碳納米管在提高采收率方面的應用

馬海程，宋景楊

（東北石油大學 提高采收率教育部重點實驗室，黑龍江大慶 163318）

碳納米管在提高采收率方面的應用

馬海程，宋景楊

（東北石油大學 提高采收率教育部重點實驗室，黑龍江大慶 163318）

開發了一種以CNT橡膠為基礎，復合而成的新型密封性材料，它可以用于在深儲層和熱儲層中生產原油。充分的分散和更好的鍵結是提高其力學性質的兩個關鍵性因素。作者解決了關鍵性的問題并使用實驗數據闡明了納米網絡加固的機制。得到的密封方案在世界范圍內經歷了現場測試，它標志著納米技術在油田上應用的成功。

CNT橡膠；納米技術；提高采收率

烴類，如石油和天然氣，是人類社會發展的關鍵資源。現如今，由于容易開采的儲層日益減少，石油與天然氣工業不得不在更加難以觸及的儲層和惡劣的環境下進行勘探和開發。開發這些新儲層的關鍵問題包括高溫、高壓和與此相關的密封問題[1-4]。本論文闡述了一個重要的成就：將納米技術引入密封方案中，以能夠在惡劣的儲層環境下萃取烴類。最近的納米技術已經能夠使橡膠復合材料與多壁碳納米管（MWNT）相結合，生產能夠符合密封方案的材料。本文闡述了納米技術，包括其機制、能夠帶來的根本上的改變以及在能夠允許在惡劣的儲層環境和高溫下新的密封方案發展的材料的性質上的顯著提高。

目的和方法

1 應用目標

大多數傳統的密封技術將操作條件限制在175℃和140MPa下，這種操作條件只能允許在非典型的淺儲層中進行開采。為了在更深更熱的儲層中采收石油和天然氣，工業上需要更可靠的密封方案，這種方案要有能承受超過260℃和240MPa的能力。在當前的技術下，世界范圍內石油與天然氣的采收率大約為35%[5]。這就意味著在傳統的技術下，還有65%的探明儲量不能夠被開采。通過創新和新技術的發展，采收率有可能提升到35%到70%甚至更多，這意味著油和氣的采收率有潛力翻倍。高壓高溫（HPHT）技術是進入更深更熱的儲層的關鍵。可靠的密封是在這些條件下操作的關鍵。另一個密封挑戰來自位于近海和深海區域的儲層。對于這樣的區域的操作，密封必須在平均溫度為4℃的冰冷的海底很好的被執行，同時還能在HPHT條件的儲層中保持完整性。因此，密封技術的關鍵在于能夠同時在高溫和低溫下進行處理。

了解密封材料的發展簡史以及相關的局限性是有幫助的。氟橡膠（FKM）在1957年首先被DuPont提出并進行商業化推廣，時至今日仍然在全世界被廣泛使用。在接下來的半個世紀里，開發商制造了全氟橡膠（FFKM）以用作高溫應用。FFKMs在高溫下執行的很好，但是在低溫下，例如0℃左右的環境溫度下，它的性能就降低了。它們的價格也比FKM昂貴。出于這些原因，FFKM沒有在油田得到廣泛的應用，尤其是在一些冰冷的區域，例如加拿大，阿拉斯加，俄羅斯和挪威。

2 背景

Endo等人在1976年發現了碳納米管并于1988年發明了大規模生產多壁碳納米管（MWNT）的方法。從那時開始，使用MWNT來顯著提高高聚合物材料的性能的一些努力已經被評估[6-7]。這些努力已經確定了兩個嚴峻的挑戰，分別是MWNT在聚合物基體中的分散和MWNT與聚合物基體之間的聯結。為了解決這些關鍵性的問題，我們已經開發了兩種關鍵性技術：cellulation均勻分布在MWNT中以及優化MWNT表面條件使其與基體最佳結合的處理過程。使用這兩項技術，我們從MWNT和FKM橡膠中開發了一種新材料，這種新材料具有優異的密封性能。對新材料的測試在模擬的HPHT環境下進行，它的密封性能在世界很多領域都做過測試，包括北海，非洲，東南亞和墨西哥灣。在該研究中，測試證明MWNT-FKM復合材料在高溫和低溫下都具有優異的密封能力。

3 結果與討論

對于高溫應用，我們對材料的選擇進行了限制，只選擇那些玻璃轉換溫度較高的材料。這些材料在低溫下的密封性能很差，在很多方面上的應用都有局限。我們評估了各種聚合物，然后選擇了一種具有特殊用途的FKM，通過cellulation技術合成了MWNT-FKM復合材料。作為比較，我們給出了兩個參考材料：Control-1，FKM；Control-2，FFKM。Control-1是在油田上廣泛應用的密封材料。結果表明它的適用溫度不能超過175℃。260℃下的FKM化合物的測量強度和伸長率都很低。Control-2是在高溫下應用的商用材料。拉伸強度以及三種化合物的伸長率都和在25℃下差不多；然而，在260℃下卻有很大差異。結果表明，新MWNT-FKM化合物對壓縮性應用（cs）具有非常好的性質，比兩種Control化合物接近低40%，因此比兩種Control化合物都要好。CS性質對于密封壽命非常重要。新的MWNT-FKM復合物在260℃下還有很低的Tg值以及很高的拉伸強度性能。我們在各種材料參數上的改進已經導致各種密封復合物在應用上有了更廣的溫度域。另一方面，典型的FKM極限溫度為175℃，它不能進入高溫高壓儲層。在不久的將來，只有所提出的新復合物能夠滿足要求。

[1]M.L.Payne，P.D.PattilloII，R.A.Miller，C.K.Jonson，International Petroleum Technology Conference，IPTC，11463，2007.

Improve Application of Carbon Nanotubes in Terms of Recovery

Ma Hai-cheng，Song Jing-yang

Developed a rubber with CNT-based composite made of new sealing material，which can be used in the production of crude oil in the deep reservoir and heat reservoirs.Sufficient dispersion and better bonding are two key factors to improve its mechanical properties.OF solve critical issues and to use experimental data to clarify the mechanism of nano-network reinforcement.Sealing solutions obtained in the world has undergone field tests，it marks the success of nanotechnology in oilfield applications.

CNT rubber；nano technique；Enhanced oil recovery

TE357.4

A

1003–6490（2016）04–0179–01

2016–04–15

馬海程（1990—），男，吉林扶余人，碩士在讀，主要研究方向為提高稠油油藏采收率。