石墨烯能否助力石油圈

■ 敏 锐

随着油气资源的不断深入开发，常规油气资源的品位越来越差，开发难度进一步增大。作为钻井行业的“血液”输送环节，井筒工作面临着巨大的挑战。经过多年探索，石墨烯材料成为继碳纳米管之后的材料领域的新宠，石墨烯材料领域研发的持续创新将有力促进钻井业的发展。

什么是石墨烯？

石墨烯(Graphene)是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯既是最薄的材料，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%，是目前自然界最薄、强度最高的材料。石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；它非常致密，即使是最小的气体原子(氦原子)也无法穿透。这些特征使得它非常适合作为透明电子产品的原料，如触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。石墨烯目前最有潜力的应用是成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机。用石墨烯取代硅，计算机处理器的运行速度将会大大加速。

石墨烯的结构示意图

实际上石墨烯本来就存在于自然界，只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹就可能是几层石墨烯。

石墨烯的优质特性与广泛用途

——优质的导电性。石墨烯结构非常稳定，石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就会弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了原来结构的稳定性。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中的电子受到的干扰也非常小。石墨烯是目前已知的世界上导电性最好的材料，电子在其中的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。

——出色的导热性。石墨烯具有极高导热系数， 近年来被提倡用于散热等方面，在散热片中嵌入石墨烯或数层石墨烯可使得其局部热点温度大幅下降。中国科学院山西煤炭化学研究所研制出的高导热石墨烯/炭纤维柔性复合薄膜，其厚度在10～200μm之间，其导热系数高达6600W/mK。优异的导热性能使得石墨烯有望成为未来超大规模纳米集成电路的散热材料。

——杰出的机械特性。在石墨烯样品微粒开始碎裂前，它们每100纳米距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.9微牛（μN）。据科学家们测算，这一结果相当于要施加55牛顿的压力才能使1微米长的石墨烯断裂。如果用石墨烯制成包装袋，它将能承受大约两吨重的物品。在塑料里掺入百分之一的石墨烯，就能使塑料具备良好的导电性；加入千分之一的石墨烯，能使塑料的抗热性能提高30摄氏度。在此基础上可以研制出薄、轻、超强韧的新型材料，用于制造汽车、飞机和卫星。

随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破，石墨烯的产业化应用步伐正在加快，基于已有的研究成果，最先实现商业化应用的领域可能会是移动设备、航空航天、新能源电池领域。

近期，石墨烯超级电池的成功研发，也解决了新能源汽车电池的容量不足以及充电时间长的问题，极大加速了新能源电池产业的发展。这一系列的研究成果为石墨烯在新能源电池行业的应用铺就了道路。

由于高导电性、高强度、超轻薄等特性，石墨烯在航天、军工领域的应用优势也是极为突出的。前不久美国NASA开发出应用于航天领域的石墨烯传感器，就能很好的对地球高空大气层的微量元素、航天器上的结构性缺陷等进行检测。

石墨烯在石油工业中大有可为

石墨烯是继碳纳米管之后新一代碳材料。石墨烯不仅是目前单位质量强度最大的材料，还具有独特的导电性能，且易于功能化，使墨烯的应用领域前景十分广阔。目前，石墨烯的复合材料在能量的储存和转化、催化、电子器件、高强度材料、化学和生物传感、生物技术等领域引起了广泛的关注。针对石墨烯的研究和关注还在持续升温。

部分学者针对石墨烯在石油行业的应用开展了研究工作。加入石墨烯以及改性石墨烯的钻井液滤饼薄而致密，能够有效的改善滤饼的质量和减少钻井液进入地层。柔性的石墨烯纳米片能够进入小于自身尺寸的孔隙，钻井液滤液有大量的石墨烯纳米片存在。甲醇改性的氧化石墨烯加入到钻井液中导致更低的滤失剂量。氧化石墨烯具有优异的降滤失性能。

石墨烯作为材料领域的新宠，在石油行业具有广阔的应用的前景。首先，石墨烯材料作为钻井液降滤失剂，展示出优异的降滤失剂性能。石墨烯材料有望展示出优异的抗盐性能，特别是二价金属离子，具有独特的效果。

石墨烯材料边缘带有大量的羧基和羟基等活性基团，通过改性引入氨基等吸附基团，增强石墨烯材料与岩石的吸附作用。大面积高强度的片层材料吸附到岩石表面，阻止水分的进入。石墨烯薄而强度大，大大减少了用量，能够有效降低钻井成本。通过合理的改进，石墨烯材料有望成为独特的页岩抑制剂。石墨烯材料吸附到岩石的表面，由于石墨烯材料的强度比较大，能够承受一定压力，有望解决页岩纳米孔隙封堵的瓶颈。

通过引入与金属离子相互作用的基团，石墨烯材料吸附到钻具的表面，可以在钻具表面形成一层薄膜，这层柔性的薄膜减少了钻具与钻井液、钻具与岩石的摩阻，能够有效提高钻井液的润滑性能。通过引入疏水基团，减少钻具与钻井液的作用力，能够有效的防止泥包、卡钻等事故的发生。

石墨烯材料吸附到岩石表面有利于维持井壁的稳定。作业结束后，在地层压力下，遇到油层后，从岩石表面吸附下来。然后反排至地面。石墨烯材料环保，粘度低，易于反排，在完井液与修井液中有广泛的应用前景。

石墨烯在转向酸化液核心处理剂以及堵漏剂等方面的应用也是大有可为。石墨烯是由强酸氧化而成，在酸性条件下能够稳定存在。通过分子改性、备钙离子敏感的石墨烯材料，有望成为用量少、成本低、性能优异的转向酸。石墨烯与大部分高分子聚合物能够形成弱凝胶体系，这种通过非共价键形成的弱作用力，具有环境响应性，有望成为新一代的压裂液体系。

针对钻井中的恶漏、大漏，目前没有成熟的技术对策，往往不计次数、不计成本地进行堵漏作业。高分子凝胶体系由于不受孔径限制、成胶可控、破胶可控，而成为堵漏方面的新材料。石墨烯可与聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚乙烯醇、羧甲基纤维素形成凝胶体系，增强凝胶的强度。同时，石墨烯材料与岩石具有优异吸附能力，石墨烯与高分子凝胶复合物有望解决恶漏、大漏的问题。

石墨烯材料优异的性能，有望成为新一代的井筒工作液体系，在页岩气、煤层气、致密气等非常规油气资源开采过程中发挥独特的作用，这也是值得石油领域广大科技人员注意的发展趋势。