Chế Tạo Vật Liệu Nano Oxit Sắt Từ Bọc Polymer Để Định Hướng Ứng Dụng Trong Tăng Cường Thu Hồi Dầu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA HĨA HỌC

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO OXIT SẮT TỪ
BỌC POLYMER ĐỂ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG
TRONG TĂNG CƯỜNG THU HỒI DẦU

Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS NGUYỄN PHƯƠNG TÙNG
TS NGUYỄN THỊ THU TRANG
Sinh viên thực hiện: HỒNG ANH QN

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 05 năm 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM
KHOA HÓA HỌC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO OXIT SẮT TỪ
BỌC POLYMER ĐỂ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG
TRONG TĂNG CƯỜNG THU HỒI DẦU

XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Ký tên và ghi rõ họ và tên)

PGS.TS Nguyễn Phương Tùng

TS Nguyễn Thị Thu Trang

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 05 năm 2019


LỜI CẢM ƠN
Ngày ta bước chân vào giảng đường đại học, đâu ai nghĩ rằng 4 năm cứ ngỡ là dài lại
trôi qua nhanh đến như vậy. Quãng thời gian ấy trôi qua nhanh tựa như cái chớp mắt, nhưng
cũng đọng lại biết bao kỉ niệm đáng nhớ với biết bao cảm xúc của của thời sinh viên. Và
để kết thúc quãng đời sinh viên đầy ý nghĩa kia, Khóa luận tốt nghiệp là một trải nghiệm
khá thú vị nhưng cũng khơng hề dễ dàng để hồn thành cơng việc học tập tại Trường Đại
học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh.
Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến cô PGS. TS
Nguyễn Phương Tùng, là người trực tiếp hướng dẫn, chỉ dạy, giúp đỡ tận tình em ngay từ
những ngày đầu làm quen với nghiên cứu khoa học cũng như đề tài khóa luận tốt nghiệp.
Và em cũng gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến cô TS. Nguyễn Thị Thu Trang, là
người đồng hướng dẫn cùng với cô Tùng, cơ cũng tận tình chỉ bảo, giúp đỡ em rất nhiều
để em thực hiện và hồn thành đề tài khóa luận tốt nghiệp này.
Em xin gửi lời cảm ơn đến tất cả thầy cơ giảng viên trong Khoa Hóa học – Trường
Đại học Sư phạm TP. HCM nói chung và các thầy cơ giảng viên bộ mơn Hóa Vơ cơ nói
riêng. Các thầy cơ đã tận tình chỉ dạy, truyền đạt kiến thức cho em và các bạn trong quãng
thời gian học tập tại trường cũng như đã tạo điều kiện tối đa cho em để hồn thành tốt Khóa
luận tốt nghiệp.
Em xin gửi lời cảm ơn đến anh Khanh, anh Trường và các anh, chị tại phịng Cơng
nghệ Nano và Chuyển hóa Năng lượng thuộc Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng (IAMS)
– Viện Hàn Lâm Khoa Học và Cơng Nghệ Việt Nam (VAST) đã tận tình giúp đỡ em trong
suốt thời gian em thực hiện đề tài tại đây.
Con xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bố mẹ, những người đã sinh thành và nuôi dưỡng
con để con có được như ngày hơm nay, ln bên cạnh và động viên con khi con gặp khó
khăn trong cuộc sống.

Xin gửi lời cảm ơn đến tất cả bạn bè đã ln bên cạnh động viên và giúp đỡ mình.

i


Mặc dù đã có nhiều cố gắng để thực hiện đề tài một cách hoàn chỉnh nhất. Song do
buổi đầu mới làm quen với công tác nghiên cứu khoa học và sự hạn chế về kiến thức cũng
như thực nghiệm nên những thiếu sót là điều khơng thể tránh khỏi mà bản thân em chưa
nhận thấy được. Em rất mong nhận được sự thơng cảm và đóng góp ý kiến của q thầy
cơ để đề tài của em được hồn thiện hơn, giúp em tích lũy kinh nghiệm cho sau này.
Cuối cùng, em xin chúc quý thầy cô và bạn bè sức khỏe, đạt nhiều thành công trong
cuộc việc và cuộc sống.
TP. HCM, tháng 05 năm 2019
Sinh viên thực hiện đề tài

Hoàng Anh Quân

ii


TĨM TẮT KHĨA LUẬN
Q trình tăng cường thu hồi dầu (TCTHD) là quá trình bơm vào vỉa các tác nhân
ngoại lai nhằm thu hồi một lượng dầu bị bẫy lại sau giai đoạn khai thác sơ cấp và khai thác
thứ cấp. Tuy nhiên, các phương pháp TCTHD đang được sử dụng hiện nay chưa đạt được
hiệu quả như mong muốn, khoảng 70% lượng dầu tại chỗ cịn nằm lại. Vì vậy, hệ chất lỏng
nano – nano từ tính bọc polymer đang được xem là một giải pháp đột phá, có nhiều hứa
hẹn và trở thành hướng nghiên cứu đang được quan tâm đặc biệt trong khai thác dầu khí.
Vật liệu nano Fe3O4 từ lâu đã được nghiên cứu để ứng dụng vào lĩnh vực dầu khí. Các
hạt nano từ tính được bao bọc bởi các loại polymer mang những tính chất khác nhau hiện
được nghiên cứu ngày càng nhiều, không chỉ riêng trong lĩnh vực dầu khí mà cịn ở một số

lĩnh vực khác. Đề tài này nghiên cứu vật liệu nano từ tính Fe3O4 bọc copolymer (methyl
methacrylate) – (2–acrylamide –2–methyl–propanesulfonate) (MMA-co-AMPS), với cầu
nối là Oleic acid, để giúp các hạt nano ổn định các tính chất trong mơi trường phân tán
khắc nghiệt. Q trình tổng hợp nano từ tính sử dụng phương pháp đồng kết tủa và phương
pháp phân hủy nhiệt, bước đầu so sánh được những ưu điểm, nhược điểm của 2 phương
pháp. Phương pháp vi nhũ – polymer hoá được sử dụng để tổng hợp lớp vỏ polymer bao
bọc nano từ tính. Vật liệu tổng hợp được có cấu trúc lõi – vỏ thu được phân tán tốt trong
môi trường nước biển, ổn định nhiệt cao. Khảo sát các yếu tố về tác động giảm sức căng
bề mặt liên diện giữa nước biển và dầu thô, độ phân tán trong nước biển, bền nhũ và ổn
định ở nhiệt độ cao, đã cho được những kết quả thành cơng ban đầu.
Đặc điểm về cấu trúc hóa học, hình thái của vật liệu được khảo sát lần lượt bằng các
phương pháp phân tích FTIR, DLS, TEM, PXRD, VSM và TGA, và. Các yếu tố thể hiện
tiềm năng ứng dụng trong TCTHD được khảo sát theo các tiêu chuẩn của ngành dầu khí
và kết quả thu được hệ chất lỏng nano phân tán tốt trong nước biển và chất HĐBM, ổn định
trong môi trường nhiệt độ cao. Các hạt nano có kích thước từ 12 – 15 nm bền nhiệt có tiềm
năng trong việc ứng dụng trong TCTHD.

iii


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................... i
TÓM TẮT KHÓA LUẬN .................................................................................................. iii
MỤC LỤC .......................................................................................................................... iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................................. x
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT........................................................................... xi
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................... xii
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................................. 1
1.1.

Các giai đoạn khai thác và tăng cường thu hồi dầu ............................................... 1

1.1.1. Giai đoạn khai thác dầu sơ cấp ........................................................................ 1
1.1.2. Giai đoạn khai thác dầu thứ cấp....................................................................... 1
1.1.3. Giai đoạn tăng cường thu hồi dầu .................................................................... 2
1.2.

Các phương pháp áp dụng trong tăng cường thu hồi dầu ...................................... 3

1.3.

Cơ chế tác động...................................................................................................... 5

1.3.1. Hiệu suất quét vi mô ........................................................................................ 6
1.3.2. Hiệu suất quét vĩ mô ........................................................................................ 8
1.4.

Hệ chất lỏng nano .................................................................................................. 9

1.4.1. Những nghiên cứu về vật liệu nano và hệ chất lỏng nano trong những năm gần
đây
........................................................................................................................ 10
1.4.2. Tiềm năng ứng dụng các hạt nano trong TCTHD ......................................... 12
1.5.

Hệ chất lỏng nano từ tính ..................................................................................... 14

1.5.1. Vật liệu từ tính ............................................................................................... 14
1.5.2. Vật liệu oxit sắt từ (ferrous ferric oxide/magnetite) ...................................... 18
1.5.3. Vật liệu từ tính Fe3O4 ..................................................................................... 18

1.5.4. Vật liệu từ tính Fe3O4 kích thước nano .......................................................... 19
1.5.5. Hệ chất lỏng nano từ tính ............................................................................... 22
1.5.6. Tổng hợp hạt nano từ tính .............................................................................. 23
1.5.7. Một số phương pháp tổng hợp hạt nano oxit sắt từ hiện nay ........................ 25

iv


KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 .................................................................................................. 28
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM ...................................................................................... 29
2.1.

Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu ....................................................................... 29

2.2.

Hóa chất và vật liệu sử dụng ................................................................................ 29

2.3.

Thiết bị thí nghiệm và thiết bị phân tích .............................................................. 31

2.3.1. Thiết bị thí nghiệm ......................................................................................... 31
2.3.2. Thiết bị phân tích ........................................................................................... 31
2.4.

Quy trình thực nghiệm ......................................................................................... 31

2.4.1. Quy trình tổng hợp hạt nano Fe3O4................................................................ 31
a.

Phương pháp đồng kết tủa ............................................................................. 31

b.

Phương pháp phân hủy nhiệt ......................................................................... 32

2.4.2. Quy trình tổng hợp Oleic acid bọc hạt nano Fe3O4 (OMNPs)....................... 34
2.4.3. Quy trình tổng hợp copolymer MMA – AMPS bọc OMNPs (PMNPs)........ 35
2.4.4. Khảo sát đặc trưng lý hóa của vật liệu ........................................................... 36
2.5.

Khảo sát tiềm năng ứng dụng của vật liệu PMNPs trong TCTHD...................... 37

2.5.1. Sức căng bề mặt ............................................................................................. 37
2.5.2. Khả năng thu hồi và tái sử dụng .................................................................... 37
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 .................................................................................................. 38
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ..................................................................... 39
3.1.

Kết quả khảo sát đặc trưng lý hóa hạt nano Fe3O4 .............................................. 39

3.1.1. Kết quả đo FTIR ............................................................................................ 39
3.1.2. Kết quả đo PXRD .......................................................................................... 40
3.1.3. Kết quả hình ảnh TEM................................................................................... 41
3.1.4. Kết quả đo VSM – đặc trưng cho tính chất từ của vật liệu............................ 42
3.1.5. Kết quả phân tích nhiệt trọng lượng TGA ..................................................... 44
3.2.

Kết quả khảo sát đặc trưng lý hóa vật liệu OMNPs............................................. 45

3.2.1. Kết quả đo FTIR ............................................................................................ 45
3.2.2. Kết quả đo VSM – đặc trưng cho tính chất từ của vật liệu............................ 46

v


3.3.
3.3.1.

Kết quả khảo sát đặc trưng lý hóa vật liệu PMNPs ............................................. 47
Kết quả đo FTIR ............................................................................................... 47

3.3.2. Kết quả đo PXRD .......................................................................................... 49
3.3.3. Kết quả đo DLS ............................................................................................. 50
3.3.4. Kết quả hình ảnh TEM................................................................................... 52
3.3.5. Kết quả đo VSM – đặc trưng cho tính chất từ của vật liệu............................ 53
3.3.6. Kết quả đo phân tích nhiệt trọng lượng TGA ................................................ 55
3.4.

Kết quả khảo sát tiềm năng ứng dụng của PMNPs trong TCTHD ...................... 56

3.4.1. Kết quả khảo sát sức căng bề mặt .................................................................. 56
3.4.2. Kết quả khảo sát độ bền nhiệt ........................................................................ 57
3.4.3. Kết quả thu hồi và tái sử dụng vật liệu .......................................................... 58
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 .................................................................................................. 59
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................................................... 60
KẾT LUẬN .................................................................................................................... 60
KIẾN NGHỊ ................................................................................................................... 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 61

PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 64

vi


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Ngun lý chung các phương pháp TCTHD ...................................................... 3
Hình 1.2. Mối liên hệ giữa số mao dẫn Nc và hiệu suất thu hồi dầu .................................. 7
Hình 1.3. Tính dính ướt lên bề mặt rắn của pha nước và dầu............................................. 8
Hình 1.4. Các hạt nano len lỏi vào bề mặt rắn – dầu và đẩy dầu ra khỏi đá .................... 13
Hình 1.5. Mối liên hệ giữa áp lực phá hủy cấu trúc và kích thước hạt ............................. 14
Hình 1.6. Định hướng các mơmen từ trong vật liệu thuận từ ........................................... 15
Hình 1.7. Đồ thị đường cong từ hóa của vật liệu siêu thuận từ ........................................ 17
Hình 1.8. Khống vật Fe3O4 ............................................................................................. 19
Hình 1.9. Cấu trúc tinh thể Fe3O4 ..................................................................................... 19
Hình 1.10. Giới hạn domain của Fe3O4 ............................................................................ 21
Hình 1.11. Các trạng thái từ tính của vật liệu ................................................................... 22
Hình 1.12. Chất lỏng nano từ tính .................................................................................... 23
Hình 1.13. Một số cấu trúc của hạt nano từ tính và các kiểu bao phủ của chúng. (A): cấu
trúc bao phủ kiểu lõi – vỏ; (B): bao phủ bằng cách ghép với đi của chuỗi polymer; (C):
kết nang hồn tồn trong lớp polymer ............................................................................... 24
Hình 1.14. Tổng hợp γ-Fe2O3 từ Ferric oleate .................................................................. 27
Hình 2.1. Hệ phản ứng tổng hợp hạt nano Fe3O4 bằng phương pháp đồng kết tủa.......... 32
Hình 2.2. Tổng hợp hạt nano Fe3O4 bằng phương pháp phân hủy nhiệt từ Fe(acac)3 ...... 32
Hình 2.3. Hệ phản ứng tổng hợp hạt nano Fe3O4 bằng phương pháp phân hủy nhiệt...... 33
Hình 2.4. Tổng hợp OMNPs từ hạt nano Fe3O4. .............................................................. 34

vii

Hình 2.5. Tổng hợp PMNPs từ OMNPs ........................................................................... 35
Hình 3.1. Phổ FTIR của hạt nano Fe3O4 ........................................................................... 39
Hình 3.2. Kết quả đo PXRD của hạt nano Fe3O4 phương pháp đồng kết tủa .................. 40
Hình 3.3. Kết quả hình ảnh TEM của hạt nano Fe3O4 ...................................................... 41
Hình 3.4. Hạt nano Fe3O4 sau khi tổng hợp (phân tán trong C2H5OH) ............................ 42
Hình 3.5. Đường cong từ hóa của hạt nano Fe3O4 phương pháp đồng kết tủa. ................ 43
Hình 3.6. Kết quả phân tích nhiệt trọng lượng TGA của hạt nano Fe3O4 ........................ 44
Hình 3.7. Phổ FTIR của OMNPs ...................................................................................... 45
Hình 3.8. Đường cong từ hóa của OMNPs ....................................................................... 46
Hình 3.9. Phổ FTIR của PMNPs và MMA-co-AMPS ..................................................... 47
Hình 3.10. Phổ FTIR của PMNPs và OMNPs .................................................................. 47
Hình 3.11. Kết quả đo PXRD của hạt PMNPs phương pháp đồng kết tủa ...................... 49
Hình 3.12. Giản đồ DLS vật liệu PMNPs (đồng kết tủa) phân tán trong mơi trường nước
biển .................................................................................................................................... 50
Hình 3.13. Giản đồ DLS vật liệu PMNPs (phân hủy nhiệt) phân tán trong mơi trường
nước biển ........................................................................................................................... 51
Hình 3.14. Kết quả hình ảnh TEM của PMNPs ............................................................... 52
Hình 3.15. PMNPs sau khi tổng hợp (phân tán trong C2H5OH) ...................................... 53
Hình 3.16. Đường cong từ hóa của vật liệu PMNPs và hạt nano Fe3O4 phương pháp đồng
kết tủa ................................................................................................................................ 54
Hình 3.17. Kết quả đo TGA của MMA–co–AMPS ......................................................... 55

viii


Hình 3.18. Kết quả đo TGA của PMNPs .......................................................................... 55
Hình 3.19. Hỗn hợp (HĐBM/PMNPs/nước biển 800 – 200 ppm) sau 25 ngày ủ nhiệt ... 58
Hình 3.20. Tái phân tán PMNPs thu hồi sau 25 ngày ủ nhiệt........................................... 58

ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Hóa chất và vật liệu sử dụng ............................................................................ 29
Bảng 2.2. Thành phần nước biển mô phỏng của mỏ Bạch Hổ (Vũng Tàu) ..................... 30
Bảng 2.3. Thành phần mẫu khảo sát sức căng bề mặt ...................................................... 37
Bảng 3.1. Kết quả đo phổ FTIR của OMNPs ................................................................... 46
Bảng 3.2. Kết quả đo phổ FTIR của PMNPs và MMA–co–AMPS ................................. 48
Bảng 3.3. Kết quả đo SCBM giữa dầu thô và hỗn hợp (nước biển–HĐBM–PMNPs) .... 57

x


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT
TCTHD: Tăng cường thu hồi dầu
HSTHD: Hiệu suất thu hồi dầu
HĐBM: Hoạt động bề mặt
WAG: Khí nước luân phiên (water alternating gas)
SCBM: Sức căng bề mặt
BMLD: Bề mặt liên diện
MNPs: Các hạt nano có từ tính (magnetic nanoparticles)
OMNPs: Hạt nano Fe3O4 bọc bởi oleic acid
PMNPs: Copolymer MMA – co – AMPS bọc OMNPs
MMA: Methyl methacrylate
AMPS: 2 – acrylamido – 2 – methyl propane sulfonic acid
FTIR: Phép đo hấp thụ quang phổ hồng ngoại
PXRD: Phép đo nhiễu xạ tia X
VSM: Phép đo từ tính bằng từ kế mẫu rung
DLS: Phép đo tán xạ ánh sáng động học
TGA: Phép đo phân tích nhiệt trọng lượng

xi


MỞ ĐẦU
Ngành cơng nghiệp khai thác dầu khí từ lâu đã mang lại nhiều lợi ích cho sự phát
triển của nhân loại, đó là nguồn cung cấp năng lượng to lớn cần thiết hoạt động sống của
con người như hoạt động nhiệt, điện,... trong các nhà máy, các xí nghiệp, các cơ quan, cho
hầu hết tất cả phương tiện giao thông sử dụng động cơ trên thế giới…; là nguồn ngun
liệu cho ngành cơng nghiệp hóa dầu để sản xuất ra rất nhiều sản phẩm quan trọng và có giá
trị như dược phẩm, dung mơi hữu cơ, phân bón, thuốc trừ sâu,.... Đối với nước ta, vai trò
và ý nghĩa của dầu khí nói chung và dầu mỏ nói riêng càng trở nên quan trọng trong thời
kỳ đẩy mạnh sự nghiệp cơng nghiệp hố, hiện đại hố. Khơng chỉ là vấn đề thu nhập kinh
tế đơn thuần, trong những năm qua dầu mỏ đã góp phần đáng kể vào ngân sách quốc gia,
làm cân đối hơn cán cân xuất nhập khẩu thương mại quốc tế, góp phần tạo nên sự phát triển
ổn định nước nhà trong những năm đổi mới đất nước.
Với vai trò và tầm quan trọng như vậy, cùng với sự phát triển của công nghệ đang
ngày càng tiến bộ, dầu mỏ đang được các quốc gia trên thế giới khai thác không ngừng.
Song nguồn năng lượng này không phải là vô tận, trong khi nhu cầu sử dụng của thế giới
lại ngày càng tăng. Giáo sư Minqi Li, Trường đại học Utah trong “Báo cáo hàng năm về
nguồn năng lượng thế giới” đã thống kê và dự đoán sản lượng khai thác dầu thế giới từ
năm 1980 đến 2050. Trong đó đề cập những năm 2020 sản lượng sẽ đạt đỉnh sau đó đi
xuống. Trong khi từ năm 2007 – 2017, nhu cầu tiêu thụ dầu thế giới tăng 1,0 – 1,2%/năm
[1]. Do đó, việc thu hồi lại dầu dã sử dụng được quan tâm và đầu tư nghiên cứu. Nhằm tận
dụng lượng dầu chiếm hơn 70% lượng dầu tại chỗ cịn bám dính lại ở các vỉa đá sau các
giai đoạn khai thác dầu sơ cấp và thứ cấp, cần phải tác động để tăng hiệu suất đẩy, hệ số
quét bằng các thay đổi đặc trưng cơ bản của chất lưu trong vỉa như sức căng bề mặt, độ
nhớt, tỷ số linh động, tính dính ướt, …, các phương pháp được sử dụng trong giai đoạn này
được gọi là giai đoạn khai thác tam cấp (bậc ba), thường được biết đến với tên gọi là giai
đoạn tăng cường thu hồi dầu (TCTHD).

xii


Tại Việt Nam, dù cơng nghiệp khai thác dầu khí còn non trẻ nhưng đã trở thành một
trong những ngành kinh tế có vai trị vơ cùng quan trọng và có ảnh hưởng đến kinh tế của
đất nước. Theo thơng tin công bố tại Hội nghị BCH mở rộng Đảng bộ Cơng ty mẹ Tập
đồn Dầu khí Việt Nam (PetroVietnam – PVN) ngày 21/1/2016, năm 2015 tổng doanh thu
toàn tập đồn đạt 560,1 nghìn tỷ đồng, vượt kế hoạch cả năm với tỷ lệ 14%. Tuy vậy, mặc
dù vượt kế hoạch đề ra, Tổng doanh thu năm 2015 của PVN so với năm 2014 sụt giảm
25%. Tốc độ suy giảm sản lượng diễn ra nhanh hơn so với dự kiến, độ ngập nước tăng
nhanh ở mỏ Rồng, lắng đọng muối ở mỏ Thỏ Trắng ngày càng phức tạp… Trong khi đó
sản lượng khai thác dầu trong các giếng mới tại các giếng khoan ThTC–3 và RC–9 lại
không đạt như kỳ vọng… Những giếng dầu tại mỏ Bạch Hổ, mỏ Rồng do Vietsovpetro
tiến hành thăm dò khai thác hơn 30 năm qua đã ở vào giai đoạn cuối, sản lượng đến hồi
suy giảm và kiệt quệ nghiêm trọng [2].
Do đó, việc tìm ra các phương pháp áp dụng trong giai đoạn TCTHD rất được chú
trọng và quan tâm. Hiện nay, các hướng nghiên cứu về hệ chất lỏng nano đang được đầu
tư và hỗ trợ vì mang lại hiệu quả trong giai đoạn TCTHD, có thể sử dụng ở nồng độ thấp
nhưng đem lại hiệu quả cao.

xiii


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1.

Các giai đoạn khai thác và tăng cường thu hồi dầu
Sau khi khảo sát cấu trúc địa chất bằng các phương tiện khác nhau như sử dụng thiết

bị khảo sát địa chấn (được biết đến với tên gọi là phương pháp “bật lửa” (sparking)), khoan
thăm dò, từ kế, máy đo trọng lực, phân tích các mẫu dầu để biết được số lượng và chất
lượng của các mỏ dầu tiềm năng bởi các nhà địa chất học, nhóm kỹ sư sẽ tiến hành khoan
xuống lòng đất để tạo các giếng dầu, bắt đầu cho các quá trình khai thác dầu khí.
1.1.1. Giai đoạn khai thác dầu sơ cấp
Trong giai đoạn khai thác ban đầu, áp suất vỉa còn cao, dầu được đẩy đến giếng khai
thác nhờ năng lượng nội tại của vỉa. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp để tăng cường tiến
độ khai thác của mỏ khi năng lượng của vỉa yếu đi, người ta bổ sung năng lượng tại các
giếng khai thác (bơm piston, sử dụng gaslift, bơm ngầm, …) cho phép khai thác sớm lượng
dầu trên bề mặt nhưng hiệu quả thu hồi thêm lại không cao [3]. Giai đoạn này ta sẽ thu
được khoảng 5 – 12% lượng dầu trong vỉa [4].
1.1.2. Giai đoạn khai thác dầu thứ cấp
Giai đoạn khai thác thứ cấp thường được bắt đầu khi áp suất vỉa chứa trong giai đoạn
khai thác sơ cấp suy giảm, khiến việc khai thác trở nên khó khăn do đó giảm sản lượng dầu
khai thác. Năng lượng trong vỉa suy giảm khiến dầu thô khơng thể di chuyển đến các giếng
khai thác. Từ đó, người ta tiến hành bơm ép các loại lưu thể tự nhiên (nước, khí) vào vỉa
cụ thể nhằm duy trì , phục hồi hoặc tăng áp suất vỉa (cung cấp năng lượng cho vỉa từ bên
ngoài). Tùy vào điều kiện của vỉa chứa dầu, các lưu thể được bơm vào có thể được lấy từ
các vỉa/mỏ lân cận hoặc từ trên bề mặt cung cấp [3].
Các quá trình thực hiện trong giai đoạn này chủ yếu nhằm vào hai mục đích, đó là tạo
lực “qt” dầu cuốn theo dịng chất lỏng đi lên và duy trì áp lực trong vỉa dầu. Giai đoạn
này ta thu được khoảng 10% – 25% lượng dầu được lấy ra và kéo dài từ sáu đến mười năm
tùy vào kết cấu địa tầng của vỉa dầu [4].

1


Trong giai đoạn khai thác dầu sơ cấp và thứ cấp, dầu dịch chuyển trong vỉa và đưa
lên bề mặt chủ yếu dựa vào năng lượng nội tại của vỉa hoặc/và bổ sung từ bên ngoài vào
bằng các kỹ thuật, công nghệ khai thác dầu không quá phức tạp nên được gọi là thu hồi

dầu thông thường (COR) [3].
1.1.3. Giai đoạn tăng cường thu hồi dầu
Sau thời gian bơm ép nước, lượng dầu dưới vỉa bị giảm dẫn đến việc dùng áp lực
nước để đẩy dầu lên khơng cịn tác dụng. Khi đó phần lớn nước được bơm xuống sẽ lên
miệng giếng trong khi dầu vẫn còn mắc kẹt trong những khe đá hoặc bám vào đá [4]. Vì
vậy, để có thể tiếp tục khai thác và thu hồi dầu, cần có tác động của những yếu tố khác
nhằm thay đổi đặc tính của lưu chất và đá vỉa, như làm giảm các lực giữ dầu trong các lỗ
rỗng của đá vỉa cũng như thay đổi tính dính ướt của đá; giảm sức căng bề mặt liên diện
giữa hai pha dầu – nước; giảm độ nhớt của dầu và/hoặc tăng độ nhớt của dung dịch bơm
ép,… Các phương pháp được sử dụng trong giai đoạn này được gọi là giai đoạn khai thác
tam cấp (bậc ba), thường được biết đến với tên gọi là giai đoạn tăng cường thu hồi dầu
(TCTHD).

2


1.2.

Các phương pháp áp dụng trong tăng cường thu hồi dầu
Tăng độ nhớt của nước

Tăng cường hiệu
suất quét

Dùng Polymer
Bơm ép hơi nước

Giảm độ nhớt của dầu
Đốt tại chỗ

TCTHD

Sử dụng chất lưu đẩy
có khả năng trộn lẫn

Tăng cường hiệu
suất đẩy

Bơm ép CO2
Đốt tại chỗ

Giảm sức căng bề mặt
của các chất lưu

Dùng các chất
HĐBM

Thay đổi tính dính ước
của đá vỉa

Dùng các chất
kiềm

Hình 1.1. Nguyên lý chung các phương pháp TCTHD [4].
Ở Việt Nam đã áp dụng một số biện pháp nâng cao thu hồi dầu: bơm ép thử nghiệm
chất hoạt động bề mặt, vi sinh, hóa lý tại đối tượng cát kết mỏ Bạch Hổ. Đồng thời các
chuyên gia của PetroVietNam đang nghiên cứu các biện pháp nâng cao thu hồi dầu: phân
tích và nghiên cứu khả năng bơm ép CO2 cho đối tượng cát kết mỏ Rạng Đông; bơm ép
polymer cho đối tượng cát kết mỏ Bạch Hổ; bơm ép nước và khí hydrocarbon luân phiên
tầng Miocene mỏ Bạch Hổ, mỏ Rạng Đông…Tuy nhiên, các biện pháp nêu trên không thể

áp dụng đại trà mà chỉ áp dụng các mỏ có trữ lượng còn tương đối lớn; các mỏ đang khai
thác giai đoạn suy giảm sản lượng; các tầng sản phẩm: Miocene, Oligocene, Móng.
Gần đây, Viện Khoa học vật liệu Ứng dụng kết hợp với liên doanh Vietsopetro đã
tiến hành thử nghiệm công nghiệp hệ dung dịch HĐBM và polymer đã thu được nhiều kết
quả tốt. Ngoài ra, Viện Khoa học vật liệu Ứng dụng cũng đã nghiên cứu nhiều tổ hợp nano
SiO2 và chất HĐBM, kết quả cho thấy rằng sức căng về mặt dầu nước giảm từ 24 xuống
còn 5.10-3 dyne/cm [5]. Tuy nhiên, nghiên cứu sâu vào thì thấy các chất bơm ép đã bị bẫy

3


lại ở pha dầu gây lãng phí, mất hiệu quả. Mặc khác, việc sử dụng chất HĐBM đặc thù có
giá thành cao nhưng khả năng chịu nhiệt không ổn định do hầu như các chất HĐBM có độ
bền nhiệt khơng cao.
Có hai phương pháp chính TCTHD là phương pháp vật lý và phương pháp hóa học. Các
phương pháp này làm giảm các lực giữ dầu ở trong lỗ rỗng xốp của vỉa đá, làm giảm sức
căng bề mặt liên diện giữa hai pha dầu và nước hoặc làm giảm độ nhớt của dầu, tăng độ
nhớt của dung dịch bơm ép hoặc thay đổi các đặc tính của vỉa dầu để có thể dễ dàng được
khai thác hơn [3].
Phương pháp vật lý bao gồm Bơm khí và Bơm nhiệt. Bơm khí (có thể sử dụng các
loại khí có thể trộn lẫn như khí CO2, khí tự nhiên hoặc N2) vào trong bể chứa để giảm
SCBM giữa dầu và nước. Trong phương pháp này, lưu chất bơm thường nhanh chóng chảy
xói qua các khối đá xốp bên trong mỏ và bỏ qua hầu hết các lượng dầu có tại đó do tỷ lệ
lưu động (quyết định bởi độ thẩm thấu và độ nhớt của lưu chất khí so với của dầu) khơng
phù hợp. Nhược điểm của phương pháp này là phụ thuộc nhiều vào áp suất, nhiệt độ của
bể dầu và thành phần dầu thơ.
Bơm nhiệt bao gồm bơm hơi tuần hồn, hơi nước và đốt cháy. Phương pháp này làm
nóng dầu thơ trong q trình hình thành để giảm SCBM và tăng tính thấm của dầu. Chi phí
cao nhưng lại khơng an toàn là những hạn chế của phương pháp này.
Phương pháp hóa học bao gồm dùng chất chất hoạt động bề mặt (HĐBM), dùng

polymer và dùng kiềm. Các chất HĐBM và polymer được sử dụng để hỗ trợ tính di chuyển
và giảm SCBM liên diện giữa hai pha dầu và nước và giảm tăng độ nhớt của dung dịch
bơm ép, nhờ đó cho phép thu hồi thêm dầu từ bể chứa. Ứng dụng của phương pháp này
thường bị hạn chế bởi chi phí cao của hóa chất, sự thất thốt và hấp phụ của chúng lên đá
trong mỏ chứa. Ngoài ra, phương pháp bơm chất HĐBM hoặc polymer có thể bị giảm tính
hóa học trong điều kiện khắc nghiệt với nhiệt độ và áp suất cao của mỏ. Hơn nữa, nước
muối có độ cứng nước cao và độ nhớt của dầu tương đối cao dẫn đến khả năng mài mòn

4


của khối đá ngăn các túi dầu/khí và thất thốt lưu chất bơm khi chảy qua các mỏ chứa là
hạn chế của phương pháp này [6].
1.3.

Cơ chế tác động
Về cơ bản, dầu bị giữ lại trong vỉa có thể xem gồm hai loại: dầu lưu trong những

vùng được quét bởi nước bơm ép và dầu linh động trong những vùng không được quét
hoặc những vùng được quét không đáng kể bởi nước bơm ép [7]. Quá trình TCTHD dựa
vào cơ chế đẩy dầu/thay thế dầu thông qua các lưu chất bơm ép có những đặc tính khác
nhau như đã nêu trên, nhằm giúp dầu cịn sót lại có thể đến được giếng khai thác. Hiệu suất
thay thế hay hiệu suất quét đại diện cho hiệu quả của quá trình quét dầu và bất kì một quá
trình thu hồi dầu nào cũng đều có một hiệu suất qt tồn phần, hiệu suất này có thể được
viết thơng qua hiệu suất qt vi mô và hiệu suất quét vĩ mô [8]:
E  E D .E V 

Soi  Sor
E V (1.1)
Soi

Trong đó:
E : hiệu suất quét toàn phần, là tỉ lệ giữa thể tích dầu được thu hồi và thể tích dầu lúc
mới bắt đầu quá trình;
ED : hiệu suất quét vi mơ, nó liên quan đến sự thay thế và tính linh động của dầu trong
các khe đá nứt nẻ và lỗ rỗng của vỉa; là thang đo hiệu quả của lưu chất thay thế trong việc
di chuyển dầu tại những nơi mà lưu chất tiếp xúc với dầu; phản ảnh độ lớn của độ bảo hòa
dầu dư Sor trong vùng tiếp xúc với lưu chất thay thế.
EV : hiệu suất qt vĩ mơ; nó liên quan đến hiệu quả tương tác của thể tích lưu chất
bơm ép khi tiếp xúc với vỉa, đơi khi cịn có tên gọi là hệ số quét và hệ số tương hợp [8],
biểu thị hiệu quả quét của lưu chất thay thế trong vỉa, cả theo phương ngang lẫn theo
phương dọc miễn là thay thế dầu để dầu có thể đi đến giếng khai thác.
Soi : Độ bão hòa dầu ban đầu;
Sor : Độ bão hòa dầu dư.

5


Mục đích của q trình TCTHD là tác động vào giá trị ED và EV nhằm làm cho hiệu
suất toàn phần E tiến đến 1. Quá trình TCTHD lý tưởng là q trình bơm ép lưu chất lần
đầu có thể di chuyển được hết toàn bộ dầu trong các khe đá (Sor → 0), lưu chất thay thế sẽ
tiếp xúc được với tồn bộ thể tích vỉa và dầu hồn toàn đến được giếng khai thác. Độ giảm
giá trị của Sor được chi phối bởi hai yếu tố chính, đó là:
+ Số mao dẫn “Nc”;
+ Tỉ số linh động “M”.
1.3.1. Hiệu suất quét vi mô
Một yếu tố quan trọng của bất kỳ quá trình nâng cao HSTHD nào là nâng cao hiệu
quả đẩy dầu ra khỏi lỗ rỗng của đá ở cấp vi mơ. Trong khi đó, một số tương tác hóa – lý
xảy ra giữa lưu chất thay thế và dầu làm tác động lên hiệu suất quét vi mô (tức làm giảm
Sor), bao gồm việc làm giảm sức căng bề mặt liên diện giữa hai pha dầu – lưu chất; tăng

thể tích pha dầu; làm giảm độ nhớt của dầu. Bởi vì quá trình nâng cao HSTHD điển hình
bao gồm việc bơm ép nhiều loại lưu chất khác nhau nên hệ số đẩy dầu của những dòng lưu
chất này trong vỉa cũng cần được quan tâm. Khi hệ số đẩy dầu thấp, hệ số thu hồi dầu cũng
sẽ thấp và ngược lại. Lực mao dẫn và lực nhớt (lực thủy động) kiểm soát sự phân bố các
pha cũng như sự di chuyển của lưu chất trong môi trường rỗng do đó chi phối hệ số đẩy
dầu vi mơ được thể hiện qua phương trình sau:

Nc =

Lực nhớt
Lực mao dẫn




 K   P 
  0 
 (1.2)
 cos      L 

 : Vận tốc di chuyển của dòng lưu chất

 : Độ nhớt của dòng lưu chất
 : Sức căng bề mặt liên diện giữa hai pha dầu – nước

 : Góc dính ướt bề mặt của nước trên đá
K0 : hiệu quả thấm ướt lên chất bị thay thế (lưu chất bị thay thế ở đây là dầu)

 : độ xốp của lớp đá trong vỉa

6


Hình 1.2. Mối liên hệ giữa số mao dẫn Nc và hiệu suất thu hồi dầu [9].
Sau khi bơm ép nước thông thường, giá trị Nc thường ở mức 10-7. Để nâng cao hiệu
suất thu hồi dầu, giá trị Nc phải lớn hơn 10-4. Giá trị Nc có thể thay đổi bằng cách tăng lực
nhớt tức là vận tốc bơm ép hoặc tăng độ nhớt của chất lưu. Tăng vận tốc bơm ép địi hỏi
các thiết bị có kĩ thuật cao nhưng trên thực tế việc làm này kém hiệu quả bởi vì dễ gây ra
lưỡi nước làm ngập giếng. Việc tăng độ nhớt của chất lưu tỏ ra khả quan hơn. Bằng cách
sử dụng các polymer bền nhiệt hoặc sử dụng các tác nhân có khả năng cải thiện độ nhớt
khác. Bên cạnh đó cịn có thể giảm lực mao dẫn bằng cách sử dụng các chất HĐBM. Từ
đồ thị ta có thể thấy rằng muốn tăng hiệu suất thu hồi dầu thì cần làm tăng giá trị của Nc,
và cần phải làm cho Nc lớn hơn một giá trị tới hạn, điều đó đồng nghĩa đến việc hạ SCBM
giữa hai pha dầu – nước càng thấp càng tốt vì Nc sẽ tiến đến giá trị vơ cực. Một số chất
HĐBM có thể giảm sức căng bề mặt dầu nước từ 103 đến 104 lần hoặc/và thay đổi góc tiếp
xúc bằng cách thay đổi tính dính ướt của đá vỉa thơng qua góc dính ướt bề mặt θ với nước
của đá:

7


Hình 1.3. Tính dính ướt lên bề mặt rắn của pha nước và pha dầu.
Trong đó:
cosθ =

σd−đ − σn−đ
σd−n
(1.3)

σd−đ :

SCBM dầu – đá.

σn−đ :

SCBM nước – đá.

σd−n :

SCBM dầu – nước.

Do đó, trong thực tế việc làm giảm sức căng bề mặt giữa dòng lưu chất thay thế và
dòng lưu chất bị thay thế (dầu) là lựa chọn đang được quan tâm và nghiên cứu rộng rãi nhất
hiện nay.
1.3.2. Hiệu suất quét vĩ mô
Bề mặt tiếp nhận nước là ranh giới giữa pha dầu và nước trong vỉa theo chiều ngang
lẫn theo chiều dọc. Do đó hiệu số quét vĩ mơ bị ảnh hưởng bởi tính khơng đồng nhất về
mặt địa chất của vỉa cụ thể hơn là sự phân bố các lỗ rỗng trong khơng gian và tính dính ướt
của đá. Bề mặt tiếp nhận nước càng phẳng thì khả năng đẩy dầu của lưu chất càng tăng
hoặc khi sử dụng dịng lưu chất thay thế có độ nhớt nhỏ hơn độ nhớt của dầu thì HSTHD
sẽ giảm. Hiện tượng này được thể hiện thông qua tỷ số linh động dầu – nước được xác định
là tỷ lệ của tính dính ướt và độ nhớt tương ứng của các dòng lưu chất [9]:

8


M

 k 
 k0 

  
0


(1.4)

Trong đó:
 k:

Độ thấm bề mặt của dòng lưu chất thay thế.

 μ:

Độ nhớt của dòng lưu chất thay thế.

 k0:

Độ thấm bề mặt của dòng lưu chất được thay thế.

 μ0:

Độ nhớt của dòng lưu chất được thay thế.

Tỉ lệ linh động dầu – nước được xem là có tác động khơng chỉ đến với hiệu suất qt
vĩ mơ mà cịn cả với hiệu suất quét vi mô trong TCTHD [8]. Tỉ lệ độ thấm bề mặt giữa
dòng lưu chất thay thế và bị thay thế có thể xem là khơng đổi trong suốt quá trình thu hồi
nên giá trị M được quyết định bởi tỉ lệ độ nhớt giữa hai pha. Tỉ số càng tiệm cận 1 thì bề
mặt tiếp nhận nước càng phẳng và hiệu quả đẩy dầu bởi lưu chất càng cao. Khi giá trị

M  1 được xem là khơng thuận lợi vì dịng lưu chất thay thế có độ nhớt bé hơn dòng lưu

chất bị thay thế, làm giảm động lực đẩy dầu [9]. Độ nhớt của dầu trong vỉa không thay đổi
hoặc thay đổi không đáng kể bởi tác động từ bên ngoài trong khi độ nhớt của lưu chất thay
thế thì có thể thay đổi bằng cách bơm ép polymer vào vỉa. Polymer có tác dụng tăng độ
nhớt tốt và cải thiện bề mặt tiếp nhận nước tốt hơn bởi phân tử có chuỗi mạch dài làm nên
lớp màng ngăn không cho nước trượt mạnh trên bề mặt dầu [10].
1.4.

Hệ chất lỏng nano
Các vật liệu dạng hạt có ít nhất một chiều kích thước dưới 100 nm được gọi là các

hạt nano. Các hạt nano điển hình là kim loại, oxit, cacbua, nitrua hoặc ống nano carbon.
Những hình dạng này có thể là hình cầu, đĩa, thanh, … Hệ chứa các hạt kích thước nano
phân tán ổn định trong dung mơi nước, có cấu trúc tương tự cấu trúc keo hoặc mixen được
gọi là hệ chất lỏng nano. Các hạt nano thay đổi các đặc tính chất lỏng và sự phân tán chúng

9


có thể tạo ra nhiều tính chất ưu việt trong hệ [7]. Hạt nano có thể tác động đến các hợp
phần lắng đọng, ảnh hướng tới các tính chất nhiệt, điện, cơ, quang, lưu biến và/hoặc tính
chất từ… của vật liệu gốc và gia tăng hiệu quả của nó.
1.4.1. Những nghiên cứu về vật liệu nano và hệ chất lỏng nano trong những năm gần
đây
Từ lâu, vật liệu nano và hệ chất lỏng nano với những đặc tính ưu việt đã được nghiên
cứu và sử dụng rộng rãi ở rất nhiều lĩnh vực như: Y sinh [11, 12]; Nhiên liệu đốt [13]; Dầu
khí [5, 14]; Diệt trùng, diệt khuẩn [15]; Xử lí mơi trường [16]; Làm chất lỏng truyền nhiệt
hệ thống làm mát của một số ngành công nghiệp ô tơ [17], điện tử [18] và cịn một số ngành
khác.
Ngày nay, chất lỏng nano vẫn đang phát triển vô cùng mạnh mẽ với những nghiên
cứu về ứng dụng cực kì thiết thực trong những năm gần đây, đặc biệt là lĩnh vực y sinh nói

chung và nghiên cứu ra các hướng mới để điều trị bệnh ung thư nói riêng, bên cạnh đó thì
vấn đề về tăng cường thu hồi dầu trong lĩnh vực dầu khí ln là vấn đề được quan tâm hàng
đầu.
 Trong lĩnh vực Y sinh
Tại Việt Nam phải đến một số kết quả về chế tạo và ứng dụng thanh nano vàng của
nhóm GS.TS Nguyễn Hồng Lương trong hiện ảnh tế bào ung thư vú [11], nhóm đã thành
cơng trong việc kết hợp trastuzumab (một loại kháng thể trong điều trị ung thư vú) với các
hạt nano vàng để phát hiện cụ thể các tế bào ung thư vú HER2 biểu hiện quá mức, đây là
dòng tế bào KPL4 và nhóm đã tìm ra trastuzumab-EDC*GNPs có sự ổn định trong thời
gian dài và liên kết mạnh mẽ với tế bào ung thư vú KPL4.
Trên thế giới, vật liệu nano cũng đang được ứng dụng trong Y sinh rất rộng rãi và
thành cơng. Có thể kể đến “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano từ bọc vàng dạng core – shell
kết hợp với acid folic ứng dụng trong liệu pháp nhắm đích” trong điều trị ung thư [12]. Với

10