在石油勘探开发领域大有作为的纳米技术——访中国工程院院士刘合教授

■ 本刊特约记者 王大锐

纳米技术、信息技术、生物技术是21世纪社会发展的三大支柱。纳米技术包括纳米材料设计、制造，纳米测量等技术，已在电子、生物、医疗、航空、军事以及能源领域得到了广泛应用，而纳米材料因尺度效应具有的独特的光、电、热、磁性能已成为学术界和工业界的研究热点。近些年来，纳米材料与表征技术逐渐渗透进入传统化石能源及新能源领域。为了更多地了解现有纳米技术在石油勘探开发领域的研究情况，我特意采访了中国工程院院士、中国石油勘探开发研究院总工程师刘合教授。

刘合教授在国外做报告

问：“纳米技术”是当前相当“火”的名词，在油气勘探领域主要有哪些应用的进展？

答：纳米技术的持续创新和应用深化将促进传统石油开发技术的快速发展，并已经产生了部分应用成果：一是纳米精细表征技术实现有效储集空间评价；二是纳米传感与纳米显影技术提高了油藏特征参数监控与精度描述水平；三是纳米分子模拟技术准确揭示了油气吸附、脱附机理及非达西模型下油气的运移规律；四是纳米新材料为钻井、非常规储层改造及提高采收率等领域提供了有效的技术支持。

问：什么是石油工业中的“纳米表征技术”?

答：纳米表征技术是指针对纳米材料的物质组成、结构与性质进行的有关分析、测试，也包括测试工具与方法的研发，主要包含以下三个方面的表征：一是物质组成方面，指构成纳米材料的化学元素及其相关关系；二是纳米材料的结构方面，指材料的几何学、相组成及相形态等；三是纳米材料的性质方面，指材料的力学、热学、光学、电学、磁学等物理性质以及化学性质的测试，涉及多种方法、技术与装备。

近年来，储层表征分析已初步实现从宏观到微观，从二维到三维的跨越式发展。随着储层研究的不断深入，研究领域将更进一步地迈向更细微至分子、原子级的机理研究，以及温压作用下的原位研究。TEM、扫描隧道显微镜、超高分辨率荧光显微镜、原子探针等超微区分析方法将被引入石油工业中来。另外，在地层温度、压力作用下，流体在储层岩石多孔介质材料中的微观运移规律，流体矿物骨架在多物理场中的流固耦合，矿物的微观演化，也将成为今后研究的重点。大型设备的原位分析表征附件的开发，以及同步辐射光源为射线源的多种微、纳米分析原位表征技术将为原位表征提供技术支撑。

问：“纳米传感技术”都有哪些内容？

答：在各工业领域，人类对微型多功能设备的渴求从未停止，在石油工业，人们希望制备专门针对储层描述的纳米传感器，并提出了储层纳米机器人的构想。

20世纪90年代末、21世纪初，在微机电系统（MEMS）基础上，人们又进一步提出了纳机电系统(NEMS)的概念，NEMS是特征尺寸在1～100nm、以机电结合为主要特征，基于纳米级结构新效应的器件和系统。NEMS是真正基于纳米材料纳米效应的微器件，纳米材料的优异性能可以集成进来，并且其纳米级的尺寸使注入储层微米孔隙成为可能。

储层纳米机器人是人们设计的集成储层传感器、微动力系统、微信号传输系统为一体的微型储层探测设备。该构想已不仅停留在实验室设计阶段，沙特阿拉伯国家石油公司-阿美公司已提出并研发了一种基于化学分子系统和机械系统有机结合的油藏纳米机器人，并且于2010年6月首次成功地进行了油藏纳米机器人的现场测试。测试结果证实：纳米机器人具有非常高的回收率，携带纳米机器人的流体也具有很好的稳定性和流动性，该技术被列入2010年十大石油科技进展。但储层纳米机器人仍面临研发成本、稳定性、流动性、可靠性、信号检测、回收分离等难题，仍有很长的路要走。

问:“微观数值模拟技术”是指什么？

答：基于量子物理与化学，分子模拟的技术可以模拟分子体系中各种物理和化学过程，从微观尺度揭示成分、结构与性能、现象之间的关系。在纳米多孔材料领域，分子数值模拟涉及到各种烃类分子、沥青质、环形结构、链烷烃和甲烷等。在分子模拟研究气体吸附-解吸附过程中，人们采用石墨、蒙脱石、氧化硅等壁面来模仿页岩等天然储层的孔隙结构。然而，由于狭缝孔模型较简单，多种地层条件参数未全面考虑，导致模拟的吸附等温。对气体分子的模拟研究，油相对气体来说分子量大、成分复杂，以液态或半固态形式赋存于储层中，针对于致密储层油的液-固相互作用的分子模拟研究较为复杂，开展工作较少。

问：纳米技术在生产实践中的应用前景如何？

答：纳米技术在油田生产应用最直接的体现就是在油田开发各阶段加入具有纳米尺度或纳米特性的纳米颗粒或纳米乳液，统称为纳米化学剂。由于纳米化学剂尺寸小、比表面积大，所以纳米颗粒表面原子数、表面能和表/界面张力随粒径的下降急剧增大，使其流变性、润湿性改变、表面效应、微粒运移等方面表现出异于常规化学剂的特性。

油田开发过程中岩石、粘土等微粒不可避免的会发生不同程度的运移，导致多孔介质的渗透率降低，对油藏或储层造成一定伤害。通过纳米材料或乳液可以寻找不同的解决方案，含有纳米粒子（氧化镁、二氧化硅和三氧化二铝）的纳米流体具有较低的油水界面张力，具有很强的吸附倾向，一方面，纳米流体可以进入不同孔隙的储层单元；另一方面，由于纳米流体可与孔隙产生范德华力的相互作用，当大量的纳米流体覆盖多孔介质并吸附在岩石或粘土表面，利用纳米流体之间的双电层排斥力固定微粒位置，防止微粒运移，有效抑制粘土膨胀和分散。

现有堵水、调剖材料均主要以凝胶、体膨颗粒及聚合物微球为主，材料无法实现自身形变，材料物理化学性能不能随着外界条件发生变化。纳米材料的剪切增稠特性为此提供了一种可选择的技术手段。

纳米光催化氧化技术是基于光催化剂在紫外线照射下具有的氧化还原能力而净化有机污染物，该技术特别适合有机物的净化，在油田污水的深度净化方面显示出了巨大的应用潜力。将光催化技术同其它处理技术联合应用，可以大大的拓宽其应用领域。如光电催化技术，将光催化和电化学联用的新型深度氧化技术。纳米光催化氧化技术的研究已日趋完善，有望应用到油田污水处理的基础科学研究中。

在采油工程领域，很多地面和井下工具都面临着摩擦、磨损和腐蚀及高温高压、高含H2S和CO2等问题，不仅造成工具损坏、腐蚀、成本增加和产量降低等问题，还增加了作业风险和环境污染等负面影响。例如常见的关键易损零部件有钻头、膨胀锥、柱塞、转子、光杆等，而高性能纳米涂层有望解决上述难题。新型高硬度耐磨纳米涂层不同于传统单相纳米晶等耐磨涂层技术，主要是利用两相陶瓷在微结构方面进行周期性调制，形成共格外延生长的纳米多层膜结构以获得高硬度及耐磨性能；或利用两种纳米晶陶瓷材料进行复合，形成纳米超硬复合膜结构以获得高硬度及耐磨性能的先进技术，可满足石油钻头表面对超高耐磨耐热氧化性能的需求。