纳米发电机在油气田开发工程领域应用前景

付亚荣

中国石油华北油田分公司第五采油厂

纳米发电机在油气田开发工程领域应用前景

付亚荣

中国石油华北油田分公司第五采油厂

引用格式：付亚荣. 纳米发电机在油气田开发工程领域应用前景［J］.石油钻采工艺，2016，38（4）： 531-535.

纳米发电机将科学预言变成了现实，开启了纳米科学和技术的新篇章，引起了全球研究者的研发热潮。纳米发电机能将微小物理变化产生的机械能或热能转换成电能。针对油气田开发过程中微供电系统的现状和瓶颈，融合不同的纳米发电机发电机理，展望了在石油勘探开发的旋转导向钻井和随钻测井、智能完井、智能分注、智能分采、油（气）水井测试、油田生产数据自动采集（传输）与控制等领域综合应用纳米发电机的前景。预示着石油勘探开发领域的微供电领域将迎来颠覆性的革命。

纳米发电机；油气田；勘探开发；应用前景

2006年，王中林研发团队率先在原子力显微镜下研制出将机械能转化为电能的纳米发电机［1-2］，开启了纳米科学和技术的新篇章，将理查德·费恩曼纳米科技的构想变成了现实。同年4月出版的Science周刊对此进行了长篇的报道［3］，引起了全球研究者的研发热潮。纳米发电机能将微小物理变化产生的机械能或热能转换成电能，主要有压电式、摩擦电式、热释电式3种类型［4］。压电纳米发电机所处的环境中存在如微风、声波、超声波、噪声和机械振动等机械能，使压电材料发生形变，在材料表面产生了压电势，从而实现机械能向电能的转变；摩擦电纳米发电机根据摩擦起电和静电感应原理，将外界机械能转化为电能［5］；热释电纳米发电机是采用具有热电性的铁电材料薄膜制备的［6］。王中林团队2011年研制的压电纳米发电机的输出电压达到58 V，电流高达100 μA，可直接用来驱动一般的小型电子产品［7］；2012年该团队利用锆钛酸铅（PZT）薄膜研制出了热释电纳米发电机［8］；2014年研制的12 mm×12mm×0.7 mm摩擦纳米发电机首次利用呼吸产生的电能驱动心脏起搏器，对于植入式医疗器件的发展意义重大［9］。输出电压高达200～1 000 V、输出电流为100 μA、仅3 cm2大小的单层摩擦纳米发电机，可以瞬时带动几百个LED灯、无线探测和传感系统、手机电池充电等。因此，21世纪对自驱动电源的需求将会有一个爆炸性的“井喷”增长。除了在医药、通信海洋工程领域的研究应用，纳米发电机的研发能否在石油勘探开发领域如旋转导向钻井系统、随钻测井系统，智能完井［10-11］，智能分注［12-13］，智能分采［14-15］，油（气）水井测试［16］，油田生产数据自动采集、传输与控制［17］等供电电源方面迎来颠覆性的革命。

1　油气田开发领域自驱动电源现状Oil-gas field development since the drive power status

1.1旋转导向钻井与随钻测井

The rotary steering drilling and logging while drilling

旋转导向钻井与随钻测井技术可实时反映定向井、水平井的地层特性，进行地质导向钻井，通常采用锂电池和井下涡轮发电机为其系统提供电能［18］。但锂电池如受温度影响很大且寿命较短［19］。井下涡轮式发电机，在含有固相颗粒的钻井液中高速旋转，轴承、密封件等运动部件快速研磨和冲蚀，使用寿命短［20］，同时，因钻井液排量和发电机电磁扭矩波动造成系统共振，引起磁耦合器失步（滑脱），产生不稳定电流，导致旋转导向钻井和随钻测井工具空间角度的振荡摆动、控制失稳［21］；带有井下涡轮式发电机的旋转导向钻井与随钻测井仪器长13.6 m，重达2 000 kg［22］，现场维修十分困难。

1.2智能完井

Intelligent well completion

智能完井是在井下放置智能工具，实时采集油层压力、温度、流量等参数，通过通信电缆或光缆将采集的数据传输到地面决策系统［10］。智能完井技术可以控制多层合采、多分支井监控或使单井眼同时具有注水、监测和生产的功能，使单井眼完成多口井的任务［11］。随着技术的进步，设备可靠性逐步增强，可明显减少修井作业，但控制井下温度、压力的采集、智能节流器工作的电源受到使用寿命和耐温的限制［23-24］，影响着油气井的免修期。

1.3智能分注

Intelligent hierarchical injection

智能分注是以机电一体化测调为核心，将井下控制器、智能配水器的水嘴、控制电机、电池、流量计、压力传感器等安装在特定的保护腔内［25-26］，实现桥式同心和桥式偏心分注，电池的寿命决定测试的效果，也决定了分注的有效期。

1.4智能分采

Intelligent hierarchical production

分层采油是解决层间矛盾的方法之一［27-29］。智能分层开采是在井下用封隔器分隔开的每个目的层位安装1套智能开关器［30-31］，智能开关器按照设定的指令打开或关闭液流通道、调整其开关器的开度控制各层的产液量。开关器完成指令需要电池驱动电机来完成，而目前智能分采器所用电池使用寿命仅为18个月，耐温120 ℃。

1.5油（气）水井测试

Oil （gas）and water wells testing

在生产测井和试井中经常发生测试电缆或钢丝缠绕油管，甚至造成测试仪器落井的事故［31-32］。除了井深、井斜角增大的原因外，还有测试仪器中因电池容量需求而使仪器长度增加的因素。开发微型测试仪器电池成为亟待解决的问题。

1.6油田生产数据自动采集、传输与控制

Oilfield production automatic data acquisition，transmission and control

智慧油田建设已成为必然，可实现油水井、计量站、集油站、联合站等生产实时监控、数据实时采集、危害预警远程控制等操作［32-33］；特别是油水井井口温度、压力、流量等参数采集、传输，传感器所用电源受环境、气候影响很大，且使用寿命1～1.5年，更换不及时易造成数据的漏采和丢失。

2　纳米发电机在油气田开发领域潜在应用Nano generator potential applications in the field of oil-gas field development

3种类型的纳米发电机可以将油气田开发地下、地面环境中的各种各样的振动能、生物能、太阳能和热能转化为电能，并具有可持续供电的特点［34］，有望成为油气田勘探开发中自供电电源。

2.1压电纳米发电机应用前景

Potential applications of piezoelectric power

压电纳米发电机利用纤锌矿结构ZnO纳米线的半导体性能和压电效应［35］，外力（机械振动）存在时纳米线产生单轴压缩，产生负压电动势的纳米线尖端费米能级升高，电子从外电路自尖端向底部流动产生一个尖端正电势，金属电极与纳米线的肖特基接触产生肖特基势垒，尖端电势永久保持产生电流。

旋转导向钻井与随钻测井实时测量系统依靠井下涡轮式发电机供给电能；如果能将钻井过程中产生的机械振动有效利用，促使压电纳米发电机中ZnO纳米线压缩产生电流，供给测井仪器正常工作，则可大大减小电源尺寸，提高能量密度与效率，延长仪器电池的使用寿命；同时，也能减少旋转导向钻井与随钻测井仪器的长度和重量，使钻井施工和仪器的维修更加方便。

将压电式纳米发电机引入智能完井、智能分采技术，当地层流体沿井筒被举升至地面，流体流经井下开关控制器时，会产生液流振动引起纳米发电机发电，供给开关控制器完成预设工作，解决现有井下电池寿命短和耐温限制问题。而智能分注是利用井下控制器、智能配水器按油田开发方案将从井口注入的高压流体分配给各油层，满足均衡动用各油层和提高差油层的动用程度的需要。高压流体从井口进入各油层的过程中，能够使植入井下智能工具中的压电式纳米发电机随着流体振动产生电流；如果将油（气）水井测试仪器中锂电池更换为纳米发电机，仪器的下入和测试过程中均会产生机械和流体振动，或可以利用纳米发电机将其转换为电能，这样可减少整个测试仪器的长度，减少测试钢丝或电缆缠绕油管和仪器掉井的机率。

2.2摩擦电纳米发电机应用前景

Potential applications of triboelectric nano generator

摩擦电纳米发电机利用的是摩擦电电势的充电泵效应［34］，贴合在一起的2种镀有金属电极的高分子聚合物薄膜在外力作用下发生机械形变，两层聚合物膜之间相互摩擦，产生电荷分离并形成电势差；金属电极通过静电感应可在表面生成感应电荷。感应电荷在摩擦电电势驱动下流经外电路即可形成电流。

旋转导向钻井与随钻测井过程中，高压钻井液在钻具内外产生流动摩擦阻力和振动，如果能够使高分子聚合物薄膜发生机械形变、相互摩擦，生成感应电荷，即可利用串联或并联电路将摩擦电纳米发电机和压电式纳米发电机组合形成“互补”，提供更优质的电源。

目前智能完井、智能分采所用的电源，大部分采用美国Wilson Greatbatch Ltd. 生产的3B2800EI锂电池，耐温150 ℃，寿命18月，电池使用寿命小于油井长寿时间；同时，随着电池使用时间的延长，电量逐渐降低，井下智能控制器失去作用。油井产出液从井底被举升到井口将产生流动摩擦阻力，或可用来诱导摩擦电纳米发电机发电，消除电池与油井长寿时间不同步所造成的不必要修井作业。智能分注中高压水从井口往地层注入过程中，流经配水器也会产生很大的摩擦阻力，若能用于使摩擦电纳米发电机发电，则可克服锂电池调配次数的限制。油（气）水井进行压力恢复测试时，有时会因井下电子压力计电池故障，造成所录取资料失真或丢失；随着油井压力的恢复、静液面的上升，同样会对测试仪器产生摩擦阻力使摩擦电纳米发电机发电。

2.3热释电纳米发电机应用前景

Potential applications of pyroelectric nano generator

热释电纳米发电机是利用具有比其他铁电体更优良的压电和介电性能锆钛酸铅薄膜制备的。环境温度的变化可改变薄膜自发极化，驱动外电路产生电流。具有较大输出电压、较小输出电流的热释电纳米发电机常常用作潜在电源和作为主动传感器测量环境温度变动，这意味着有望用于24 h不间断运行的油田生产数据自动采集、传输与控制系统。

安装在室内或室外的压力变送器、温度变送器、电子流量计等油田生产数据自动采集、传输与控制设备每天都在感受昼夜温差的变化，用热释电纳米发电机替代锂电池维持其正常运行，可能采集到的数据会更准确，传输速度也会更快，控制更到位。

3　结论Conclusions

（1）不同类型纳米发电机发电机理不同，在油气田勘探开发微供电领域具有广阔的潜在应用前景。

（2）每种纳米发电机都有优缺点，若将不同种类纳米发电机集成将会更好地满足油气田勘探开发过程中微供电系统的需要。

（3）探索适合纳米发电机的能量收集电路，将不同类型纳米发电机产生的电能进行转换存储，对于实现油气田勘探开发过程中微供电系统的稳定运行意义重大。

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（修改稿收到日期 2016-03-05）

〔编辑 付丽霞〕

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.

付亚荣（1964-），华北油田分公司一级工程师，高级工程师，从事采油工艺研究工作。通讯地址：（052360）河北省辛集市华北油田分公司第五采油厂。电话：0317-2742299。E-mail：cy5_fyr@perochina.com.cn