Đặt vấn đề Năng lượng là một trong những thành tố quyết định sự phát triển kinh tế, đời sống của xã hội loài người. Việc đáp ứng nhu cầu về năng lượng luôn là mối quan tâm hàng đầu trong sự nghiệp phát triển kinh tế hiện nay. Cho đến nay, cho dù nhiều dạng năng lượng tái tạo, năng lượng thay thế được đầu tư phát triển mạnh mẽ nhưng phần lớn năng lượng sử dụng hiện nay và trong nhiều thập kỷ tới vẫn là năng lượng hóa thạch : dầu khí và than đá. Bên cạnh đó, dầu khí là nguồn năng lượng vô cùng quan trọng cho công nghiệp hóa học.
Do đó, khai thác dầu hiệu quả và bền vững luôn là nhiệm vụ tiên quyết của công nghiệp dầu khí. Tuy nhiên thời kỳ khám phá ra các mỏ dầu lớn, giá rẻ đã qua và phần lớn các mỏ dầu lớn trên thế giới, đặc biệt là ở Việt Nam đã qua giai đoạn khai thác đỉnh cao và sản lượng đã sụt giảm. Với các kỹ thuật khai thác dầu khí hiện nay, sau khi trải qua giai đoạn khai thác sơ cấp và thứ cấp trong mỏ vẫn còn lại 70-75% lượng dầu tại chỗ bị bẫy lại trong vỉa [1]. Do đó, tăng cường thu hồi dầu từ các mỏ dầu “già” luôn là mối quan tâm của các chuyên gia 2 và những nhà điều hành khai thác mỏ.
Người ta ước tính rằng chỉ cần khai thác thêm được 10% lượng dầu lưu này cũng đủ đáp ứng nhu cầu năng lượng cho cả thế giới trong 50 năm. Tăng cường thu hồi dầu (TCTHD) là một quá trình bơm một tác nhân chưa có trong vỉa trước đó vào vỉa nhằm cải thiện một hoặc một vài tính chất của các chất lưu, đá vỉa để cải thiện hệ số quét hoặc hệ số đẩy hoặc cả hai. Từ đó, dầu khai thác được nhiều hơn hoặc lâu hơn. Các công nghệ tăng cường thu hồi dầu đang được sử dụng hiện nay mới chỉ có thể giúp khai thác thêm được 1-3% lượng dầu tại chỗ[1,2].
Rất nhiều thách thức cho quá trình TCTHD trong vỉa như nhiệt độ cao, độ muối cao, quá trình hấp thụ và giải hấp thụ trên bề mặt đá vỉa, bề mặt dính ướt dầu của đá vỉa …Tất cả những yếu tố này làm giảm cấp về mặt hóa học, giảm độ bền nhiệt của các tác nhân được bơm ép cũng như gây thất thoát do hấp thụ, dẫn đến hiệu quả TTHD không cao. Công nghệ và vật liệu nano đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: vật liệu, y sinh, công nghệ vũ trụ…và đã giúp mang lại nhiều tỷ đôla lợi nhuận. Vì vậy các nhà khoa học và các tập đoàn khai thác dầu khí hy vọng với các đặc tính siêu việt của vật liệu nano, ứng dụng công nghệ và vật liệu nano trong thăm dò và khai thác dầu khí, đặc biệt là trong TCTHD sẽ giúp tiệm cận khả năng khai thác được thêm 10% lượng dầu tại chỗ như đã nói trên. Sau thời gian bơm ép nước, lượng dầu dưới vỉa bị giảm dẫn đến việc dùng áp lực nước để đẩy dầu lên không còn 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 [2]. 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). Hình 1 thể hiện các phương pháp tăng cường thu hồi dầu được thực hiện trên thế giới hiện nay: 3 Tăng độ nhớt của nước Dùng Polymer Tăng cường hiệu suất quét Bơm ép hơi nước Giảm độ nhớt của dầu Đốt tại chỗ TCTHD Bơm ép CO2 Sử dụng chất lưu đẩy có khả năng trộn lẫn Đốt tại chỗ Tăng cường hiệu Giảm sức căng bề mặt Dùng các chất suất đẩy của các chất lưu HĐBM Thay đổi tính dính ước Dùng các chất của đá vỉa kiềm Hình 1. Nguyên lý chung các phương pháp TCTHD 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. Tuy nhiên, nghiên cứu sâu vào thì thấy các chất bơm ép đã bị bẫy 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 không 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 4 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) không phù hợp. Nhược điểm của phương pháp này là phụ thuộc nhiều vào áp suất, nhiệt độ của bể dầu và thành phần dầu thô. Bơm nhiệt bao gồm bơm hơi tuần hoàn, hơi nước và đốt cháy.
Phương pháp này làm nóng dầu thô trong quá trình hình thành để giảm SCBM và tăng tính thấm của dầu. Chi phí cao nhưng lại không 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 thoát 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 của khối đá ngăn các túi dầu/khí và thất thoát lưu chất bơm khi chảy qua các mỏ chứa là hạn chế của phương pháp này [6]. Các hạt nano phân tán ổn định với cấu trúc tương tự cấu trúc keo hoặc micel trong môi trường lỏng (nước) được gọi là chất lỏng nano.
So với các hệ phân tán khác, hệ phân tán các hạt nano có những ưu điểm như tác động đến các hợp phần lắng đọng, các tính chất nhiệt, quang học, cơ học, điện, lưu biến, hoặc tính từ… của một loại vật liệu gốc và tăng cường hiệu quả của nó [8]. Đó là những ưu điểm vượt trội của hệ phân tán nano so với các hệ phân tán thông thường. Tương tự như các chất HĐBM, các hạt nano có xu hướng tác động lên bề mặt liên diện lỏng – lỏng hoặc lỏng – khí, sắp xếp chặt tại đó, làm giảm sức căng bề mặt, do đó làm giảm sức căng bề mặt liên diện giữa các giọt với pha không hòa tan và đồng thời ngăn cản không cho chúng kết hợp lại với nhau hay nói một cách khác là làm bền nhũ. 5 Ngoài ra, qua nhiều nghiên cứu được thực hiện bởi Wasan và Nikolov như vừa nêu trên, nhóm nghiên cứu của Mc.
Elfresh [13], ngày nay cơ chế tác động chính của các hạt nano đến quá trình tăng cường thu hồi dầu được cho là liên quan đến khả năng lan rộng của của chất lỏng dọc theo bề mặt đá để có thể thay đổi tính dính ướt bề mặt. Có những điểm vượt trội hơn với các loại hạt nano khác như khi phối trộn chất lỏng nano từ tính với dòng lưu chất bơm thì có thể kiểm soát hướng dịch chuyển khi áp đặt từ trường ngoài, kiểm soát sự di chuyển của dòng lưu chất bên trong vỉa [27], nhóm nghiên cứu của giáo sư Chun Huhp thiết kế hệ thông mô phỏng phòng thí nghiệm đánh giá được độ bão hòa dầu dư [28]. Với đặc điểm mang tính kinh tế là dễ dàng thu hồi và tái sử dụng, hệ chất lỏng nano từ tính trở thành đề tài “hot” trong lĩnh vực nghiên cứu của ngành dầu khí. Tóm lại, mục tiêu chính của nghiên cứu này bao gồm: (1) Tổng hợp vật liệu nano oxit sắt từ (MNPs) bằng phương pháp đồng kết tủa; (2) Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình tổng hợp vật liệu nano như nhiệt độ, thời gian phản ứng; (3)Bảo vệ và ổn định hạt nano từ tính bằng cách bọc với polymer/chất hoạt động bề mặt; (4) Khảo sát độ bền nhiệt của hạt nano oxit sắt từ đã polymer hóa (magnetic nano composite- MNC) trong điều kiện vỉa;Đánh giá khả năng tăng cường thu hồi dầu của các hạt MNC.