油藏纳米传感器的研发备受关注

朱桂清，马连山

（1.中国石油集团经济技术研究院，北京 100724；2.中国石油集团海洋工程有限公司，北京 100028）

0 引 言

据美国能源部报道，2006年美国已发现石油储量的67%有待开采，预计其中只有1／4可以用常规方法采出[1]。探测与开采这些剩余油成为诸多石油公司和技术服务公司努力的目标。这些剩余油难于发现和开采，尽管目前用3D和4D地震、可控源电磁技术、先进的建模与模拟技术改善了对油气藏的了解，但这些技术的分辨率和探测深度依然不足。因此，需要研发新的剩余油探测技术。斯伦贝谢公司道尔研究中心的John Ullo指出，“20世纪，石油工业一直注重表征和了解油藏的宏观和微观特征，但随着对提高常规油气资源采收率以及开发非常规资源的关注，石油工业必须在纳米尺度上了解剩余油气的位置。这非常有可能开创新的地学研究领域。”油藏纳米传感器在剩余油探测与开采中的潜在应用，使得一些有实力的公司开始积极投入到油藏纳米传感器技术的研究。另外，世界能源需求的增加，以及油气勘探与开采难度的加大，推动了油藏纳米传感器技术的研究。

沙特阿美石油公司最早于2007年提出了油藏纳米传感器的概念，2008年完成了可行性测试，2010年完成现场测试。2008年，一些大型石油公司和技术服务公司组成的财团也开始了油藏纳米传感器的研究工作。

1 油藏纳米传感器概念的提出及功用

油藏纳米传感器（机器人）的概念是由沙特阿美石油公司于2007年提出的，2008年获《世界石油》杂志评选的新视野奖[2]。

油藏纳米传感器是能够在纳米空间进行操作的“功能分子器件”，不足人类发丝直径的1／1000，通过注入水进入油藏，在地下旅行期间分析岩石及所含流体性质，将信息存储起来，在生产井中随原油产出并被回收，数据下载后可以得到多种储层和流体参数：压力，温度，渗透率（相对），孔隙尺寸、孔喉和孔隙几何形状，应力状态，油、气、水及腐蚀性气体（CO2、H2S），油气类型，pH 值，黏度，油气水饱和度和润湿性等（见图1和图2）[3]。根据这些测量结果，可以得出油、气、水的空间分布以及剩余油气的位置，地层形态、油藏分隔情况、天然裂缝分布、断块几何形态、人工裂缝几何形态等（见图3）。

油藏纳米传感器在油气勘探与开采中具有多种应用，包括辅助圈定油藏范围、绘制裂缝和断层图形、识别和确定高渗透率通道、寻找油田中被遗漏的油气、优化井位、设计和生成更现实的地质模型等，还有可能将化学品送入油藏深处提高油气产量。

图3 测量流体和地层界面的空间分布

2 油藏纳米传感器研发机构与研发方式

目前，从事纳米传感器技术研究的机构主要有沙特阿拉伯阿美石油公司的勘探与石油工程中心——先进研究中心（EXPEC ARC）和先进能源财团（AEC）。

EXPEC ARC从事上游领域的地下技术研究，研究人员来自20多个国家，大多来自北美和沙特阿拉伯。多数专家具有广泛的专业研究领域，包括石油工程、地学、数学、计算机学及科学与工程领域，其中2／3专家拥有理学硕士或博士学位。

AEC是由世界上最成功的一些石油公司和技术服务公司组成（2008年创建），包括BP美国公司、贝克休斯公司、康菲公司、哈里伯顿公司、马拉松石油公司、西方油气公司、巴西国家石油公司、斯伦贝谢公司、壳牌和道达尔公司（见图4）。AEC总部位于休斯顿，由得克萨斯大学奥斯汀分校的经济地质局代表各成员管理AEC的各项事务，莱斯大学作为主要的技术合作伙伴。该财团每年投资数百万美元，致力于利用纳米技术勘探与生产油气，研发地下微传感器和纳米传感器，在三维空间表征油藏及其所含流体。主要目标之一是开发可以注入到油气藏的地下微传感器与纳米传感器，采集有关油气藏物理性质的数据，以便更好地表征油气藏，有效开发油气资源。

图4 AEC的10家成员公司

AEC创建的目的是努力成为合作研究和学术联络的枢纽，将世界各地工业组织和学术机构最好的科学家与工程师聚在一起，进行技术开发。过去2年，AEC对征集（面向南美、北美和欧洲的研究机构和大学）的150多个项目进行了评估，最终选取了34个研究项目进行投资，2008年启动了21个项目，近期将向另外13个项目提供研发资金。AEC每年提供800万美元，作为1年的研究经费，每年要对每个合同进行评估，决定是否继续（见表1）。

AEC最初资助的项目基本上全部由大学承担：包括阿尔伯塔研究理事会、波士顿大学、加州理工学院、佐治亚理工学院、哈佛大学、京都大学、路易斯安那州立大学、美国麻省理工学院、东北大学、西北大学、宾夕法尼亚州立大学、莱斯大学、塔夫茨大学、卡尔加里大学、加州大学伯克利分校、加州大学圣地亚哥分校、密歇根大学、俄克拉荷马大学、得克萨斯大学奥斯汀分校等。

3 油藏纳米传感器的研发现状

纳米机器人在油藏表征及剩余油探测中有巨大的应用潜力，因此受到了许多石油公司和技术服务公司的关注，近年来取得较大进展。沙特阿美公司2008年完成了油藏纳米机器人的可行性研究之后[4]，2010年6月首次在油藏条件下成功地完成了油藏纳米机器人的现场测试，为充分开发油藏纳米机器人精确表征油藏及优化油藏管理战略和提高采收率的能力奠定了坚实的基础[5]。

目前，EXPEC ARC已经研究了油藏纳米机器人（Resbots）在地下成功“旅行”所必需的一些重要因素，包括尺寸、浓度、化学性质、与岩石表面的相互作用、在油藏孔隙中的运动速度等，并于2008年完成可行性研究，2010年完成现场测试。在2010年6月的单井测试中，将250桶稀释的纳米机器人溶液随注入水注入Arab-D地层。使用的纳米油藏机器人的平均尺寸为10nm（约是人类发丝直径的1／10000）。注入后井被关闭，然后投入生产。用荧光光谱对产出的样品进行分析，以评估纳米机器人的回收率。样品分析结果证实，纳米机器人具有非常高的回收率，其稳定性和液压流动性也很好。这些Resbots尚无探测能力，下一步研究的重点是增加其探测能力。

AEC对纳米传感器的研究起步较晚，其资助的莱斯大学已经制造出纳米机器人（Nanoreporters），目前正在岩心中进行测试，并已证实可以吸附在分子上，能够通过并分析土壤样品，下一步将使纳米机器人通过钻井岩心。AEC资助的另一所大学——得克萨斯大学完成的一些研究项目已初具规模。这些研究项目主要集中在4个技术领域。

表1 AEC 2008年启动的21个研究项目相关情况

（1）造影剂——增强分散于压裂液或注入液中的分子或纳米粒子的电磁、声波或其他特性，提高井眼、地面或井眼－地面成像方法的分辨率和探测能力。

（2）纳米材料传感器——分子与材料传感器，当储层物理或化学条件不连续或阈值水平发生变化时，显示出可探测的状态改变。

（3）微电子／纳米电子设备——测量油藏特性，存储或将数据传回井眼。

（4）纳米材料传输和流体流动的基础研究。

这些研究的目的是开发能够优先吸附在油水界面上的顺磁纳米粒子，并对其进行遥测。此外，还在开发实验室测量与现场测量相关的理论模型，如获成功，这种新的探测方法可以确定油藏的流体饱和度，探测深度远远大于核磁共振成像测井。微传感器与纳米传感器的探测范围很广，介于测井与地震之间，垂直分辨率要高于测井与岩心分析（见图5）。纳米技术和微观探测技术的发展与应用将使油藏监测、管理和提高采收率发生革命性的变化。

图5 纳米传感器与测井和地震测量探测深度及分辨率的对比

4 油藏纳米传感器研究面临的挑战

（1）传感器的布署：如何将传感器送入油藏、在无流体动力或与流体动力方向相反的情况下如何使传感器在油藏中运动（有源或无源）、如何为有源传感器提供动力并使其向需要的地点推进、如何实现传感器在非均质油藏中的均匀分布、在恶劣环境下如何保护传感器、如何回收传感器（无源情况下）。

（2）遥测／定位：如何从数百万个传感器中实时提取数据（通讯／采集）、如何确定每个传感器的空间位置以及采集数据的时空地理定位。

（3）数据采集：如何探测被绕过的油气（经常在流动通道之外）、如何增加传感器的探测深度、如何读取数据。

（4）数据处理：如何有效处理、分析和使用采集的数据，有效开采油气。

5 油藏纳米传感器研究发展前景

据沙特阿美公司从事纳米机器人研究的科学家预测，未来将会研发出3种基本型油藏纳米传感器。

（1）无源传感器（最简单）——分子传感器。主要研究领域：成像（对物体更好成像的造影剂）；靶向成像（确定物体如油气的位置）；注入与回收（感知周围环境，必须回收并在实验室分析）。

（2）有源传感器（较先进）——尺寸必须缩小的传统电子传感器（微电机系统；纳米电机系统，尺寸为100～1000nm），可以探测地下环境（压力、pH值、矿化度、饱和度等）

（3）反应型传感器（最先进）——当纳米传感器在地下旅行时，可以对油藏进行干预以改变不利的油气开采条件，例如，在油藏最需要的地方，完成靶向化学品传送。

虽然目前的纳米传感器尚无探测能力，是首要解决的问题。但一些科学家认为纳米传感器的前景非常广阔，可以提供近乎无限的可能性，有助于延长油气开采和供应期限。

[1]LOUISE S DURHAM.Researchers Are Thinking Small[EB／OL].http：∥ www.aapg.org／explorer／2009／08aug／nan0809.cfm.

[2]The 7th Annual World Oil Awards[J].World Oil.2008（11）：123-137.

[3]The Advanced Energy Consortium：Funding and Conducting Pre-competitive Research in Micro-and Nanotechnology for Improving Reservior Understanding[EB／OL].http：∥www.beg.utexas.edu／aec.

[4]Resbots Pass First Reservoir Feasibility Tests[EB／OL].http：∥www.aramcoexpats.com.

[5]Nanobot Trial a Winner[EB／OL].http：∥www.aramcoexpats.com.