納米材料技術(shù)在石油工業(yè)中的應(yīng)用

1 納米技術(shù)引領(lǐng)油氣工業(yè)的未來(lái)

據(jù)美國(guó)《勘探與生產(chǎn)》2010年9月1日?qǐng)?bào)道，隨著油氣工業(yè)步入21世紀(jì)，上游領(lǐng)域?yàn)榱颂岣哂蜌獠墒章识粩嚅_(kāi)發(fā)新技術(shù)。

1985年，休斯頓賴斯大學(xué)研發(fā)出第一個(gè)“納米分子”碳60。1996年，Richard Smalley博士和 Robert Curl博士因該發(fā)現(xiàn)獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。2005年，Smalley博士去世后，賴斯大學(xué)的納米中心更名為Richard E.Smalley納米科學(xué)與技術(shù)研究所，主要致力于納米領(lǐng)域的創(chuàng)新研究。

Smalley研究所所長(zhǎng)Wade Adams博士認(rèn)為，目前的納米研究在未來(lái)10～50年內(nèi)，將會(huì)對(duì)油氣行業(yè)上游領(lǐng)域產(chǎn)生巨大影響，并宣稱其正在研制的碳納米管纖維，理論上的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于現(xiàn)有任何已知的纖維。

目前，碳纖維已用在波音787和空客380上。碳纖維強(qiáng)度為6吉帕，在實(shí)驗(yàn)室中碳納米管纖維的強(qiáng)度為碳纖維的2倍，而理論上應(yīng)為碳纖維強(qiáng)度的20倍。從本質(zhì)上講，這將使一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的SUV車的重量減少2/3，并能保持足夠的強(qiáng)度抵御意外事故。

碳納米材料只是當(dāng)前納米技術(shù)研究中的一小部分。納米技術(shù)最初面臨的挑戰(zhàn)是如何開(kāi)發(fā)納米材料，而現(xiàn)在這個(gè)問(wèn)題正在解決，現(xiàn)在工程師們開(kāi)始考慮這些納米材料的用途。納米技術(shù)在油氣行業(yè)的應(yīng)用潛力是無(wú)限的，通過(guò)注入“納米探測(cè)者”于油藏中，能夠精確描述油藏。

隨著油田的不斷開(kāi)采，目前大部分油田40%的儲(chǔ)量已被開(kāi)采出來(lái)，剩下的60%仍然很可觀。為開(kāi)發(fā)這些儲(chǔ)量，需要支持納米技術(shù)的長(zhǎng)期研究，在未來(lái)10年里逐步提高石油產(chǎn)量。每隔10年納米技術(shù)就會(huì)更加先進(jìn)，而與此同時(shí)油價(jià)將繼續(xù)上漲。未來(lái)10～30年里，納米技術(shù)用于油氣行業(yè)上游領(lǐng)域，將極大地提高油氣采收率。

目前，包括航空和醫(yī)藥在內(nèi)的一些行業(yè)正在進(jìn)行納米技術(shù)方面的創(chuàng)新。與其他多數(shù)行業(yè)相比，石油公司在納米技術(shù)方面的研發(fā)相對(duì)少一些，而現(xiàn)在企業(yè)對(duì)技術(shù)創(chuàng)新的依賴程度比以往任何時(shí)候都要大。比如在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，正在開(kāi)發(fā)納米材料用于治療癌癥，設(shè)計(jì)的納米微粒在人體的含鹽血液里發(fā)揮作用。同樣，生產(chǎn)石油的地下儲(chǔ)藏流體與人體含鹽的血液有相似性，納米微粒在血液中發(fā)揮的作用同樣可以在儲(chǔ)藏流體中實(shí)現(xiàn)。

賴斯大學(xué)的科研經(jīng)費(fèi)在不斷增加，從300萬(wàn)美元/年增加到1500萬(wàn)美元/年，其中大部分用于納米技術(shù)的研發(fā)。投資于今天的新技術(shù)研發(fā)，很有可能給未來(lái)的油氣行業(yè)帶來(lái)長(zhǎng)期收益。

2 石油工業(yè)受益于納米技術(shù)

由于在大宗材料中只需添加少量納米材料就可明顯改變其光、磁、電性質(zhì)，并形成具有各向異性的結(jié)構(gòu)，納米材料因而成為制造傳感器的優(yōu)良材料，而且有加強(qiáng)圖像對(duì)比度的作用。

利用很多納米材料具備的各向異性，可以使材料滲濾作用具有很強(qiáng)的方向性，因而能在不同方向上觀察到差異很大的電學(xué)性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)。

這類納米材料與智能液體相結(jié)合，可以做成對(duì)溫度、壓力和井下應(yīng)力極為敏感的傳感器。這種傳感器最大的應(yīng)用價(jià)值在于，無(wú)需接觸就可獲得所需要的參數(shù)(溫度、壓力、應(yīng)力)，而且利用納米顆粒獨(dú)有的光學(xué)特征表現(xiàn)(光吸收及熒光)，無(wú)需對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。

同樣，利用先進(jìn)的磁探測(cè)器、分光探測(cè)器及改進(jìn)的電腦，納米顆粒可以在成像過(guò)程中成為明顯的標(biāo)識(shí)。經(jīng)過(guò)化學(xué)改性處理的納米顆粒集合成不同的流體域或孔洞，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油藏和其中流體的流動(dòng)狀態(tài)，就能有效提高波及效率，提高油氣采收率。而且，這種先進(jìn)探測(cè)器的納米顆粒用量很少，用于開(kāi)發(fā)測(cè)試小井眼的儀器和方法，可最大限度地縮小鉆井占地，降低鉆探成本。

另外，納米材料可以制做面積大、重量輕而且牢固的納米膜，新一代的納米膜可用于分離重油中的金屬雜質(zhì)和致密地層天然氣中的雜質(zhì)。利用微電子工業(yè)中的常規(guī)技術(shù)，制造高度均一可再生重復(fù)使用的納米膜的成本在市場(chǎng)上具有競(jìng)爭(zhēng)力。這類納米膜可用于脫除雜質(zhì)、分離氣流，提高天然氣合成油的產(chǎn)量。

納米材料、納米成像和納米膜在油氣工業(yè)煉制加工方面大有用場(chǎng)。人們關(guān)心的是，納米顆粒對(duì)人的健康、對(duì)環(huán)境的影響，以及在生產(chǎn)中大量應(yīng)用納米材料的成本。另外，對(duì)納米顆粒的解析和性質(zhì)進(jìn)行定量研究的工具還有待于開(kāi)發(fā)。這些都是科技界正在研究而且今后幾年仍要繼續(xù)研究的問(wèn)題。從長(zhǎng)期看，納米技術(shù)將有助于石油煉制、鉆井與環(huán)境問(wèn)題的綜合解決。

3 碳納米管可提高油田產(chǎn)量

日本信州大學(xué)的科學(xué)家2008年10月開(kāi)發(fā)出在石油工業(yè)中使用碳納米管來(lái)提高油田產(chǎn)量的技術(shù)，有望實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量大幅度提高。

據(jù)報(bào)道，研究小組負(fù)責(zé)人遠(yuǎn)藤守信說(shuō):“在鉆井系統(tǒng)中使用碳納米管可以開(kāi)采到蘊(yùn)藏在更深處的石油，將油井的產(chǎn)量提高35%到70%。”

遠(yuǎn)藤說(shuō)，高溫和高壓是影響油田產(chǎn)量的主要障礙，在石油開(kāi)采過(guò)程中，在鉆探桿中使用碳納米管能夠使鉆井工具承受260攝氏度的高溫和每平方厘米2.4噸的壓力。

他預(yù)計(jì)，這項(xiàng)新技術(shù)可在兩年內(nèi)用于石油生產(chǎn)。

4 納米技術(shù)可望用于提高油氣采收率

2009年4月8日在美國(guó)休斯敦召開(kāi)的RMI油田開(kāi)發(fā)論壇上，從事石油開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的Meridian資源公司總裁Paul Ching表示，以原子和分子范圍對(duì)物質(zhì)進(jìn)行控制的納米技術(shù)可望用于使石油和天然氣采收率平均提高十個(gè)百分點(diǎn)。

先進(jìn)能源財(cái)團(tuán)(Advanced Energy Consortium，AEC)和位于Austin的得克薩斯大學(xué)正在從事這方面的納米技術(shù)研究。

研究人員表示，使用納米傳感器有潛力可評(píng)估油氣藏孔隙空間內(nèi)巖石和流體的性質(zhì)。

現(xiàn)在平均的油氣采收率為28% ～30%，采用納米傳感器可望進(jìn)一步提高油氣采收率，據(jù)估計(jì)，氣藏孔內(nèi)納米傳感器的商業(yè)化應(yīng)用將在5～10年實(shí)現(xiàn)。

納米技術(shù)在石油和天然氣工業(yè)中應(yīng)用的研究將使開(kāi)采所用材料和流體更為先進(jìn)，預(yù)計(jì)在今后5年內(nèi)這些領(lǐng)域納米技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)呈“爆發(fā)性”發(fā)展。

5 新型采油材料與技術(shù)在我國(guó)問(wèn)世

針對(duì)目前我國(guó)主力油田大部分已進(jìn)入高含水(90%以上)和高采出程度(20% ～35%)的現(xiàn)狀，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員的光聚合與高分子材料研究組，在深入了解我國(guó)油田的地質(zhì)特征、油藏特性以及開(kāi)發(fā)歷程的基礎(chǔ)上，研制出可大幅提高油田產(chǎn)量的納微米逐級(jí)深部調(diào)驅(qū)材料。該技術(shù)已經(jīng)得到我國(guó)相關(guān)油田的高度重視，有望在‘十一五’期間獲得廣泛推廣應(yīng)用。

目前該材料和相關(guān)技術(shù)已在多個(gè)不同地質(zhì)條件和開(kāi)發(fā)程度的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，該材料可以進(jìn)入油層地層深部至少幾十米甚至上百米，在地層深部形成有效的封堵，對(duì)應(yīng)油井含水量明顯下降，原油產(chǎn)量大幅度提高，地質(zhì)對(duì)應(yīng)單井原油產(chǎn)量提高幅度達(dá)300%，有效期已經(jīng)超過(guò)7個(gè)月。

據(jù)了解，在油藏的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，注水開(kāi)發(fā)是補(bǔ)給地層能量、提高石油采收率的最經(jīng)濟(jì)和最有效手段。由于我國(guó)油藏大部分屬于陸相沉積，含油飽和度相對(duì)較低，儲(chǔ)層分散，滲透率級(jí)差大，因此，注水開(kāi)發(fā)往往形成水相大型滲流通道，注入水不能在油藏中有效地推動(dòng)原油，很快地從油井流出，形成無(wú)效循環(huán)，致使油井含水量上升很快，造成水淹。現(xiàn)有的調(diào)剖材料和技術(shù)基本上都存在不能進(jìn)入地層深部，只是在近井地帶形成短小封堵，或者存在穩(wěn)定性和可靠性差、成本高等問(wèn)題。

納微米逐級(jí)深部調(diào)驅(qū)材料的設(shè)計(jì)原理是利用納微米尺寸的聚合物凝膠，保障材料可以沿滲水通道順利進(jìn)入地層深部，遇水膨脹后，通過(guò)對(duì)滲水通道孔喉的封堵，造成水流改向，實(shí)現(xiàn)注入水波及體積的擴(kuò)大。其工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵是解決如下兩方面問(wèn)題:一是廉價(jià)穩(wěn)定生產(chǎn)納微米凝膠技術(shù);二是納微米凝膠水化膨脹和尺寸控制技術(shù)。理化所研制的納微米逐級(jí)深部調(diào)驅(qū)材料解決了這些問(wèn)題。

該項(xiàng)目的研發(fā)成功為我國(guó)‘三采’技術(shù)的應(yīng)用提供了更為廣闊的空間，為油田的注水開(kāi)發(fā)提供了可靠、高效、經(jīng)濟(jì)的提高采收率途徑，是我國(guó)老油田改造和穩(wěn)產(chǎn)的重要技術(shù)手段之一，將為我國(guó)的石油工業(yè)作出不小貢獻(xiàn)。

6 納米粉體增注技術(shù)破解增注難題

2007年1月，一種納米粉體復(fù)合增注技術(shù)，在中原油田采油二廠濮3－447和濮3－283兩口注水井上進(jìn)行了技術(shù)先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，并獲得了重要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

過(guò)去，由于完不成配注水量，給對(duì)應(yīng)的油井帶來(lái)嚴(yán)重影響。該廠有關(guān)技術(shù)人員對(duì)這兩口井實(shí)施了技術(shù)攻關(guān)，他們經(jīng)過(guò)反復(fù)論證最終選用納米粉體復(fù)合增注技術(shù)。該技術(shù)是利用酸、堿等解堵材料與納米材料復(fù)合一起增注。施工前首先對(duì)地層進(jìn)行預(yù)處理，清除近井地帶孔隙中的油膜及地層中黏土以及鉆井液中的機(jī)械顆粒，以便納米粉體能牢固吸附在孔隙表面，然后將具有極強(qiáng)憎水親油能力的納米粉劑擠入地層。當(dāng)納米材料吸附到親水砂巖表面后，會(huì)改善水油兩相中水相的滲透率，從而大大地降低注入水的流動(dòng)阻力。

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)了解，這兩口井分別注入降壓增注劑40立方米，降壓增注效果明顯提高。

7 提高石油采收率的納米有機(jī)金屬活性復(fù)合物

提高石油采收率的納米有機(jī)金屬活性復(fù)合物由山東油化化工科技有限公司研制成功，并通過(guò)新產(chǎn)品鑒定。

納米有機(jī)金屬活性復(fù)合物利用模板法原理，在活性聚合物中導(dǎo)入具有催化活性和磁性的油溶性納米金屬?gòu)?fù)合物。經(jīng)中國(guó)石油和中國(guó)石化兩大公司的有關(guān)油田試用，效果顯著:可使高粘、高凝原油即稠油的粘度至少降低到2%左右，且不粘管壁;提高稠油采收率約15%，并改善了原油品質(zhì);不含硫和氯，因此不對(duì)原油產(chǎn)生新的污染，有利于原油的煉制;對(duì)含原油的地層沒(méi)有損害等。至今國(guó)內(nèi)外真正將油溶性納米金屬?gòu)?fù)合物用于油田，提高稠油采收率的生產(chǎn)還未見(jiàn)報(bào)道。目前，中國(guó)石油的蘇丹油田、委內(nèi)瑞拉油田和我國(guó)的稠油開(kāi)采都準(zhǔn)備使用該產(chǎn)品。

(以上信息由錢伯章作者提供)