解锁氧化石墨烯 – 水解聚丙烯酰胺混合体稳定密码：开启高效采油新征程

在石油开采领域，提高采收率一直是个重要课题。过去二十年，纳米颗粒因其独特性质，在提高采收率方面展现出潜力。它能改变油水界面张力，让被困在储层岩石里的油滴更容易流动；还能增加驱替液的粘度，提高波及效率，让采油变得更轻松；而且通过调整岩石表面性质，纳米颗粒可以适应高盐度、高温等特殊油藏环境 。像二氧化硅纳米颗粒（SiNPs），因为能通过表面改性来控制化学性质，成为了提高采收率的热门选择，一些研究表明，水驱后它能提高 8.7% 和 7.7% 的原始油藏采油量（OOIP） 。

不过，纳米增强采油技术还处于发展初期。虽然前景光明，但还需要更多研究来证明它在实际油田作业中的有效性。而且，目前还缺乏通用准则，来指导纳米颗粒在提高采收率中的最佳使用方法。于是，越来越多的人推荐采用混合提高采收率的方法，把纳米颗粒和其他提高采收率的药剂一起使用，产生协同效应，聚合物 – 纳米颗粒混合体系就是其中一种。

大量研究显示，聚合物和纳米颗粒混合后的协同效应，比单独使用它们，能更显著地提高采油率。比如，这种混合体系可以改变岩石润湿性、增加聚合物粘度、减少聚合物在岩石表面的吸附 。水解聚丙烯酰胺（HPAM）是提高采收率中常用的聚合物，它能增加流体粘度来提高驱油效果，在各种油藏条件下都有不错的性价比 。研究发现，添加聚合物能提高纳米颗粒的耐盐性，而加入纳米颗粒又能增加聚合物溶液的粘度 。

近年来，碳基纳米颗粒，尤其是氧化石墨烯（GO）和聚合物的组合，在提高采收率方面崭露头角。GO 自身就有很多优势，它能把岩石表面从亲油变成亲水，让驱油效果更好，提高采收率；还能有效降低界面张力，提高驱油效率，而且低浓度就能发挥显著效果，减少接触角 。例如，ElShawaf 等人发现，GO 能让富含重质沥青质的油的粘度降低 20% – 65%，比其他八种纳米颗粒表现都好 。Khoramian 等人的研究则表明，在微模型驱油实验中，氧化石墨烯纳米片（GONs）在浓度为 800ppm 时，能让粘度增加 34%，界面张力降低到 19.4mN/m，纳米流体的采油率比盐水高 28% 。

当 GO 和聚合物结合时，效果更是显著提升。Aliabadian 等人发现，添加 GO 能降低粘度和动态模量，使用 0.2wt% 的表面改性氧化石墨烯（S – GO），能让采油率提高 8% 。Lyu 等人研究发现，改性表面的 GO 和聚丙烯酰胺的混合体系，在高温下粘度能提高约 20%，而且热稳定性出色 。Haruna 等人也发现，添加 0.1wt% 的 GO 能大大增强 HPAM 的长期热稳定性 。

然而，GO 增强的 HPAM 混合体系（GOeH）在不同条件下的稳定性，却很少有人深入研究。这就好比我们知道一辆车性能不错，但却不清楚它在各种路况下能不能稳定行驶。这个知识缺口对于制定在实际油田作业中使用 GOeH 的可靠准则和方法至关重要。为了解决这个问题，伊朗萨汉德理工大学石油与天然气工程学院的 M. Iravani、M. Simjoo、M. Chahardowli 等人在《Heliyon》期刊上发表了题为 “Screening key parameters affecting stability of graphene oxide and hydrolyzed polyacrylamide hybrid: Relevant for EOR application” 的论文。

https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2025.e42875

在这项研究中，研究人员主要用到了以下几种关键技术方法：首先，通过一系列特定步骤合成了 GO，包括对石墨进行加热膨胀、氧化、添加试剂反应、洗涤、离心、剥离、超声分散等；然后，运用 XRD（X 射线衍射）、FTIR（傅里叶变换红外光谱）、Raman（拉曼光谱）和 DLS（动态光散射）等分析技术对合成的 GO 进行表征；接着，按照特定流程制备了盐水氧化石墨烯增强 HPAM（sGOeH）混合溶液；最后，采用沉降试验和 ZP（zeta 电位）分析这两种方法，结合 AUC（曲线下面积）量化指标和 ANOVA（方差分析）统计方法，研究不同参数对 sGOeH 混合体系稳定性的影响。

下面来看看具体的研究结果：

1. GO 的结构表征

研究人员通过 XRD 分析发现，在 11° 处有一个强峰，这表明成功形成了 GO，同时还观察到另外两个峰，其对应的层间距与之前研究相符 。FTIR 光谱则证实了 GO 的形成，还揭示了其中存在的多种化学键和官能团 。Raman 光谱中，D 峰和 G 峰分别出现在 1342 cm-1 和 1568 cm-1 ，计算得出的 ID/IG 比值为 1.02，说明合成的 GO 被氧化 。DLS 分析测得 GO 纳米片的平均水动力直径为 286.9nm，ZP 分析得到的值为 – 20.55mV，表明 GO 水分散体是稳定的。

2. 各参数对混合溶液稳定性的影响

• 聚合物浓度：ANOVA 结果显示，聚合物浓度对混合体系稳定性的影响不显著，p 值为 0.389 。不过从趋势上看，较高的聚合物浓度可能有利于增强混合体系的长期稳定性，因为它能形成更致密的结构，更好地支持 GO 的分散 。
• Mg2+的存在与否： Mg2+的存在与否对混合体系稳定性也没有显著影响，p 值为 0.247 。但实际上，Mg2+的存在对长期稳定性有积极作用，它可以增强交联和结构支撑 。
• GO 浓度：GO 浓度对混合体系的长期稳定性有显著的正向影响，p 值为 0.011，F 值为 15.85，贡献率高达 38.24% 。这意味着增加 GO 浓度可以提高混合体系的稳定性，可能是因为它能形成更坚固的网络结构，增强结构完整性 。
• 盐度：盐度对稳定性有显著的负面影响，p 值为 0.041，F 值为 7.53 。高盐度会降低 sGOeH 的稳定性，这是因为盐析效应，盐分子与水分子相互作用，削弱了 GO 与聚合物链之间的氢键，导致 GO 片层聚集 。
• 聚合物浓度与Mg2+的相互作用：聚合物浓度和Mg2+的相互作用对长期稳定性有边缘显著影响，p 值为 0.094 。在较低聚合物浓度时，Mg2+可以增强稳定性；但在较高聚合物浓度时，Mg2+可能会导致过度交联，降低稳定性 。

总的来说，研究人员成功合成并表征了 GO，重点研究了 sGOeH 混合体系在 80°C 高温下的长期稳定性。通过全面研究聚合物浓度、GO 浓度、盐度和二价离子（Mg2+）等参数对稳定性的影响，运用 ANOVA 统计分析和2K – 全因子实验设计，得出了一系列重要结论。在研究的参数范围内，聚合物浓度和二价离子的存在对混合溶液的长期稳定性影响不显著；而盐度和 GO 含量的影响最为显著，高盐度降低稳定性，增加 GO 含量则提高稳定性。此外，聚合物浓度和镁离子（Mg2+）的相互作用是唯一对混合体系长期稳定性有显著影响的参数相互作用。

这些结论对于深入理解 sGOeH 混合体系的稳定性动态，尤其是在提高采收率（EOR）应用方面具有重要意义。它为优化 EOR 策略提供了有价值的见解，有助于开发在不同条件下更有效地利用 GOeH 混合体系的方法，就像为油田开采找到了一把更精准的 “钥匙”，让我们能更好地开采石油资源，提高开采效率，推动石油开采行业的发展。