CN106103889A - 用于增强烃采收的纳米表面活性剂，以及形成和使用所述纳米表面活性剂的方法 - Google Patents
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Abstract
包含两亲纳米颗粒和至少一种载液的悬浮液。两亲纳米颗粒包含至少亲水部分和疏水部分。亲水部分包含至少一个亲水官能团并且疏水部分包含至少一个疏水官能团。公开了形成驱替悬浮液的方法和使用驱替悬浮液除去烃物质的方法。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年1月31日提交的美国申请No.14/169432的权益，所述申请以引用的方式全部并入本文。
技术领域
本公开的实施方案一般涉及形成稳定化的乳液并且从地下地层提取烃物质的方法和体系。
背景技术
水驱是增强从地下地层提取烃物质(例如原油、天然气等)的常规过程。在该过程中，通过注入井将含水流体(例如水、盐水等)注入地下地层从而驱扫包含在地下地层的间隙空间(例如孔、裂纹、裂缝、通道等)内的烃物质偏离注入井朝向开采井移动。可以在含水流体中加入一种或多种添加剂从而辅助烃物质的提取和之后的加工。
例如，在一些途径中，在含水流体中加入表面活性剂、固体颗粒(例如胶体)或两者。表面活性剂和/或固体颗粒可以附着或聚集在烃物质和含水物质之间的界面处从而形成烃物质和含水物质的一者分散在烃物质和含水物质的另一者中的稳定化的乳液。例如在烃相分散在水相内的乳液中，表面活性剂可以降低烃相和水相之间的表面张力。通过表面活性剂、固体颗粒或两者的稳定降低烃和水之间的界面张力并且降低体系能量，避免分散物质(例如烃物质或含水物质)聚结，并且维持一种物质以单元(例如液滴)的形式分散在整个另一种物质中。降低表面张力增加烃物质的渗透性和流动性。因此，相比于不加入表面活性剂和/或固体颗粒的水驱过程，烃物质可以更容易地输送通过地下地层并且从地下地层中提取。乳液的有效性大部分由乳液保持稳定和保证两个相混合的能力决定。
然而，表面活性剂的应用通常受到化学试剂的成本及其在含烃地层的岩石上的吸附和损失的限制。不利地，在存在溶解盐(例如地下地层内通常存在的各种盐)的情况下，各种表面活性剂的有效性可能不利地降低。此外，表面活性剂可能具有附着至地下地层的表面的趋势，需要在注入的含水流体中加入更多的表面活性剂来补偿该损失，这在经济上是不合意的。在之后的加工过程中可能难以从稳定化的乳液中除去固体颗粒，阻止烃物质及其含水物质聚结成不同的不可混溶的组分，并且大大阻碍了烃物质的分别收集。此外，表面活性剂通常仅在特定温度范围内发挥功能或稳定并且在地下地层内出现的升高的温度或各种条件下可能损失功能。
发明内容
本文公开的实施方案包括从地下地层或从沥青砂中获得烃物质的方法，以及相关的稳定化的乳液。例如，根据一个实施方案，获得烃物质的方法包括组合包含亲水基团和疏水基团的两亲纳米颗粒与载液从而形成悬浮液。所述方法包括使地下地层和包含沥青砂和水的浆料的至少一者与悬浮液接触从而形成通过两亲纳米颗粒稳定的乳液，并且从通过两亲纳米颗粒稳定的乳液中除去烃。
在另外的实施方案中，形成悬浮液的方法包括水解包含正硅酸酯、氧基硅烷、氨基硅烷、硅醇、环氧硅烷和金属醇盐的至少一者的亲水化合物从而形成暴露的羟基，并且水解包含包括非极性烃基的氧基硅烷的疏水化合物。所述方法包括使亲水化合物的暴露的羟基与疏水化合物的羟基反应从而形成两亲纳米颗粒，并且混合两亲纳米颗粒与至少一种载液。
在其它实施方案中，悬浮液包含多个两亲纳米颗粒。两亲纳米颗粒包含：包含二氧化硅、金属和金属氧化物的至少一者的基体物质，从基体物质的表面延伸的多个亲水官能团，和从基体物质的相反表面延伸的多个疏水官能团。悬浮液包含至少一种载液。
附图说明
虽然说明书以权利要求结束，权利要求特别指出并且明显要求保护被视为本发明的实施方案的那些，当结合附图阅读时，可以从本公开的某些实施方案的如下描述容易地确定本公开的实施方案的优点，其中：
图1A至图1C为根据本公开的实施方案的两亲纳米颗粒的简化示意图；
图2为显示根据本公开的实施方案的从地下地层中提取烃的方法的简化流程图；并且
图3为显示根据本公开的实施方案的从沥青砂中采收烃的方法的简化流程图。
具体实施方式
本文显示的图不代表任何特定物质、组分或体系的真实视图，而仅是用于描述本公开的实施方案的理想图示。
如下描述提供特定细节，例如物质类型、组成和加工条件，从而提供本公开的实施方案的深入描述。然而，本领域技术人员理解可以实践本公开的实施方案而不使用这些特定细节。实际上，可以结合工业中使用的常规技术实践本公开的实施方案。下文仅详细描述理解本公开的实施方案必需的那些过程行为和结构。从地下地层或从沥青砂(例如油砂、焦油砂等)中提取烃物质的其它行为或物质可以通过常规技术实施。
描述形成具有双重功能的两亲纳米颗粒的方法。本文使用的术语“纳米颗粒”意指和包括平均颗粒宽度或直径小于约1,000nm的颗粒。本文使用的“两亲纳米颗粒”意指和包括表现亲水性质和疏水性质的纳米颗粒(例如与Janus纳米颗粒相似)。例如，两亲纳米颗粒可以包含亲水官能团和疏水官能团。相比于用于稳定乳液的传统颗粒表面活性剂，包含所述两亲纳米颗粒的表面活性剂可以具有更大的表面积并且可以在更高的温度和盐浓度下稳定。此外，两亲纳米颗粒上的官能团可以被配制成与不同地下环境的各种介质相互作用。
两亲纳米颗粒可以聚集在、附着至和/或吸附至地下地层内的矿物质，可以吸附至烃物质和含水物质的界面或两者。两亲纳米颗粒可以形成包含烃物质和含水物质之一的单元的稳定化的乳液(例如Pickering乳液)。本文使用的术语“乳液”表示一种不可混溶流体的液滴分散在另一种流体中的悬浮液。乳液可以降低连续相和分散相之间的界面张力。降低例如分散油相和连续水相之间的界面张力可以增加烃(例如油)的移动性和从地下地层或从包含烃的沥青砂的浆料中的采收。
两亲纳米颗粒可以被配制成保持在极性相和非极性相之间、亲水相和疏水相之间和/或烃相和水相之间的界面处。两亲纳米颗粒可以稳定烃相在水相内的乳液或水相在烃相内的乳液。稳定乳液可以避免在形成乳液界面时乳液聚结。两亲纳米颗粒的一侧(例如亲水侧)可以被配制成吸引至水相而两亲纳米颗粒的另一侧(例如疏水侧)可以被配制成吸引至烃相。
通过本文描述的方法形成的两亲纳米颗粒可以具有比常规表面活性剂更大的表面积。两亲纳米颗粒的官能化表面可以被配制成与烃相和水相之间的界面相互作用或与地下地层内的矿物质相互作用，因此形成连续的水相或烃相和烃相和水相的另一者的分散相的稳定的乳液。可以通过控制两亲纳米颗粒在水相内的溶解度、控制乳液和/或水相的pH和控制两亲纳米颗粒的表面电荷的一者或多者从而控制乳液的稳定性。
参考图1A，显示了两亲纳米颗粒100。两亲纳米颗粒100可以包含基体部分。两亲纳米颗粒100可以包含亲水部分102和疏水部分104。基体部分的表面可以用官能团改性从而为两亲纳米颗粒100的表面赋予希望的物理和化学性质。例如，亲水部分102可以包含基体部分的表面上的至少一个亲水官能团，并且疏水部分104可以包含基体部分的表面上的至少一个疏水官能团。
基体部分可以包含可以用官能团化学改性从而形成亲水部分102和疏水部分104的任何物质。在一些实施方案中，基体部分包含二氧化硅基体。在其它实施方案中，基体部分包含金属或金属氧化物。例如，基体部分可以包含金属例如铁、钛、锗、锡、铅、锆、钌、镍、钴、其氧化物及其组合。因此，基体部分可以包含二氧化硅，金属例如铁、钛、锗、锡、铅、锆、钌、镍、钴之一，及其组合。
两亲纳米颗粒100可以由多个亲水前体和多个疏水前体形成。本文使用的术语“亲水前体”包括具有硅、铁、钛、锗、锡、铅、锆、钌、镍和钴的至少一个原子和至少一个亲水官能团的物质。本文使用的术语“疏水前体”包括具有硅、铁、钛、锗、锡、铅、锆、钌、镍和钴的至少一个原子和至少一个疏水官能团的物质。在一些实施方案中，多个亲水前体可以反应从而形成纳米颗粒，所述纳米颗粒包括二氧化硅、金属和金属氧化物的至少一者的基体，具有连接至其表面的一个或多个亲水官能团。亲水部分102的亲水官能团可以由亲水前体的亲水官能团形成。
基体的表面可以化学改性从而形成两亲纳米颗粒100，所述两亲纳米颗粒100除了亲水部分102之外还包含疏水部分104。疏水部分104可以由连接至基体表面的疏水基团形成。疏水基团可以包括非极性基团，例如烷基链。亲水部分102可以溶解于水相，而疏水部分104可以溶解于有机相。
两亲纳米颗粒100可以以各种形状形成。可以通过在结构导向剂的存在下生长两亲纳米颗粒从而控制两亲纳米颗粒100的形状。结构导向剂的非限制性示例包括聚合物，例如聚吡咯(例如聚乙烯吡咯烷酮(PVP))、氧化聚吡咯、二苯酯和溴化十六烷基三甲铵(CTAB)。继续参考图1A，两亲纳米颗粒100可以包含具有实心亲水部分102和空心管状疏水部分104的管状基体。参考图1B，两亲纳米颗粒100可以通常为具有一侧上的亲水部分102和相反侧上的疏水部分104的圆球形状。参考图1C，两亲纳米颗粒100可以具有薄片形状。薄片的一侧可以为亲水部分102并且薄片的另一侧可以为疏水部分104。
在一些实施方案中，两亲纳米颗粒100的亲水部分102在形成疏水部分104之前形成。在一些实施方案中，亲水部分102通过水解亲水前体形成。亲水前体可以包括通式为RnSiX(4-n)的有机硅烷，其中X为可水解基团例如烷氧基、酰氧基、胺基或卤素基团，并且Rn包括亲水官能团。本文使用的术语“可水解基团”意指和包括可以通过水解(即通过与水反应使化学键断裂)至少部分解聚成更低分子量单元的基团。可水解基团可以与含水物质(例如水)反应。
亲水前体除了可水解基团之外还可以包含一个或多个亲水官能团例如羟基(–OH-)、羧基(–COOH-)、羰基(–C＝O)、氨基(–NH3 +、-NH2)、硫醇基(–SH)、磷酸根(–PO4 3-)，或其它亲水或极性官能团。
亲水前体可以包括氧基硅烷、正硅酸酯、氨基硅烷、硅醇、环氧硅烷、金属氧化物、氢氧化物、金属氢氧化物或其组合。本文使用的术语“氧基硅烷”意指和包括含有结合至至少一个氧原子的硅原子的物质(例如–Si–OR，其中R为烃物质)。本文使用的术语“正硅酸酯”意指和包括含有结合至四个氧原子的硅原子的物质(例如Si(OR)4，其中R为烃物质)。
亲水前体可以包括正硅酸酯，例如正硅酸四甲酯、正硅酸四乙酯(TEOS)、正硅酸四丙酯、三甲基甲氧基硅烷、三乙基乙氧基硅烷或三丙基丙氧基硅烷。三甲基甲氧基硅烷、三乙基乙氧基硅烷或三丙基丙氧基硅烷的水解可以分别形成硅醇例如三甲基硅醇、三乙基硅醇或三丙基硅醇。在其它实施方案中，亲水前体包括乙氧基硅烷，例如三甲氧基硅烷、三乙氧基硅烷或三丁基(乙氧基)硅烷。
在其它实施方案中，亲水前体包括金属氢氧化物和金属盐。例如，亲水前体可以包括金属氢氧化物例如氢氧化铁、氢氧化钛(例如TiO(OH)2、Ti(OH)4)、氢氧化锗、氢氧化锡、氢氧化铅、氢氧化锆、氢氧化钌、氢氧化镍和氢氧化钴。在一些实施方案中，亲水前体包括金属盐例如铁、钛、锗、锡、铅、锆、钌、镍和钴的至少一者的盐。在一些实施方案中，包括金属氢氧化物的亲水前体可以与纳米颗粒的基体表面上的暴露的羟基反应。
在其它实施方案中，亲水前体包括金属氧化物。例如，亲水前体可以包括氧化铁(Fe2O3、Fe3O4)、二氧化钛、氧化锗(GeO、GeO2)、氧化锡(SnO、SnO2)、氧化铅(PbO、PbO2、Pb3O4)、氧化锆、氧化钌(RuO2、RuO4)、氧化镍(NiO、Ni2O3)和氧化钴(CoO、Co2O3、Co3O4)。在其它实施方案中，亲水前体可以包括金属醇盐。例如，亲水前体可以包括乙醇铁、异丙醇钛、乙醇钛、乙醇锗、乙醇锡、乙醇铅、乙醇锆和甲醇镍(II)。
在其它实施方案中，亲水前体可以包括具有至少一个氨基的氨基硅烷。除了至少两个氧基硅烷基团之外可以具有至少一个氨基。合适的氨基硅烷的非限制性示例包括(3-氨基丙基)-二乙氧基-甲基硅烷(APDEMS)、(3-氨基丙基)-三甲氧基硅烷(APTMS)、(3-氨基丙基)-甲基二乙氧基硅烷、(3-氨基丙基)-三乙氧基硅烷(APTES)、3-氨基丙基三乙氧基硅烷、双(3-三乙氧基甲硅烷基丙基)胺，和双(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)胺。氨基氧基硅烷的水解可以形成包含氨基的羟基封端的亲水部分102。在一些实施方案中，氨基硅烷可以例如与碳酸亚乙酯反应从而形成包含暴露的羟基的亲水部分102。
在其它实施方案中，亲水前体可以包括环氧硅烷。环氧硅烷的非限制性示例包括3-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷、3-环氧丙氧基丙基甲基二乙氧基硅烷，和3-缩水甘油基氧基丙基三乙氧基硅烷。环氧硅烷可以水解从而形成亲水部分102上的暴露的羟基。
两亲纳米颗粒100的亲水部分102的合成可以在极性溶剂中进行。亲水部分102可以溶于溶剂。溶剂可以包括醇例如甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、其它醇、丙酮或其组合。亲水前体可以溶于溶剂。
可以在反应溶液中加入其它试剂。例如，可以在反应溶液中混入结构导向剂，例如聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。可以通过加入各种酸或碱改变反应溶液的pH。例如，可以通过在溶液中加入碳酸氢钠、氢氧化钠或其它碱增加溶液的pH。可以通过在溶液中加入酸例如盐酸、乙酸或其它酸降低溶液的pH。
亲水部分102的合成可以在室温下进行。在一些实施方案中，可以加热反应溶液从而增加形成两亲纳米颗粒100的亲水部分102的反应速度。在其它实施方案中，可以通过微波辐射增加反应速度。可以进行反应约一分钟至数小时。在一些实施方案中，可以通过增加形成亲水部分102的合成时间增加亲水部分102的尺寸。在通过水解形成亲水部分102的实施方案中，反应可以在亲水部分102上留下一个或多个暴露的羟基。亲水部分102可以包含一个或多个额外的官能团，例如额外的羟基、羧基、羰基、氨基、硫醇基和磷酸根。
亲水前体可以水解从而形成多个具有暴露羟基的亲水前体。亲水前体的暴露羟基可以在缩合反应中彼此反应，形成包含基体物质和基体物质表面上的亲水官能团的亲水部分102。暴露的官能团可以是与亲水前体的官能团相同的官能团。亲水部分102的表面可以具有下文显示的一般结构，其中Rn包含亲水基团，并且M为硅、铁、钛、锗、锡、铅、锆、钌、镍和钴的至少一者。在M为金属(例如铁、钛、锗、锡、铅、锆、钌、镍和钴)的实施方案中，相邻的金属原子可以彼此直接结合而无需介于其间的氧原子。
可以在包含亲水部分102的反应溶液中加入疏水前体。可以在反应混合物中加入有机溶剂(疏水前体溶于所述有机溶剂)。在一些实施方案中，有机溶剂为非极性溶剂。疏水前体的疏水官能团可以溶于有机相而基体物质表面上的亲水官能团可溶于水相。
可以通过使亲水部分102的至少一些暴露的羟基与一种或多种疏水前体反应从而形成两亲纳米颗粒100。疏水前体可以包含一个或多个暴露的羟基。在一些实施方案中，疏水前体水解从而在疏水前体上产生暴露的羟基。
在一些实施方案中，疏水部分104从亲水部分102的一端生长。不希望受限于任何理论，相信由于亲水部分102在非极性溶剂中的不溶性，仅一部分亲水部分102接触非极性溶剂(疏水前体溶于所述非极性溶剂)。接触疏水前体(例如在亲水部分102的非极性溶剂和极性溶剂的界面处)的一部分亲水部分102的羟基可以与疏水前体反应从而形成两亲纳米颗粒100的疏水部分104。疏水部分104的暴露表面可以具有下文显示的一般结构，其中Rm包含疏水官能团，并且M为硅、铁、钛、锗、锡、铅、锆、钌、镍和钴的至少一者。在M为金属(例如铁、钛、锗、锡、铅、锆、钌、镍和钴)的实施方案中，相邻的金属原子可以彼此直接结合而无需介于其间的氧原子。
两亲纳米颗粒100可以包含来自疏水前体的一个或多个暴露的疏水非极性有机基团，和来自亲水前体的一个或多个官能团(例如羟基、羧基、羰基、氨基、硫醇基、磷酸根、金属、金属氧化物)。
疏水前体可以包括含有非极性有机组分的氧基硅烷。疏水前体可以包含至少一个中心原子(例如硅、铁、钛、锗、锡、铅、锆、钌、镍和钴)，结合至中心原子的一个或多个烃基，和结合至中心原子的一个或多个烷氧基。在其它实施方案中，疏水前体包含结合至异氰酸酯官能团(–N＝C＝O)的烃基，例如异氰酸十八烷酯。在一些实施方案中，烃基为烷基例如甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、己基、辛基、十二烷基和/或十八烷基，烷芳基例如经由芳基部分连接的苄基基团(例如4-甲基苯基、4-羟基甲基苯基或4-(2-羟基乙基)苯基，和/或例如在苯基甲基和4-羟基苯基甲基中连接在苄基(烷基)位和/或例如在苯乙基和4-羟基苯乙基中连接在2位的芳烷基)；内酯基、咪唑基和吡啶基。在一些实施方案中，烷氧基为甲氧基、乙氧基、丙氧基或丁氧基。疏水前体可以包括烷氧基硅烷，例如三烷氧基硅烷，包括三甲氧基硅烷、异丁基三乙氧基硅烷、异丁基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、十六烷基三甲氧基硅烷(HDTMOS)、甲基三甲氧基硅烷、乙基三甲氧基硅烷、辛基三甲氧基硅烷、辛基三乙氧基硅烷或其它氧基硅烷。
可以通过改变疏水前体的官能团的数目和官能团的尺寸从而控制疏水部分104的疏水性。在一些实施方案中，通过增加疏水前体的官能团的碳含量从而增加疏水部分104的疏水性。例如，乙基三甲氧基硅烷可以比甲基三甲氧基硅烷更疏水。相似地，十六烷基三甲氧基硅烷可以比乙基三甲氧基硅烷更疏水。还可以通过相对于反应混合物中的亲水官能团的浓度增加疏水官能团的浓度或者通过相对于形成疏水部分104的反应时间减少形成亲水部分102的反应时间从而增加两亲纳米颗粒100的疏水性。
可以通过离心、超滤或其组合从反应溶液中除去两亲纳米颗粒100。在一些实施方案中，通过使溶液流动通过膜过滤器从而回收两亲纳米颗粒100。过滤器可以具有在约10nm和约1,000nm之间，例如约10nm和约100nm之间，约100nm和约200nm之间，约200nm和约400nm之间或约400nm和约1,000nm之间的孔径。在一些实施方案中，溶液流动通过孔径在约200nm和约400nm之间的过滤器。所得固体残余物可以干燥和收集。固体残余物可能包含具有亲水部分102和疏水部分104的两亲纳米颗粒100。疏水部分104可以与亲水部分102相对，使得两亲纳米颗粒100的一部分吸引至和溶解在烃相中而两亲纳米颗粒100的另一部分吸引至和溶解在水相中。
两亲纳米颗粒100可以具有在约10nm和约1,000nm之间的尺寸分布。在一些实施方案中，尺寸分布可以对应于过滤器的尺寸，溶液通过所述过滤器从而从反应溶液中分离纳米颗粒。两亲纳米颗粒100可以是单分散的，其中每个两亲纳米颗粒100具有基本上相同的尺寸、形状和物质组成，或者可以是多分散的，其中两亲纳米颗粒100包括一定范围的尺寸、形状和/或物质组成。在一些实施方案中，每个两亲纳米颗粒100具有与每个其它两亲纳米颗粒100基本上相同的尺寸和相同的形状。
相比于典型的表面活性剂，两亲纳米颗粒100可以在更高的温度下稳定化的乳液。例如，典型的表面活性剂在超过约250℃的温度下可能降解或以其它方式损失功能。然而，本文描述的两亲纳米颗粒100在地下地层内可能出现的高温下稳定。例如，两亲纳米颗粒100可以在至多约500℃的温度下稳定。在一些实施方案中，两亲纳米颗粒100暴露于在约250℃和约500℃之间，例如约300℃和约400℃之间，或约400℃和约500℃之间的温度并且可以保持稳定。
相比于典型的表面活性剂，两亲纳米颗粒100可以在更高的盐度浓度下保持有效地稳定乳液。由于两亲纳米颗粒100上官能团的存在，两亲纳米颗粒100可以被盐水溶液的盐排斥，而非官能化颗粒可能倾向于与盐附聚或凝胶。
两亲纳米颗粒100可以在宽pH范围内稳定。例如，两亲纳米颗粒100可以被配制成在约3.0和约12.0之间的pH下稳定。在一些实施方案中，通过由阴离子官能团(例如羟基、羧酸根、羧基、硫酸根、磷酸根或其它阴离子基团)形成两亲纳米颗粒100，两亲纳米颗粒100被配制成在高达约12.0的pH下稳定。在其它实施方案中，通过包含阳离子基团(例如胺基)末端，两亲纳米颗粒100被配制成在低达约3.0的pH下稳定。
两亲纳米颗粒100可以在需要稳定的乳液的任何应用中稳定乳液。例如，两亲纳米颗粒100可以用于水驱应用或浮选槽应用。两亲纳米颗粒100可以通过其本身稳定化的乳液，或者两亲纳米颗粒100可以与一种或多种表面活性剂使用。
参考图2，显示了根据本公开的实施方案的获得地下地层内包含的烃物质的方法的简化流程图。所述方法可以包括悬浮液形成过程200；驱替过程202；提取过程204；和乳液去稳定过程206，所述悬浮液形成过程200包括形成包含多个两亲纳米颗粒的驱替悬浮液，所述驱替过程202包括将驱替悬浮液引入地下地层从而使烃物质与地下地层的表面脱离并且形成烃物质和含水物质的稳定化的乳液，所述提取过程204包括从地下地层流动(例如驱动、驱扫、强迫流动等)稳定化的乳液，所述乳液去稳定过程206包括使乳液去稳定(例如反乳化、沉淀等)形成不同的不可混溶的相。
悬浮液形成过程200可以包括形成包含两亲纳米颗粒和至少一种载液的悬浮液。至少一种载液可以例如包括水或盐水溶液。本文使用的术语“悬浮液”意指和包括包含至少一种载液并且载液中基本上均匀地分散两亲纳米颗粒的物质。悬浮液可以是例如在强化油采收过程中用在地下地层的水驱中的驱替悬浮液。驱替悬浮液的两亲纳米颗粒可以与驱替悬浮液的其它组分(例如物质、成分等)相容。本文使用的术语“相容”意指物质不影响两亲纳米颗粒的功能或不造成两亲纳米颗粒作为表面活性剂和乳液稳定剂而损失功能。
驱替悬浮液可以被配制成包含在约50ppm至约50,000ppm之间的两亲纳米颗粒浓度。例如，在一些实施方案中，驱替悬浮液可以具有在约50ppm和约500ppm之间，约500ppm和约1,000ppm之间，约1,000ppm和约5,000ppm之间，或高于5,000ppm的两亲纳米颗粒浓度。在一些实施方案中，驱替悬浮液可以具有在约50ppm至约5,000ppm之间的浓度。相比于驱替悬浮液，乳液可以具有相同、更高或更低的两亲纳米颗粒浓度。
继续参考图2，驱替过程202可以包括在地下地层中引入包含两亲纳米颗粒的驱替悬浮液从而使烃物质与地下地层的表面脱离并且形成烃物质和含水物质的稳定化的乳液。可以通过常规方法在地下地层中引入驱替悬浮液。例如，驱替悬浮液的加压流可以被泵入延伸至地下地层中的希望深度的注入井，并且可以渗入(例如渗透、扩散等)地下地层的间隙空间。驱替悬浮液渗入地下地层的间隙空间的程度至少部分地取决于驱替悬浮液的性质(例如密度、粘度、物质组成等)和地下地层的间隙空间内包含的烃物质的性质(例如分子量、密度、粘度等)。
可以改变驱替悬浮液的pH从而控制两亲纳米颗粒在驱替悬浮液中的溶解度。例如，当两亲纳米颗粒包含阳离子官能团(例如氨基)时，降低驱替悬浮液的pH可以增加两亲纳米颗粒在水性驱替悬浮液中的溶解度。当两亲纳米颗粒包含阴离子官能团(例如羟基、羧基、羰基、磷酸根、硫醇基等)时，增加驱替悬浮液的pH可以增加两亲纳米颗粒在驱替悬浮液中的溶解度。改变驱替悬浮液的pH可以改变两亲纳米颗粒的表面电荷。例如，增加包含阴离子两亲纳米颗粒的驱替悬浮液的pH可以增加驱替悬浮液中的阴离子两亲纳米颗粒的净电荷。降低包含阳离子两亲纳米颗粒的驱替悬浮液的pH可以增加阳离子两亲纳米颗粒的净电荷。
在将驱替悬浮液引入地下地层之后，可以改变驱替悬浮液的pH从而降低两亲纳米颗粒在驱替悬浮液的水相中的溶解度。例如，当两亲纳米颗粒包含阳离子官能团时，可以降低驱替悬浮液的pH从而造成两亲纳米颗粒移动至水相和烃相之间的界面。在一些实施方案中，可以将pH降低至低于约7.0，例如低于5.0，低于4.0，或低于3.0。当两亲纳米颗粒包含阴离子官能团时，可以增加驱替悬浮液的pH从而造成两亲纳米颗粒移动至水相和烃相之间的界面。在一些实施方案中，可以将pH增加至高于7.0，例如高于8.0，高于9.0，高于10.0，并且至多12.0。
两亲纳米颗粒被结构化和配制以促进烃物质和含水物质的稳定化的乳液的形成。例如，两亲纳米颗粒可以被结构化和配制以聚集(例如附聚)在、附着至和/或吸附至烃物质和含水物质的界面从而形成Pickering乳液，所述乳液包含烃物质和含水物质的一者分散在烃物质和含水物质的另一者中的单元(例如液滴)。两亲纳米颗粒可以避免分散物质(例如烃物质或含水物质)聚结，并且因此可以使分散物质以单元的形式保持在整个另一种物质中。
提取过程204可以包括使稳定化的乳液从地下地层中流动(例如驱动、驱扫、强迫流动等)至表面。两亲纳米颗粒避免分散物质聚结并且允许从地下地层中基本上除去烃。
一旦从地下地层中除去烃，可以在乳液去稳定过程206中使至少一部分乳液去稳定从而形成包括水相和烃相的不同的不可混溶的相。可以更改(例如改变、变化)稳定化的乳液或水相的一个或多个性质(例如温度、pH、物质组成、压力等)从而至少部分地使乳液去稳定。例如，可以更改水相的pH从而增加两亲纳米颗粒在水相中的溶解度，因此使乳液去稳定并且形成不同的不可混溶的相。
在一些实施方案中，可以改变乳液或水相的pH从而造成两亲纳米颗粒移动进入水相并且使乳液去稳定。当两亲纳米颗粒包含阴离子官能团时，可以增加水相的pH从而增加两亲纳米颗粒在水相中的溶解度。可以通过在水相中加入碱例如氢氧化物(例如氢氧化钠)或碳酸氢盐(例如碳酸氢钠)从而增加水相的pH。当两亲纳米颗粒包含阳离子官能团时，可以降低水相的pH从而增加两亲纳米颗粒在水相中的溶解度。可以通过在水相中加入盐酸、磷酸和乙酸或其它酸从而降低水溶液的pH。
可以在乳液中加入反乳化剂从而使乳液去稳定并且形成包括水相和烃相的不同的不可混溶的相。在一些实施方案中，通过调节水相和乳液的至少一者的pH和通过在乳液中加入反乳化剂从而使乳液去稳定。
参考图3，显示了根据本公开的其它实施方案的从沥青砂中获得烃物质的方法的简化流程图。所述方法可以包括悬浮液形成过程300；混合过程302；输送过程304；提取过程306；和乳液去稳定过程308，所述悬浮液形成过程300包括形成包含多个两亲纳米颗粒的悬浮液，所述混合过程302包括混合悬浮液与包含沥青砂和水的浆料从而形成稳定化的乳液，所述输送过程304包括水力输送浆料，所述提取过程306包括从稳定化的乳液中提取烃，所述乳液去稳定过程308包括使乳液去稳定(例如反乳化、沉淀等)形成不同的不可混溶的相。
悬浮液形成过程300可以包括形成包含两亲纳米颗粒和至少一种载液的悬浮液。载液可以例如包括水、盐水溶液或苛性钠(NaOH)溶液。悬浮液可以被配制以包含与上文参考图2所述的驱替悬浮液相似的两亲纳米颗粒浓度。
混合过程302可以包括混合悬浮液与包含沥青砂和水的浆料从而形成稳定化的乳液。浆料可以包含热水、苛性钠和沥青砂。输送过程304可以包括将浆料水力输送至可加工稳定化的乳液从而从其中(例如从沥青砂中)除去烃的位置。在一些实施方案中，混合过程302可以与输送过程304同时进行。在一些实施方案中，可以在混合过程和输送过程304中调节浆料的pH从而降低两亲纳米颗粒在浆料的亲水部分中的溶解度并且增加两亲纳米颗粒在稳定化的乳液中的溶解度。
两亲纳米颗粒被结构化和配制以促进烃物质和水相的稳定化的乳液的形成。例如，两亲纳米颗粒可以被结构化和配制以聚集在、附着至和/或吸附至烃物质和含水物质的界面从而形成Pickering乳液，所述乳液包含烃物质和含水物质的一者在烃物质和含水物质的另一者中的单元(例如液滴)。
提取过程306可以包括从稳定化的乳液中提取烃。在一些实施方案中，提取过程306包括在浮选过程中从浆料的稳定化的乳液中提取烃。
在浮选过程中从水相中除去烃之后，可以在乳液去稳定过程308中使至少一部分稳定化的乳液去稳定从而形成包括水相和烃相的不同的不可混溶的相。可以更改(例如改变、变化)稳定化的乳液或水相的一个或多个性质(例如温度、pH、物质组成、压力等)从而至少部分地使乳液去稳定。例如，可以更改水相的pH从而增加两亲纳米颗粒在水相中的溶解度，因此使乳液去稳定并且形成不同的不可混溶的相。可以改变稳定化的乳液的pH从而造成两亲纳米颗粒移动进入水相并且使乳液去稳定，正如上文参考图2的乳液去稳定过程206所述。在其它实施方案中，可以在乳液中加入反乳化剂从而使乳液去稳定并且形成包括水相和烃相的不同的不可混溶的相。
使乳液去稳定之后，可以使烃物质与含水物质分离并采收。之后，可以从水相中回收两亲纳米颗粒。在一些实施方案中，可以调节水溶液的pH从而降低两亲纳米颗粒在水相中的溶解度并且使两亲纳米颗粒从水溶液中沉淀。例如，当两亲纳米颗粒包含例如胺官能团的官能团时，降低含水物质的pH可以降低两亲纳米颗粒在水溶液中的溶解度，因此造成两亲纳米颗粒从水溶液中沉淀出来。在两亲纳米颗粒的官能团为羟基、羧基、羰基、硫醇基、磷酸根或其它阴离子基团的实施方案中，增加水溶液的pH可以造成两亲纳米颗粒从水溶液中沉淀出来。在其它实施方案中，通过过滤器过滤水溶液从而回收两亲纳米颗粒。取决于两亲纳米颗粒的尺寸，过滤器可以具有在约10nm和约5,000nm之间的孔径。在一些实施方案中，可以进行多于一个过滤步骤。例如，第一过滤步骤可以过滤出砂和具有比两亲纳米颗粒更大直径的其它固体颗粒。之后，可以从水溶液中分离两亲纳米颗粒。
虽然本公开容易进行各种修改形式和替代形式，已经在附图中示例性地显示并且在本文中详细描述了特定实施方案。然而，本公开不限于公开的特定形式。相反，本公开覆盖落入通过所附权利要求及其法律等效形式限定的本公开范围内的所有修改形式、等效形式和替代形式。
Claims (20)
1.获得烃物质的方法，所述方法包括：
组合包含亲水基团和疏水基团的两亲纳米颗粒与载液从而形成悬浮液；
使地下地层和包含沥青砂和水的浆料的至少一者与悬浮液接触从而形成通过两亲纳米颗粒稳定的乳液；并且
从通过两亲纳米颗粒稳定的乳液中除去烃。
2.根据权利要求1所述的方法，其中组合包含亲水基团和疏水基团的两亲纳米颗粒与载液从而形成悬浮液包括组合包含二氧化硅和至少一种金属的至少一者的两亲纳米颗粒，所述金属选自铁、钛、锗、锡、铅、锆、钌、镍和钴。
3.根据权利要求2所述的方法，其中组合包含亲水基团和疏水基团的两亲纳米颗粒与载液从而形成悬浮液包括组合包含氨基官能团的两亲纳米颗粒与载液。
4.根据权利要求1所述的方法，其中组合包含亲水基团和疏水基团的两亲纳米颗粒与载液从而形成悬浮液包括形成包含约50ppm至约500ppm两亲纳米颗粒的悬浮液。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在使地下地层和包含沥青砂和水的浆料的至少一者与悬浮液接触之后改变悬浮液的pH。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在从通过两亲纳米颗粒稳定的乳液中除去烃之后使所述乳液去稳定。
7.根据权利要求6所述的方法，其中使所述乳液去稳定包括增加两亲纳米颗粒在水相中的溶解度。
8.根据权利要求7所述的方法，其中使所述乳液去稳定包括改变水相的pH。
9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在从通过两亲纳米颗粒稳定的乳液中除去烃之后从所述乳液中回收至少一部分两亲纳米颗粒。
10.根据权利要求9所述的方法，其中在从通过两亲纳米颗粒稳定的乳液中除去烃之后从所述乳液中回收至少一部分两亲纳米颗粒包括降低两亲纳米颗粒在水相中的溶解度。
11.形成悬浮液的方法，所述方法包括：
水解包含正硅酸酯、氧基硅烷、氨基硅烷、硅醇、环氧硅烷和金属醇盐的至少一者的亲水化合物从而形成暴露的羟基；
水解包含包括非极性烃基的氧基硅烷的疏水化合物；
使所述亲水化合物的暴露的羟基与疏水化合物的羟基反应从而形成两亲纳米颗粒；并且
混合两亲纳米颗粒与至少一种载液。
12.根据权利要求11所述的方法，其中水解包含正硅酸酯、氧基硅烷、氨基硅烷、硅醇、环氧硅烷和金属醇盐的至少一者的亲水化合物包括水解包含至少一个可水解基团和至少一个官能团的亲水化合物，所述官能团选自羟基、羧基、羰基、氨基、硫醇基和磷酸根。
13.根据权利要求11所述的方法，其中水解包含正硅酸酯、氧基硅烷、氨基硅烷、硅醇、环氧硅烷和金属醇盐的至少一者的亲水化合物从而形成暴露的羟基和水解包含包括非极性烃基的氧基硅烷的疏水化合物包括在水解所述疏水化合物之前水解所述亲水化合物。
14.根据权利要求11所述的方法，其中水解包含正硅酸酯、氧基硅烷、氨基硅烷、硅醇、环氧硅烷和金属醇盐的至少一者的亲水化合物从而形成暴露的羟基包括水解包含氨基硅烷的亲水化合物。
15.根据权利要求11所述的方法，其中水解包含包括非极性烃基的氧基硅烷的疏水化合物包括水解包含包括烷基的氧基硅烷的疏水化合物。
16.根据权利要求11所述的方法，其中使所述亲水化合物的暴露的羟基与所述疏水化合物的羟基反应包括形成直径在约200nm和约1000nm之间的两亲纳米颗粒。
17.悬浮液，所述悬浮液包含：
多个两亲纳米颗粒，所述两亲纳米颗粒包含：
包含二氧化硅、金属和金属氧化物的至少一者的基体物质；
从所述基体物质的表面延伸的多个亲水官能团；和
从所述基体物质的相反表面延伸的多个疏水官能团；和
至少一种载液。
18.根据权利要求17所述的悬浮液，其中从所述基体物质的相反表面延伸的多个疏水官能团包括多个烷基。
19.根据权利要求17所述的悬浮液，其中从所述基体物质的表面延伸的多个亲水官能团包括多个氨基和多个羟基。
20.根据权利要求17所述的悬浮液，其中驱替悬浮液包含在约50ppm和约5,000ppm之间的两亲纳米颗粒浓度。
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