新材料在石油工程中的應用

趙汩凡，邸偉娜，王敏生

（中國石油化工股份有限公司 石油工程技術研究院， 北京 100101）

新材料在石油工程中的應用

趙汩凡，邸偉娜，王敏生

（中國石油化工股份有限公司 石油工程技術研究院， 北京 100101）

日益復雜的勘探對象對石油工程技術提出了更高的要求，國內外油公司和油服公司對石油工程新技術研發與應用的力度都在不斷加強。近年，石油工程技術的主要趨勢是智能化、實時化，同時相關學科發展有利促進了石油工程技術進步。基于對石油工程技術特點的分析，主要對新型隔熱材料、功能梯度材料、自愈合聚合物等新材料進行了分析研究，并根據其特點，移植應用于石油工程領域。

新材料；石油工程；技術移植

1 概 述

進入 21世紀以來，隨著經濟的快速發展，全球能源需求不斷增長。為了滿足能源需求，世界各國大力開發石油和天然氣。這促進了全球石油工程技術的進步。從近年石油工程技術發展的特點可以看出，相關學科發展對石油工程技術促動作用日益受到重視。無論是石油工程技術的智能化、實時化、自動化，還是非常規油氣、深水油氣以及地熱等新能源地高效開發，交叉學科的特點日益凸顯，許多其他領域的新技術被改造和移植運用于油氣及新能源勘探開發，并見到良好的經濟和社會效益。正是基于這些認識，國際知名的油公司和服務公司都通過與研究機構合作或組織專門的技術人員對非油氣領域的相關技術進行跟蹤研究和評估，積極儲備新一代石油工程新技術。

2 近年石油工程技術發展特點

2.1 智能化、實時化、自動化是主要趨勢

目前，國際石油工程技術總體呈現智能化、實時化和自動化的發展趨勢，特別是智能化將主導石油工程技術的發展。高性能的機、電、液一體化技術促進石油鉆機的功能進一步完善，大量增加自動化工具儀器，采用智能信息技術，減輕鉆井操作者勞動強度，為提高勞動生產率創造了良好的條件[1,2]。地質導向和旋轉導向鉆井技術大幅提高了儲層鉆遇率，也為井下閉環控制奠定了基礎。依托隨鉆測井和隨鉆地震技術的無風險鉆井技術（NDS），實現了窄密度窗口復雜壓力條件下優快安全鉆井的目的。欠平衡鉆井技術朝精確控制井筒壓力方向發展，提出了多技術一體化管理鉆井理念，解決井漏、井塌等鉆井復雜問題，大幅度提高鉆井速度，降低鉆井成本[1,2]。智能完井技術通過對水平段 或各分支進行分段完井，封隔異常壓力及異相層位，延緩底水錐進，實現各個層位的實時監測和控制，在出水、出砂后準確確定層段，改進油藏開發管理模式，實現油藏開發的合理有序。

2.2 相關學科發展對石油工程技術促動明顯

石油工業的每一次大進步都是將當代科學技術全球主要的石油公司和技術服務公司都在進行納米材料技術的研究，并極大地促進了井筒及注入流體、納米材料反應劑、井下工具及管材表面處理技術的發展。物聯網、云計算、增強現實等技術的應用，為各個作業單元的智能互聯、遠程檢測與控制提供了實現手段。同時，仿生學、微生物學、化學、高能物理等領域的研究成果，為新一代建井技術，以及微型化、反應型智能載體技術的研發提供了有益的借鑒。

3 新材料在石油工程領域的應用

3.1 氣凝膠-相變微膠囊復合隔熱材料

新型隔熱材料，特別是氣凝膠-相變微膠囊復合材料因其良好的耐熱性能和相對較小的空間占用率，屬于柔性材料，在航空航天領域取得了良好的應用效果[3,4]。

3.1.1 基本技術原理

二氧化硅氣凝膠是由納米級二氧化硅微粒相互連結而成的具有三維網絡結構的一種納米多孔材料，其所含基本粒子和孔的直徑均在納米級, 具有極低的熱導率, 是一種新型輕質保溫隔熱的理想材料。雖然具有優異的隔熱特性，但是長時間高溫使用時，仍會有熱累積效應，導致內部器件溫度升高。

相變微膠囊材料是利用微膠囊化技術使化學惰性的外殼材料包裹于固-液相變材料微球外面，形成一種復合相變材料。通過相變微膠囊材料的核殼化，能夠克服相變微膠囊易于相分離、泄漏以及腐蝕性等問題，有效改善了相變材料的應用局限性。因在相變過程中能夠吸收和釋放大量的熱量，相變材料主要用于溫度控制領域，而通過將相變材料微膠囊化，使得應用領域擴寬到熱防護等方面，具有更廣闊的應用前景。

通過將氣凝膠和相變微膠囊同時使用得到復合隔熱材料，能夠很好地保護內部需要隔熱保護的器件。這一復合材料已應用于導彈導流罩內的隔熱層，保護導彈頭部的雷達等精密設備。

3.1.2 氣凝膠復合隔熱材料的特點

氣凝膠是一種分散介質為氣體的凝膠材料，是由膠體粒子或高聚物相互聚積構成的一種具有互穿網絡結構的納米多孔性固體材料。該材料內部孔隙的尺寸在納米數量級，孔隙率高達 80%～99.8%，孔隙的典型直徑為 1～100 nm，比表面積為 200～1000 m2/g，密度可低至 3 kg/m3，室溫導熱系數低至 0.012 W/(m K)。二氧化硅氣凝膠是目前技術最成熟、工程化應用最廣泛的氣凝膠材料，因其極低的導熱系

相變微膠囊，常溫下為白色粉末，平均粒徑0.5～20 μm，一般采用正二十烷等作為芯材，其裝載率可達 70%以上。相變溫度可按需調節，相變熱達到 160 J/g 以上，耐熱溫度可達 150 ℃，若采用雙層壁材耐熱溫度可達到 180 ℃以上。相變微膠囊在相變過程中能吸收和釋放巨大潛熱，而相變過程中溫度幾乎保持不變，即相變材料具有能量儲存和溫度控制功能。

3.1.3 氣凝膠-相變微膠囊復合隔熱材料在石油工程領域的應用前景

在石油工程領域對于隔熱材料的要求越來越高，特別是深井、超深井和地熱井的鉆井過程中，各種隨鉆測量電子設備均需要隔熱保護。但同時，井下設備受作業空間小的限制，無法通過增加隔熱層厚度的方法進一步提高隔熱性能。氣凝膠-相變微膠囊復合材料，結合了氣凝膠的隔熱和相變微膠囊的吸熱不升溫的特點，將二者多層復合使用作為隔熱材料，進一步提高隔熱性能，同時二者單層最薄均可達到 2 mm，能夠實現薄而隔熱。選用氣凝膠-相變微膠囊復合材料，無需改變原有工件結構，可通過傳統工藝，直接用于蒸汽管線保溫、地熱管線保溫層；還可以制成特殊形狀，用于保護井下控制器件免受地層高溫影響。

3.2 功能梯度材料

功能梯度材料能夠同時具有兩種材料的特性，內部結構一般實現兩種材料的梯度變化，最初應用于航空航天領域中的極端條件下。功能梯度材料的形態也從顆粒狀粉末擴大到薄膜、纖維、泡沫等。通過使用功能梯度材料，能夠大量減少開發全新材料的時間和成本[5,6]。

3.2.1 基本技術原理

功能梯度材料（Functionally Graded Materials，以下簡稱 FGM）是為了適應功能材料在航空航天等高技術領域的需要，滿足在外太空等極限環境下能夠持續正常工作而研發的一種復合功能材料。FGM是指由多種材料復合組成，材料的某一項性能或者多項性能沿某一方向（一般為厚度方向）連續梯度變化的復合材料[7-10]。

3.2.2 功能梯度材料的特點

FGM由兩種或多種材料組成，組分、結構均呈連續梯度。它要求功能、性能隨內部位置的變化而變化，實現功能梯度的材料。FGM 與混雜材料、復合材料在設計思想、組織結構、宏觀組成等方面有本質不同[11,12]，具體如表 1所示。

表1 功能梯度材料與其他混合材料比較Table 1Comparison of FGM and other mixed materials

3.2.3 功能梯度材料在石油工程領域的應用前景

通過調節梯度材料的結構、組成、配比等，能夠制備硬度更高、抗磨蝕性能更好的材料，可用于制造超強鉆頭，提高鉆頭硬度和耐磨性能；可用于鉆桿節頭耐磨處理，提高使用壽命和潤滑性；可用于泥漿泵缸套、抽油泵活塞等易磨損部位的耐磨處理；可用于射孔彈表面設計，提高射孔彈性能，通過延長壽命，降低成本。

3.3 自愈合聚合物材料

3.3.1 基本技術原理

聚合物材料在長期使用過程中極易受到外力、熱和光、化學腐蝕等的作用，形成細小裂紋，從而影響其使用壽命。為了提高聚合物材料的長期使用穩定性，需要修復聚合物材料當中形成裂紋，使材料的力學性能得到恢復。傳統的修復方法無法對其內部的微裂紋進行修復，因此提出了自愈合聚合物概念，即利用材料的自我感知能力，對材料中的微裂紋產生響應，進而引發自我修復，延長使用壽命。對于聚合物材料的自愈合，通常是將愈合劑用某種方式埋植在聚合物基質中，當聚合物材料產生破裂時愈合劑流出，修復裂紋；或者利用聚合物與單體之間的可逆反應，或通過加熱、光、電磁等引發單體聚合生成聚合物以修復裂紋。

按照不同的修復方法，現有自愈合聚合物主要分為微膠囊法、空芯纖維法、仿人體毛細血管叢法等。其中，毛細管網絡結構和微膠囊以及液芯纖維比起來具有較大的優勢，基體內的三維網絡結構能夠對材料本身起到強韌的作用, 并且毛細管內源源不斷的修復劑能夠起到對材料多次修復的作用, 這將使毛細管網絡結構成為自愈合聚合物復合材料的首選, 并將成為該領域的研究熱點[13-15]。

3.3.2 技術特點

自愈合聚合物的特點在于其自我修復特性。該材料能夠修復材料內部出現的微裂紋。一般需要外接條件（熱、電磁等）引發催化劑和修復劑發生化學反應。

3.3.3 自愈合聚合物材料在石油工程領域的應用前景

自愈合聚合物屬于功能聚合物中的一種，能夠根據環境變化（裂痕、酸堿度等）做出反應，已經作為醫用植入材料、建筑修補材料等得到應用。

在石油工程領域可實現兩大類應用。一是作為井下流體的化學添加劑，可用于自愈合固井水泥、自愈合封堵材料、自反應鉆井液等，根據井下條件的變化發生反應或者變形，從而實現凝固或者封堵作用。二是作為封隔器等工件的構成材料，不但能通過自愈合反應增加自膨脹封隔器的強度和使用壽命，而且能夠根據不同井段環境膨脹或者收縮實現智能封堵。

4 結 論

通過原理分析、信息映射、應用環境對比等手段，把相關學科成熟的知識、技術和方法應用到石油工程領域，已經成為技術創新的一種主要手段。許多其他領域的新技術被改造和移植運用于油氣及新能源勘探開發，并見到良好的經濟和社會效益。因此，國內外油公司和技術服務公司都非常重視相關學科的技術進步。

通過對技術進行特征分析、成熟度分析、適用范圍分析等，得益于氣凝膠-相變微膠囊復合隔熱材料、功能梯度材料和自愈合聚合物各自具有的技術特點，完全能夠用于包覆材料、鉆井液處理劑、隔熱材料等，具有良好的應用前景，需進一步結合石油工程領域的技術需求進行應用開發。

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Application of New Materials inpetroleum Engineering

ZHAO Gu-fan，DI Wei-na，WANG Min-sheng
（Sinopec Research Institute ofpetroleum Engineering, Beijing 100101，China）

With the background of increasing requirements on thepetroleum engineering technology from more high demanding exploration targets, global oil companies and oil service companies are making more efforts to both R&D and application of newpetroleum engineering technology. Recently, the development trends ofpetroleum engineering technology are intelligent and real-time, and meanwhile the development of relevant disciplines has favorablypromoted theprogress ofpetroleum engineering technology. Based on the analysis ofpetroleum engineering technology characteristics, new materials such as new insulation materials, functionally graded materials, self-healingpolymers were studied, and their characteristics and application inpetroleum engineering field were introduced.

New materials;petroleum engineering; Technology transplantation

TE 19

： A

： 1671-0460（2017）02-0302-03

中國石油化工股份有限公司科技項目“非油氣領域技術進步調研及移植建議”，項目號：P13014。

2015-09-21

趙汩凡（1980-），男，北京市人，副研究員，化學博士，2002 年畢業于北京化工大學高分子材料與工程專業，研究方向：從事石油工程技術相關學科前瞻研究工作。E-mail：zhaogf.sripe@sinopec.com。