劑處于CMC值時向其添加1wt%的合成TiO2納米顆粒，可將IFT從18.43mN/m降至14.57mN/m。由于IFT值明顯降低，EOR過程中的原油采收率可能會大幅提高。結果證明，TiO2納米表面活性劑與工業表面活性劑效用一致，但會破壞環境，危及人類健康，給政府帶來沉重的經濟壓力。

研究背景

 盡管近年來出現了可再生能源，但全球對化石燃料和碳氫化合物的需求并沒有減少，而且正處于上升趨勢。由于對新油氣藏的勘探明顯減少，工程師們一直在尋找能夠提高現有油藏采收率的新方法。新方法不僅需要提高采收率，還必須實惠、環保，并且能夠用于現場油田。一些化學EOR方法可以用于提高油藏采收率，其中，表面活性劑驅油是最實用的化學EOR方法之一。通過降低注入水和剩余油之間的界面張力，改變巖石表面潤濕性和乳液的形成過程，從而提高石油產量。在表面活性劑驅油的過程中，在濃度高于CMC值的溶液中形成表面活性劑膠束可以改善其在儲層中的應用效果，因此確定每種表面活性劑的臨界膠束濃度（CMC）非常重要。CMC測量方法包括表面張力測定、紫外－可見光譜、電導率、發光光譜和濁度。濁度在CMC值穩定后隨基液中表面活性劑濃度的升高而出現突變。

 盡管工業表面活性劑對提高采收率有重大影響，但其具有很多缺點，如可用性不強、環境破壞性大、成本高以及表面活性劑會因吸附在儲層巖石上而損失等。因此近年來，天然表面活性劑和可生物降解表面活性劑在石油工業上游的應用受到了研究人員的廣泛關注。指甲花提取物是一種天然染料，近來的的研究將其用作生物添加劑用在鉆井液中。指甲花提取物首次用于抑制鹽酸中的鋼腐蝕和氫氧化鈉中的鋁腐蝕。隨后，部分研究探討了指甲花提取物對酸性和堿性溶液中某些金屬（如鋅、鎳、鋁和鐵）的緩蝕作用。指甲花提取物在石油工業上游中的其他用途包括在油井酸化處理中提高水泥抗HCl的能力，減少鈉膨潤土在水溶液中的溶脹現象，降低粘土顆粒的去絮凝和膨脹抑制作用等。盡管有關指甲花提取物在鉆井領域的應用研究有限，但迄今為止，尚未研究該表面活性劑在EOR中的適用性及其對降低界面張力的影響。

 本研究在EOR中引入天然表面活性劑。具體做法是從敘利亞棗樹中提取皂苷生物表面活性劑，將其加入蒸餾水中。界面張力測試表明，皂苷作為一種非離子表面活性劑，可以將煤油與水之間的界面張力（IFT）從48dyn/cm降至9dyn/cm。Seidlitzia Rosmarinus是一種新型天然陽離子表面活性劑，Deymeh等人通過測量原油與表面活性劑溶液之間的界面張力，評估了該活性劑作為化學方法提高采收率的可行性。向水中添加Seidlitzia Rosmarinus表面活性劑后，煤油與水的界面張力從32mN/m降至9mN/m。Ravi等人研究了從桑葉中提取的新型植物表面活性劑對降低砂巖和碳酸鹽巖界面張力，改變二者潤濕性，以及對采收率的影響。IFT測量結果表明，使用桑葉提取物后，水與煤油之間的界面張力從42dyn/cm降至20dyn/cm。除此之外，Shadizadeh和Kharrat使用了新型植物表面活性劑（洋甘菊提取物）降低油水界面張力，使IFT值從30.63mN/m降至12.57mN/m。

 如今，納米技術已經可以解決醫學、食品、農業和工業等行業的許多問題，并提供高效且具有成本效益的方案。近年來，納米材料的使用在行業中具有重要地位，上游石油行業也不例外。納米顆粒的獨特特征是表面體積比較高，這意味著顆粒表面存在更多的原子，從而導致表面能增強。一些研究已經證實納米顆粒可以降低油水界面張力從而提高采收率。Emadi等人利用由納米二氧化硅和雪松提取物表面活性劑合成天然納米表面活性劑，研究了砂巖巖心的采收率和油水界面張力的變化。將雪松提取物濃度從0wt%增加到10wt%之后，水相和煤油的IFT從35mN/m降至11.9mN/m。然而，納米二氧化硅濃度增加對降低IFT的影響可以忽略不計。Hosseini等人通過測定潤濕性的變化和界面張力，研究了氧化硅和氧化鋁納米顆粒對采收率提高的影響。研究人員使用鹽度為35000 ppm NaCl的鹽水作為制備納米流體的基流。結果表明，兩種納米流體的濃度從100ppm上升到10000ppm，使原油和納米流體間的IFT降低，但只是相對較低。Hen draningrat和Torsaeter的研究結果表明，金屬氧化物納米流體可以通過改變巖石潤濕性、降低界面張力來提高采收率。二人使用了聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作為濃度為1wt%的納米粒子穩定劑。結果發現，0.05wt%濃度的Al2O3和SiO2納米顆粒可以將油水界面張力從19.2mN/m分別降低到12.8mN/m和17.5mN/m。

 盡管納米流體對采收率有著重大影響，但使納米流體穩定是石油工業面臨的關鍵挑戰之一。納米流體長期不穩定會導致納米顆粒在巖石表面沉淀、凝聚，隨之而來的則是儲層巖石滲透率和孔隙度受損，儲層各個部分顆粒分布不均勻，納米懸浮液特性消失。儲層條件不佳（高鹽、高溫）是導致納米流體不穩定的最大因素之一。此外，由于EOR過程中注水量非常高，且注入水為輔助化學制劑進入油藏的基流，鹽度超過30000ppm，使得納米流體更不穩定。研究表明，納米流體中的離子會導致納米顆粒流體動力學直徑縮小，從而降低了其互斥的能力。粒子的zeta電位是確定膠體系統穩定或不穩定的標準。Zeta電位的定義是兩個不同粒子之間的測量點以及二者之間的靜電排斥強度和靜電引力強度。zeta電位越大（無論正負），納米顆粒之間的靜電斥力更強，溶液就更穩定。因此，改變顆粒的zeta電位、流體動力學直徑和電荷密度可以提高納米顆粒分散體的穩定性。而改變顆粒的zeta電位、流體動力學直徑和電荷密度，可以對納米顆粒表面改性，對納米顆粒使用非離子表面活性劑、聚合物以及離子表面活性劑。由于納米顆粒的穩定性是其大小、類型和懸浮液中濃度的函數，要想EOR過程中納米流體的作用發揮到最大，關鍵是確定上述變量的最佳值，找到穩定變量的方法。因此，要盡量避免儲層巖石孔隙度和滲透率降低，穩定納米顆粒就能回收地下大部分剩余油。

 Dehghan Monfared等人使用兩種不同的方法研究了二氧化硅納米顆粒的濃度和離子強度對納米流體穩定性的影響，其中包括使用紫外－可見（UV–Vis）分光光度計進行觀察和光吸收分析。結果表明，由于靜電相互排斥作用降低和能量壁壘減少，納米流體的穩定性隨著納米顆粒和鹽濃度的增加而降低。此外，Shadizadeh和Kharrat使用了新的植物表面活性劑（Matricia chamomilla提取物）降低油水界面張力降，使IFT值從30.6312.57mN/m降至12.57mN/m。Sarmad Al-Anssari等人研究了pH、鹽度和納米二氧化硅濃度對zeta電位值的影響。實驗表明，zeta電位絕對值隨納米二氧化硅濃度和鹽度的降低而增加，隨pH的增加而增加。添加PVP穩定劑后，Hendraningrat和Torsaeter使用包直接觀察、納米觀察和表面電導率測量三種方法，測定了含0.05wt%Al2O3、TiO2和SiO2鹽水（NaCl 3wt%）的穩定性。結果顯示，所有三種未經處理的納米流體在不到一小時內開始沉淀，并在3小時后完全沉淀，然而在向TiO2和Al2O3納米流體中添加1wt%的PVP后，其穩定性各自提高到48和96小時。Songolzadeh和Moghadasi通過測量納米流體的紫外線吸附和zeta電位，研究了SDS和CTAB離子表面活性劑對γ-Al2O3和SiO2納米顆粒穩定性的影響。研究結果表明，SDS通過對二氧化硅納米顆粒進行增壓并增強顆粒之間的電排斥最大限度地穩定SiO2納米流體；另一方面，CTAB對氧化鋁納米顆粒的穩定性沒有明顯影響。

 盡管有關新技術提高采收率的研究已有很多，但是有關納米顆粒或天然表面活性劑系統作為新型化學材料的研究并不多。由于納米級的化學、物理性質豐富多樣，因此評估納米顆粒或天然表面活性劑溶液的效果意義重大。雖然在化學驅油過程中，表面活性劑消耗是主要問題之一，但大量文獻表明，比起單獨使用，同時使用納米顆粒和表面活性劑提高采收率的效果好得多。Suleimanov等人稱，同時使用納米顆粒和表面活性劑時，采收率可提高35%。若僅僅使用表面活性劑，即便是最佳條件下，采收率只有17%。另一篇文獻的巖心驅替試驗結果顯示，天然表面活性劑只能產生53%的OOIP。然而，加入納米顆粒后，采收率提高到了74%。因此，即使會消耗大量表面活性劑，同時使用納米顆粒和天然表面活性劑，就能夠回收油藏中的大部分圈閉油，該方法經濟實惠，操作性強。