纳米材料技术在石油工业中的应用

1 纳米技术引领油气工业的未来

据美国《勘探与生产》2010年9月1日报道，随着油气工业步入21世纪，上游领域为了提高油气采收率而不断开发新技术。

1985年，休斯顿赖斯大学研发出第一个“纳米分子”碳60。1996年，Richard Smalley博士和 Robert Curl博士因该发现获诺贝尔化学奖。2005年，Smalley博士去世后，赖斯大学的纳米中心更名为Richard E.Smalley纳米科学与技术研究所，主要致力于纳米领域的创新研究。

Smalley研究所所长Wade Adams博士认为，目前的纳米研究在未来10～50年内，将会对油气行业上游领域产生巨大影响，并宣称其正在研制的碳纳米管纤维，理论上的强度远高于现有任何已知的纤维。

目前，碳纤维已用在波音787和空客380上。碳纤维强度为6吉帕，在实验室中碳纳米管纤维的强度为碳纤维的2倍，而理论上应为碳纤维强度的20倍。从本质上讲，这将使一个标准的SUV车的重量减少2/3，并能保持足够的强度抵御意外事故。

碳纳米材料只是当前纳米技术研究中的一小部分。纳米技术最初面临的挑战是如何开发纳米材料，而现在这个问题正在解决，现在工程师们开始考虑这些纳米材料的用途。纳米技术在油气行业的应用潜力是无限的，通过注入“纳米探测者”于油藏中，能够精确描述油藏。

随着油田的不断开采，目前大部分油田40%的储量已被开采出来，剩下的60%仍然很可观。为开发这些储量，需要支持纳米技术的长期研究，在未来10年里逐步提高石油产量。每隔10年纳米技术就会更加先进，而与此同时油价将继续上涨。未来10～30年里，纳米技术用于油气行业上游领域，将极大地提高油气采收率。

目前，包括航空和医药在内的一些行业正在进行纳米技术方面的创新。与其他多数行业相比，石油公司在纳米技术方面的研发相对少一些，而现在企业对技术创新的依赖程度比以往任何时候都要大。比如在医学领域，正在开发纳米材料用于治疗癌症，设计的纳米微粒在人体的含盐血液里发挥作用。同样，生产石油的地下储藏流体与人体含盐的血液有相似性，纳米微粒在血液中发挥的作用同样可以在储藏流体中实现。

赖斯大学的科研经费在不断增加，从300万美元/年增加到1500万美元/年，其中大部分用于纳米技术的研发。投资于今天的新技术研发，很有可能给未来的油气行业带来长期收益。

2 石油工业受益于纳米技术

由于在大宗材料中只需添加少量纳米材料就可明显改变其光、磁、电性质，并形成具有各向异性的结构，纳米材料因而成为制造传感器的优良材料，而且有加强图像对比度的作用。

利用很多纳米材料具备的各向异性，可以使材料渗滤作用具有很强的方向性，因而能在不同方向上观察到差异很大的电学性质和力学性质。

这类纳米材料与智能液体相结合，可以做成对温度、压力和井下应力极为敏感的传感器。这种传感器最大的应用价值在于，无需接触就可获得所需要的参数(温度、压力、应力)，而且利用纳米颗粒独有的光学特征表现(光吸收及荧光)，无需对信号进行放大。

同样，利用先进的磁探测器、分光探测器及改进的电脑，纳米颗粒可以在成像过程中成为明显的标识。经过化学改性处理的纳米颗粒集合成不同的流体域或孔洞，通过实时监测油藏和其中流体的流动状态，就能有效提高波及效率，提高油气采收率。而且，这种先进探测器的纳米颗粒用量很少，用于开发测试小井眼的仪器和方法，可最大限度地缩小钻井占地，降低钻探成本。

另外，纳米材料可以制做面积大、重量轻而且牢固的纳米膜，新一代的纳米膜可用于分离重油中的金属杂质和致密地层天然气中的杂质。利用微电子工业中的常规技术，制造高度均一可再生重复使用的纳米膜的成本在市场上具有竞争力。这类纳米膜可用于脱除杂质、分离气流，提高天然气合成油的产量。

纳米材料、纳米成像和纳米膜在油气工业炼制加工方面大有用场。人们关心的是，纳米颗粒对人的健康、对环境的影响，以及在生产中大量应用纳米材料的成本。另外，对纳米颗粒的解析和性质进行定量研究的工具还有待于开发。这些都是科技界正在研究而且今后几年仍要继续研究的问题。从长期看，纳米技术将有助于石油炼制、钻井与环境问题的综合解决。

3 碳纳米管可提高油田产量

日本信州大学的科学家2008年10月开发出在石油工业中使用碳纳米管来提高油田产量的技术，有望实现产量大幅度提高。

据报道，研究小组负责人远藤守信说:“在钻井系统中使用碳纳米管可以开采到蕴藏在更深处的石油，将油井的产量提高35%到70%。”

远藤说，高温和高压是影响油田产量的主要障碍，在石油开采过程中，在钻探杆中使用碳纳米管能够使钻井工具承受260摄氏度的高温和每平方厘米2.4吨的压力。

他预计，这项新技术可在两年内用于石油生产。

4 纳米技术可望用于提高油气采收率

2009年4月8日在美国休斯敦召开的RMI油田开发论坛上，从事石油开发和生产的Meridian资源公司总裁Paul Ching表示，以原子和分子范围对物质进行控制的纳米技术可望用于使石油和天然气采收率平均提高十个百分点。

先进能源财团(Advanced Energy Consortium，AEC)和位于Austin的得克萨斯大学正在从事这方面的纳米技术研究。

研究人员表示，使用纳米传感器有潜力可评估油气藏孔隙空间内岩石和流体的性质。

现在平均的油气采收率为28% ～30%，采用纳米传感器可望进一步提高油气采收率，据估计，气藏孔内纳米传感器的商业化应用将在5～10年实现。

纳米技术在石油和天然气工业中应用的研究将使开采所用材料和流体更为先进，预计在今后5年内这些领域纳米技术的应用将会呈“爆发性”发展。

5 新型采油材料与技术在我国问世

针对目前我国主力油田大部分已进入高含水(90%以上)和高采出程度(20% ～35%)的现状，中国科学院理化技术研究所研究员的光聚合与高分子材料研究组，在深入了解我国油田的地质特征、油藏特性以及开发历程的基础上，研制出可大幅提高油田产量的纳微米逐级深部调驱材料。该技术已经得到我国相关油田的高度重视，有望在‘十一五’期间获得广泛推广应用。

目前该材料和相关技术已在多个不同地质条件和开发程度的现场进行了实验，结果表明，该材料可以进入油层地层深部至少几十米甚至上百米，在地层深部形成有效的封堵，对应油井含水量明显下降，原油产量大幅度提高，地质对应单井原油产量提高幅度达300%，有效期已经超过7个月。

据了解，在油藏的开发过程中，注水开发是补给地层能量、提高石油采收率的最经济和最有效手段。由于我国油藏大部分属于陆相沉积，含油饱和度相对较低，储层分散，渗透率级差大，因此，注水开发往往形成水相大型渗流通道，注入水不能在油藏中有效地推动原油，很快地从油井流出，形成无效循环，致使油井含水量上升很快，造成水淹。现有的调剖材料和技术基本上都存在不能进入地层深部，只是在近井地带形成短小封堵，或者存在稳定性和可靠性差、成本高等问题。

纳微米逐级深部调驱材料的设计原理是利用纳微米尺寸的聚合物凝胶，保障材料可以沿渗水通道顺利进入地层深部，遇水膨胀后，通过对渗水通道孔喉的封堵，造成水流改向，实现注入水波及体积的扩大。其工业化应用的关键是解决如下两方面问题:一是廉价稳定生产纳微米凝胶技术;二是纳微米凝胶水化膨胀和尺寸控制技术。理化所研制的纳微米逐级深部调驱材料解决了这些问题。

该项目的研发成功为我国‘三采’技术的应用提供了更为广阔的空间，为油田的注水开发提供了可靠、高效、经济的提高采收率途径，是我国老油田改造和稳产的重要技术手段之一，将为我国的石油工业作出不小贡献。

6 纳米粉体增注技术破解增注难题

2007年1月，一种纳米粉体复合增注技术，在中原油田采油二厂濮3－447和濮3－283两口注水井上进行了技术先导实验，并获得了重要的试验数据。

过去，由于完不成配注水量，给对应的油井带来严重影响。该厂有关技术人员对这两口井实施了技术攻关，他们经过反复论证最终选用纳米粉体复合增注技术。该技术是利用酸、碱等解堵材料与纳米材料复合一起增注。施工前首先对地层进行预处理，清除近井地带孔隙中的油膜及地层中黏土以及钻井液中的机械颗粒，以便纳米粉体能牢固吸附在孔隙表面，然后将具有极强憎水亲油能力的纳米粉剂挤入地层。当纳米材料吸附到亲水砂岩表面后，会改善水油两相中水相的渗透率，从而大大地降低注入水的流动阻力。

据现场了解，这两口井分别注入降压增注剂40立方米，降压增注效果明显提高。

7 提高石油采收率的纳米有机金属活性复合物

提高石油采收率的纳米有机金属活性复合物由山东油化化工科技有限公司研制成功，并通过新产品鉴定。

纳米有机金属活性复合物利用模板法原理，在活性聚合物中导入具有催化活性和磁性的油溶性纳米金属复合物。经中国石油和中国石化两大公司的有关油田试用，效果显著: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;提高稠油采收率约15%，并改善了原油品质;不含硫和氯，因此不对原油产生新的污染，有利于原油的炼制;对含原油的地层没有损害等。至今国内外真正将油溶性纳米金属复合物用于油田，提高稠油采收率的生产还未见报道。目前，中国石油的苏丹油田、委内瑞拉油田和我国的稠油开采都准备使用该产品。

(以上信息由钱伯章作者提供)