納米發電機在油氣田開發工程領域應用前景

付亞榮

中國石油華北油田分公司第五采油廠

納米發電機在油氣田開發工程領域應用前景

付亞榮

中國石油華北油田分公司第五采油廠

引用格式：付亞榮. 納米發電機在油氣田開發工程領域應用前景［J］.石油鉆采工藝，2016，38（4）： 531-535.

納米發電機將科學預言變成了現實，開啟了納米科學和技術的新篇章，引起了全球研究者的研發熱潮。納米發電機能將微小物理變化產生的機械能或熱能轉換成電能。針對油氣田開發過程中微供電系統的現狀和瓶頸，融合不同的納米發電機發電機理，展望了在石油勘探開發的旋轉導向鉆井和隨鉆測井、智能完井、智能分注、智能分采、油（氣）水井測試、油田生產數據自動采集（傳輸）與控制等領域綜合應用納米發電機的前景。預示著石油勘探開發領域的微供電領域將迎來顛覆性的革命。

納米發電機；油氣田；勘探開發；應用前景

2006年，王中林研發團隊率先在原子力顯微鏡下研制出將機械能轉化為電能的納米發電機［1-2］，開啟了納米科學和技術的新篇章，將理查德·費恩曼納米科技的構想變成了現實。同年4月出版的Science周刊對此進行了長篇的報道［3］，引起了全球研究者的研發熱潮。納米發電機能將微小物理變化產生的機械能或熱能轉換成電能，主要有壓電式、摩擦電式、熱釋電式3種類型［4］。壓電納米發電機所處的環境中存在如微風、聲波、超聲波、噪聲和機械振動等機械能，使壓電材料發生形變，在材料表面產生了壓電勢，從而實現機械能向電能的轉變；摩擦電納米發電機根據摩擦起電和靜電感應原理，將外界機械能轉化為電能［5］；熱釋電納米發電機是采用具有熱電性的鐵電材料薄膜制備的［6］。王中林團隊2011年研制的壓電納米發電機的輸出電壓達到58 V，電流高達100 μA，可直接用來驅動一般的小型電子產品［7］；2012年該團隊利用鋯鈦酸鉛（PZT）薄膜研制出了熱釋電納米發電機［8］；2014年研制的12 mm×12mm×0.7 mm摩擦納米發電機首次利用呼吸產生的電能驅動心臟起搏器，對于植入式醫療器件的發展意義重大［9］。輸出電壓高達200～1 000 V、輸出電流為100 μA、僅3 cm2大小的單層摩擦納米發電機，可以瞬時帶動幾百個LED燈、無線探測和傳感系統、手機電池充電等。因此，21世紀對自驅動電源的需求將會有一個爆炸性的“井噴”增長。除了在醫藥、通信海洋工程領域的研究應用，納米發電機的研發能否在石油勘探開發領域如旋轉導向鉆井系統、隨鉆測井系統，智能完井［10-11］，智能分注［12-13］，智能分采［14-15］，油（氣）水井測試［16］，油田生產數據自動采集、傳輸與控制［17］等供電電源方面迎來顛覆性的革命。

1　油氣田開發領域自驅動電源現狀Oil-gas field development since the drive power status

1.1旋轉導向鉆井與隨鉆測井

The rotary steering drilling and logging while drilling

旋轉導向鉆井與隨鉆測井技術可實時反映定向井、水平井的地層特性，進行地質導向鉆井，通常采用鋰電池和井下渦輪發電機為其系統提供電能［18］。但鋰電池如受溫度影響很大且壽命較短［19］。井下渦輪式發電機，在含有固相顆粒的鉆井液中高速旋轉，軸承、密封件等運動部件快速研磨和沖蝕，使用壽命短［20］，同時，因鉆井液排量和發電機電磁扭矩波動造成系統共振，引起磁耦合器失步（滑脫），產生不穩定電流，導致旋轉導向鉆井和隨鉆測井工具空間角度的振蕩擺動、控制失穩［21］；帶有井下渦輪式發電機的旋轉導向鉆井與隨鉆測井儀器長13.6 m，重達2 000 kg［22］，現場維修十分困難。

1.2智能完井

Intelligent well completion

智能完井是在井下放置智能工具，實時采集油層壓力、溫度、流量等參數，通過通信電纜或光纜將采集的數據傳輸到地面決策系統［10］。智能完井技術可以控制多層合采、多分支井監控或使單井眼同時具有注水、監測和生產的功能，使單井眼完成多口井的任務［11］。隨著技術的進步，設備可靠性逐步增強，可明顯減少修井作業，但控制井下溫度、壓力的采集、智能節流器工作的電源受到使用壽命和耐溫的限制［23-24］，影響著油氣井的免修期。

1.3智能分注

Intelligent hierarchical injection

智能分注是以機電一體化測調為核心，將井下控制器、智能配水器的水嘴、控制電機、電池、流量計、壓力傳感器等安裝在特定的保護腔內［25-26］，實現橋式同心和橋式偏心分注，電池的壽命決定測試的效果，也決定了分注的有效期。

1.4智能分采

Intelligent hierarchical production

分層采油是解決層間矛盾的方法之一［27-29］。智能分層開采是在井下用封隔器分隔開的每個目的層位安裝1套智能開關器［30-31］，智能開關器按照設定的指令打開或關閉液流通道、調整其開關器的開度控制各層的產液量。開關器完成指令需要電池驅動電機來完成，而目前智能分采器所用電池使用壽命僅為18個月，耐溫120 ℃。

1.5油（氣）水井測試

Oil （gas）and water wells testing

在生產測井和試井中經常發生測試電纜或鋼絲纏繞油管，甚至造成測試儀器落井的事故［31-32］。除了井深、井斜角增大的原因外，還有測試儀器中因電池容量需求而使儀器長度增加的因素。開發微型測試儀器電池成為亟待解決的問題。

1.6油田生產數據自動采集、傳輸與控制

Oilfield production automatic data acquisition，transmission and control

智慧油田建設已成為必然，可實現油水井、計量站、集油站、聯合站等生產實時監控、數據實時采集、危害預警遠程控制等操作［32-33］；特別是油水井井口溫度、壓力、流量等參數采集、傳輸，傳感器所用電源受環境、氣候影響很大，且使用壽命1～1.5年，更換不及時易造成數據的漏采和丟失。

2　納米發電機在油氣田開發領域潛在應用Nano generator potential applications in the field of oil-gas field development

3種類型的納米發電機可以將油氣田開發地下、地面環境中的各種各樣的振動能、生物能、太陽能和熱能轉化為電能，并具有可持續供電的特點［34］，有望成為油氣田勘探開發中自供電電源。

2.1壓電納米發電機應用前景

Potential applications of piezoelectric power

壓電納米發電機利用纖鋅礦結構ZnO納米線的半導體性能和壓電效應［35］，外力（機械振動）存在時納米線產生單軸壓縮，產生負壓電動勢的納米線尖端費米能級升高，電子從外電路自尖端向底部流動產生一個尖端正電勢，金屬電極與納米線的肖特基接觸產生肖特基勢壘，尖端電勢永久保持產生電流。

旋轉導向鉆井與隨鉆測井實時測量系統依靠井下渦輪式發電機供給電能；如果能將鉆井過程中產生的機械振動有效利用，促使壓電納米發電機中ZnO納米線壓縮產生電流，供給測井儀器正常工作，則可大大減小電源尺寸，提高能量密度與效率，延長儀器電池的使用壽命；同時，也能減少旋轉導向鉆井與隨鉆測井儀器的長度和重量，使鉆井施工和儀器的維修更加方便。

將壓電式納米發電機引入智能完井、智能分采技術，當地層流體沿井筒被舉升至地面，流體流經井下開關控制器時，會產生液流振動引起納米發電機發電，供給開關控制器完成預設工作，解決現有井下電池壽命短和耐溫限制問題。而智能分注是利用井下控制器、智能配水器按油田開發方案將從井口注入的高壓流體分配給各油層，滿足均衡動用各油層和提高差油層的動用程度的需要。高壓流體從井口進入各油層的過程中，能夠使植入井下智能工具中的壓電式納米發電機隨著流體振動產生電流；如果將油（氣）水井測試儀器中鋰電池更換為納米發電機，儀器的下入和測試過程中均會產生機械和流體振動，或可以利用納米發電機將其轉換為電能，這樣可減少整個測試儀器的長度，減少測試鋼絲或電纜纏繞油管和儀器掉井的機率。

2.2摩擦電納米發電機應用前景

Potential applications of triboelectric nano generator

摩擦電納米發電機利用的是摩擦電電勢的充電泵效應［34］，貼合在一起的2種鍍有金屬電極的高分子聚合物薄膜在外力作用下發生機械形變，兩層聚合物膜之間相互摩擦，產生電荷分離并形成電勢差；金屬電極通過靜電感應可在表面生成感應電荷。感應電荷在摩擦電電勢驅動下流經外電路即可形成電流。

旋轉導向鉆井與隨鉆測井過程中，高壓鉆井液在鉆具內外產生流動摩擦阻力和振動，如果能夠使高分子聚合物薄膜發生機械形變、相互摩擦，生成感應電荷，即可利用串聯或并聯電路將摩擦電納米發電機和壓電式納米發電機組合形成“互補”，提供更優質的電源。

目前智能完井、智能分采所用的電源，大部分采用美國Wilson Greatbatch Ltd. 生產的3B2800EI鋰電池，耐溫150 ℃，壽命18月，電池使用壽命小于油井長壽時間；同時，隨著電池使用時間的延長，電量逐漸降低，井下智能控制器失去作用。油井產出液從井底被舉升到井口將產生流動摩擦阻力，或可用來誘導摩擦電納米發電機發電，消除電池與油井長壽時間不同步所造成的不必要修井作業。智能分注中高壓水從井口往地層注入過程中，流經配水器也會產生很大的摩擦阻力，若能用于使摩擦電納米發電機發電，則可克服鋰電池調配次數的限制。油（氣）水井進行壓力恢復測試時，有時會因井下電子壓力計電池故障，造成所錄取資料失真或丟失；隨著油井壓力的恢復、靜液面的上升，同樣會對測試儀器產生摩擦阻力使摩擦電納米發電機發電。

2.3熱釋電納米發電機應用前景

Potential applications of pyroelectric nano generator

熱釋電納米發電機是利用具有比其他鐵電體更優良的壓電和介電性能鋯鈦酸鉛薄膜制備的。環境溫度的變化可改變薄膜自發極化，驅動外電路產生電流。具有較大輸出電壓、較小輸出電流的熱釋電納米發電機常常用作潛在電源和作為主動傳感器測量環境溫度變動，這意味著有望用于24 h不間斷運行的油田生產數據自動采集、傳輸與控制系統。

安裝在室內或室外的壓力變送器、溫度變送器、電子流量計等油田生產數據自動采集、傳輸與控制設備每天都在感受晝夜溫差的變化，用熱釋電納米發電機替代鋰電池維持其正常運行，可能采集到的數據會更準確，傳輸速度也會更快，控制更到位。

3　結論Conclusions

（1）不同類型納米發電機發電機理不同，在油氣田勘探開發微供電領域具有廣闊的潛在應用前景。

（2）每種納米發電機都有優缺點，若將不同種類納米發電機集成將會更好地滿足油氣田勘探開發過程中微供電系統的需要。

（3）探索適合納米發電機的能量收集電路，將不同類型納米發電機產生的電能進行轉換存儲，對于實現油氣田勘探開發過程中微供電系統的穩定運行意義重大。

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（修改稿收到日期 2016-03-05）

〔編輯 付麗霞〕

Application prospect of nanogenerator in oil and gas field development

FU Yarong
No.5 Oil Production Plant of Huabei Oilfield Company， CNPC

Nanogenerator has opened up a new era for nanoscale science and technology and has given rise to an upsurge of R&D globally. Nanogenerator can convert mechanical energy or thermal energy produced by micro-physical changes into electric energy. During oil and gas field development， the micro-power supply system is used in many areas， such as intelligent drilling system，intelligent well completion system， smart separate injection， smart separate recovery， test of oil （gas） and water wells， automatic acquisition （transmission） and control of oilfield production data， etc. In view of limitations of the power supply system in terms of temperature resistance and integration in these areas， this paper discusses the application prospect of nanogenerator in these areas and predicts the great impact of successful research into nanogenerator on micro-power supply system in oil exploration and development.

nanogenerator； oil and gas field； exploration and development； application prospect

TE19

A

1000 - 7393（ 2016 ） 04 - 0531- 05

10.13639/j.odpt.2016.04.024

FU Yarong. Application prospect of nanogenerator in oil and gas field development［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（4）: 531-535.

付亞榮（1964-），華北油田分公司一級工程師，高級工程師，從事采油工藝研究工作。通訊地址：（052360）河北省辛集市華北油田分公司第五采油廠。電話：0317-2742299。E-mail：cy5_fyr@perochina.com.cn