纳米技术在测井领域应用展望

孙建孟, 李志琦, 赵鸿皓, 刘尊年

(1.中国石油大学(华东)地球科学与技术学院, 山东 青岛 266580; 2.青岛理工大学理学院, 山东 青岛 266520)

0 引 言

纳米技术(nanotechnology)是用单个原子、分子制造物质,研究结构尺寸在1～100 nm材料的性质和应用的科学技术[1]。纳米微粒是指尺寸介于1～100 nm的单质或聚合物小粒子,由于其微小体积的特殊性,它们呈现出与宏观物质有所不同的独特的电、磁、热等性质[2]。近40年内,纳米科学融合物理学、化学、材料学、生物学、医学等多个不同学科的理论基础,在信息、能源、微电子、医学等领域显示出广阔的应用前景。自20世纪90年代起,纳米科学技术掀起研究热潮,随后快速发展、不断成熟,逐渐被应用于油气资源勘探开发领域[3-5]。

纳米技术被认为是21世纪创新发展的三大动力之一[3]。纳米技术自20世纪60年代诺贝尔奖获得者Richard Reynman提出以来,经历了近半个世纪的发展,广泛运用于电子、材料、机械、化工、医疗等各个方面;自2000年逐渐拓展到石油勘探领域及测井方面,特别是2010年以来在改善钻井液性能、表征测井参数等方面有了具体的应用。

长期以来,石油工业侧重于油藏的宏观特征,为纳米技术在石油领域交叉应用提供了良好的发展空间[6]。伴随纳米技术在油气资源领域的持续发展,纳米表征、纳米传感、微纳米多孔介质中流体运移数值模拟及纳米材料的广泛应用对开发非常规资源起到了良好的推动作用[3]。随着油气资源勘探的不断深化,面对日趋复杂的储层状况,传统测井技术呈现出微观尺度上的局限性;同时受到高温、高压、地磁地电干扰等多种条件的制约。在传统方法亟待发展的当下,跨界寻求多学科交叉应用成为测井技术发展的新趋势,基于纳米造影的测井技术因此有了更加广阔的发展前景。

本文广泛调研了纳米技术在油田测井方面的研究现状,阐述了纳米技术特别是纳米流体在测井方面应用的不同阶段,探讨并展望了纳米技术在识别低电阻率油层、精细表征测井参数、提升泥浆滤液性能改进油气发现、纳米材料改进裂缝检测等方面的应用前景。

1 纳米技术在测井方面应用发展阶段

1.1 纳米技术发展阶段(1959—2000年)

1959年,Richard Feynman在美国物理学会年会上预言:如果可以在更小尺度上制备并控制材料的性质,将会打开一个崭新的世界。这一预言被科学界视为纳米技术萌芽的标志。1974年,Taniguchi首先将纳米技术应用于精细机械加工领域。20世纪70年代美国康奈尔大学C.G.Granqvist和R.A.Buhrman利用气相凝集的手段制备了纳米粒子,纳米技术进入到了人工合成纳米材料的阶段。1982年,Gerd Bining和Heinrich Rohrer发明了研究纳米的重要工具——扫描隧道显微镜(STM)。1989年德国Gleiter利用惰性气体凝集的方法制备出纳米粒子,从理论及性能上全面研究了相关材料的试样,提出了纳米晶体材料的概念。这一阶段主要是室内实验室探索研究,通过人工合成制备纳米材料,并对纳米材料进行各方面特性评估,揭示其与传统材料的差异性及特殊性能。

1990年7月,第一届国际纳米科学技术会议(NST)在美国巴尔的摩举行,标志着纳米技术的诞生,自此纳米技术成为世界性热点之一;同年,人们首次运用STM进行分子、原子级别的操作。1991年,碳纳米管被发现,为纳米技术运用于材料、机械等领域打下了基础。从1992年开始,世界纳米材料会议分别在墨西哥、德国、美国夏威夷、瑞典举行。1994年,第二届NST会议在德国举行,标志着纳米技术已经成为材料科学、凝聚态物理等领域的热点。1995年Choi[7]提出了纳米流体概念,讨论了将纳米粒子分散在基液中引起的热导率变化。Lee等[8]利用瞬态热丝法对氧化物纳米流体进行了热导率影响因素的研究,证明了热导率与纳米粒子大小、形状、浓度等存在相关性。这一阶段前人研究集中于如何对纳米材料已经展现出来的物理、化学等方面的特殊性能加以利用,并将其逐渐在材料、化学、物理学等各个领域进行推广。

1.2 纳米技术早期应用阶段(2000—2010年)

纳米技术在2000年以后进入高速发展阶段,并且随着纳米技术的成熟与完善,人们开始将纳米科技运用于各个领域与实际生产中;通过导入纳米粒子、配制纳米流体、设计纳米结构、组装纳米体系,纳米技术也开始运用到石油勘探开发领域及测井方向。Wang等[9]建立了胶态流体导电性方程,证明流体导电性受离子运动和粒子运动共同控制,为解释和应用纳米流体特殊的导电性质开创了先进理论。同一时期,陆先亮等[10]研究了聚硅纳米材料对油水相对渗透率的影响,探明了聚硅纳米材料的憎水亲油特性;杨灵信等[11]利用聚硅纳米材料的这一特性疏通注水井油层岩石孔隙,在文东油田取得了较好效果。此后,利用纳米粒子实现降压增注的技术日趋成熟,逐渐被运用于各地油田[12-15]。Kharchenko等[16]测量了聚丙烯的多壁纳米管(MWNT)分散体,揭示了其对聚合物材料导电性能、剪切黏度和其他运输性能的影响。Cruz等[17]厘定了氧化铝粒子悬浮液达到稳态所应具备的离子强度条件。Nair[18]研究了液态晶体纳米粒子(LC-GNP)的介电常数和导电率,并实验证明了复合材料的各向异性导电性能。朱红等[19]对纳米二氧化硅进行了有机改性,探究了纳米粒子-石油磺酸盐复合体系与油水界面张力之间的关系。至此,纳米粒子在影响流体导电性、控制油水渗透率、油水界面张力等测井相关参数方面有了实例应用。2007年,沙特阿美公司提出油藏纳米传感器概念[6]。油藏纳米传感器是一种能够在纳米级空间操作的功能分子器件,用以收集温度、压力、渗透率、孔喉半径等各种地层参数,为使用纳米技术收集油藏数据、采集测井参数等方面的发展提供了可能。

胜利油田2007年通过将纳米粒子导入钻井液顺利完成了临盘临南洼陷街2块街206井的钻探[20],避免了井壁失稳垮塌现象。同时胜利油田采用SLNR纳米乳液钻井液完成了高难度浅层大位移水平井(垦东405-平1井)[21]。Sayyadnejad等[22]将纳米氧化锌引入泥浆滤液中,通过实验证明了纳米氧化锌粒子可以有效去除硫化氢,显示了纳米材料对泥浆的控制作用。Kulkarni等[23]研究了二氧化硅纳米流体流变特性的主控因素,分析了温度、浓度、粒子直径的影响。Kau-Fui等[24]认为纳米粒子的比表面积和布朗运动的影响是纳米流体热导率显著增加的主要因素,通过室内实验研究了氧化铝纳米流体的导热性、导电性、黏度等方面的运输特性。Shahwan等[25]研究了在K10膨润土的存在下,纳米铁粒子的合成和特性描述,并用二阶方程量化了Co2+的吸附作用,为纳米粒子应用于泥浆性能控制方面打下了理论基础。

2008年,世界上最先进的10家石油公司和石油技术服务公司在美国休斯敦成立了先进能源联盟(AEC),致力于纳米技术在油气勘探方面的应用,如研发微传感器、纳米传感器、油藏的三维空间表征。2008—2010年,沙特阿美先进研究中心(EXPEC ARC)逐渐完成了平均尺寸10 nm的油藏纳米机器人地下“旅行”可行性研究及现场测试[6],验证了纳米粒子进入岩石孔隙的可行性,奠定了纳米流体在多孔介质中运移的基础。

1.3 纳米技术目前应用阶段(2010年至今)

纳米粒子可以有选择地展现材料某方面或多方面的特性,无论是电学性质、磁学性质、光学性质、力学性质、热学性质,根据所使用合成方法的不同,可以定制出符合不同工业需求的纳米粒子。如今,纳米粒子几乎可以运用到工业的任何方面。自2010年起,纳米技术在油气勘探特别是测井方面的运用进入到了快速发展阶段,在提升钻井液性能、深入微孔喉、电磁成像等方面取得了显著成果[26-29]。

王鸣川等[26]认为纳米聚合物微球具有良好注入能力及深部逐级调节能力,并在油田进行了实地验证,为调堵地层深部大孔喉提供了解决方案,为优化测井解释提供了基础。纳米粒子对于泥浆性能具有控制及改善作用,金娜等[30]通过室内实验证明了纳米乳液与地层水配伍性较强,纳米乳液的引入可以提升钻井液的流变性并且降低其对岩心的损坏率。Amanullah等[31]合成了具有商业价值的纳米级钻井液,可以显著降低流体对地层的破坏,减少钻井液的滤失,对于减小勘探过程对地层的影响具有商业层面的意义。Konakanchi等[32]测量了3种纳米粒子(氧化铝、二氧化硅和氧化锌)溶于丙烯乙二醇和水的混合物所形成悬浮液的电导率,实验温度范围0～90 ℃,纳米流体浓度为0～10%,粒子尺寸为10～70 nm。测量结果表明,纳米流体的导电性随着温度、体积浓度的升高而增大,随粒径增大而减小。Sikdar等[33]介绍了基于二氧化钛纳米流体导电性能的实验测量结果,解释了温度和浓度对纳米流体导电性的双重影响。在不同浓度和温度条件下,推导出体积浓度和温度作为变量的回归方程,以表示电导率增强因子的变化趋势。Minea等[34]测量了12 nm水基氧化铝纳米流体的导电性,认为其导电性能优于实验用蒸馏水。实验结果表明,氧化铝纳米流体的导电率随温度升高有显著提高,在60 ℃上下,有一个巨大的跃升(390.11%)。Younes等[35]以Fe2O3和CuO纳米流体为例,研究并分析了粒子排列、环境pH值、表面活性剂和溶剂对Zeta电位和导热性的影响,为揭示纳米流体基本性质打开新的大门。李红梅等[27]通过在延长油田的现场测试,证明了纳米乳液可以改善泥浆流变性,并且具有显著润滑效果和抑制黏土膨胀的能力。M.Dong[36]研究了不同浓度油基氮化铝纳米流体在20 ℃～70 ℃的导电率,并基于传统Maxwell模型建立了新的电导率经验模型。李屹同等[37]认为ZnO纳米粒子的添加较大地提高了蒸馏水的热导率和电导率,水基ZnO纳米流体的电导率随纳米粒子体积分数增加呈非线性增加关系,而电导率随温度变化呈现出拟线性关系;纳米流体的热导率与纳米粒子体积分数增加呈近似线性增加关系,粒子的布朗运动是纳米流体热导率增强的主要因素。蔡永富等[38]通过室内实验在膨胀性、注入性、降低水相渗透率能力等几个方面研究了纳米粒子在特低渗透油藏中的适应性。Omeiza等[39]在室温下用注射器将纳米流体注入多孔介质(PVC管内未固结的细砂),通过测量残留浓度、平衡时间和单层覆盖参数等信息,推断纳米粒子的滞留能力。Goharshadi等[40]对蒸馏水中钯纳米粒子的导电性能进行了测定,观察到温度相较于体积浓度对导电性能的控制影响较小。Zakaria等[41]通过实验建立了1套完整的基本流体配比(如水与乙二醇)的热导率和电导率模型,同时给出了低浓度(0.1%、0.3%、0.5%)氧化铝纳米流体中2项性质的变化。Ponmani等[42]的研究表明,以CuO纳米流体为基础的纳米水基钻井泥浆显示了更良好的热性能,比基于ZnO的泥浆更能抵抗高温高压条件。Sundar等[43]结合经典Hamilton-Crosser和Einstein模型,对纳米流体的导热性和黏性的计算提出了相关建议。Hadadian、Mehrali[44-45]在不同的质量分数和不同的温度下,测量了石墨烯氧化物纳米流体的导电性、导热性和流变特性。高俊等[28]研究了纳米流体对乳液界面张力和黏度的影响,验证了界面张力与纳米流体浓度的正向相关性。Barry等[46]探究了纳米粒子添加剂和黏土混合膨润土钻井液的滤失和流变特性。Adio等[47]研究影响氧化镁-乙二醇纳米流体pH值和导电性的因素,以温度、体积分数、粒子大小和超声能量为变量进行了对比试验。孙林涛等[48]研究了矿化度、硬度、pH值、温度对纳米微球粒径的影响,探究了纳米粒径变化的主控因素。Khdher等[49]研究了在30～80 ℃的温度范围内,含有Al2O3纳米粒子的双甘醇纳米流体的热导率、色散稳定性和导电性,为导入纳米流体控制泥浆电阻率提供了实验证据。

2 纳米技术应用于测井领域的展望

2.1 纳米流体在识别油水层中的应用

低电阻率油层广泛分布于世界上各大产油区,如美国的墨西哥湾地区、加拿大东部近海地区、中东地区和中国的东西部油田[50]。在中国主要盆地如渤海湾盆地、松辽盆地、苏北盆地、塔里木盆地和鄂尔多斯盆地等低电阻率油层也普遍存在。低电阻率油层在新油田勘探和老油田中后期开发中都具有重要的意义,而各油田低电阻率油层的成因受多种影响因素控制且识别方法都不相同。识别低电阻率油层,区分油水层具有重要理论和实践意义。

低电阻率油藏油水层电阻率数据差异较小,对区分流体性质存在较大干扰,使识别难度增大。针对这一问题,引入纳米材料作为造影剂可以提供新的解决思路。纳米粒子的各种应用取决于其物理和化学性质,如粒径分布、形状、大小、表面状态、晶体结构和分散性[51]。前人针对分散在不同基液中的纳米流体做了许多导电性研究工作,验证了特定条件下的纳米流体具备良好的减阻作用[32-37]。纳米流体的作用效果受浓度、粒子直径、表面性质、环境温度、地层压力以及地层物性等多种因素影响,可以通过调节其影响因素更好地进行油水层识别。纳米粒子经过表面修饰可以展现出亲水性,使减阻作用定向发生在水层;同时由于纳米粒子在油层中运移困难,因而不会影响油层电阻率。所以,纳米粒子可以作为新型造影剂引入流体,以增大油水层电阻率差异、校正电阻率,解决低电阻率油层识别困难的问题。同理,也可以利用亲油性的纳米粒子定向改变油层的电阻率,以达到相应目的。但是,纳米粒子及流体在油水层识别中的应用还存在相应的限制条件,运用的时候还需考虑对油层可能造成的污染以及操作成本问题。

2.2 纳米粒子提升泥浆性能

纳米粒子由于粒径较小、比表面积大、吸附能力强等自身性质,在尺寸及表面效应、润湿特性、抑制微粒运移特性、纳滤特性、剪切增稠特性等方面表现出异于常规试剂的性能[3],为导入纳米粒子提升泥浆性能提供了可能性。

前人通过实验及实地测试证明纳米粒子的引入可以有效提升钻井液的黏度、稳定性、切动力、携岩能力等多种相关性能,对于泥浆性能具有明显的控制作用[10-11,19-21];另一方面,纳米粒子可以提升泥浆整体稳定性,对黏土膨胀和分散具有一定抑制能力,减少测井过程对于地层的损害[25-27,30-31,38,42]。亲水性纳米粒子的应用将对油层产生保护效应。通过导入纳米氧化镁悬浊液,可以减少水冲击对于水敏地层的损害,同时保护了流体通道[52]。纳米粒子能够提升钻井液的携岩能力,可以作为一种增粘剂和提切剂;也可以在较大的温压范围内提升钻井液的稳定性,还可以减少钻井液的滤失量。

纳米流体性能受到温度、纳米粒子直径、体积浓度、环境压力、pH值等多种因素的控制[32-35]。纳米流体的导电性随着温度、体积浓度的升高而增大,随粒径增大而减小,且不同种类纳米粒子会有不同的表现。与传统粒子添加剂相比,纳米粒子具有较大的比表面积,能显著提高热传递能力和稳定性。

前人利用物理机理和数学建模对纳米流体进行了大量研究[9,32-35],以观察描述并预测纳米流体传热特性;但大多是基于各自实验的特定条件得出的不同经验公式,存在相应的限制条件和局限性,尚待深化及进一步研究。最早建立模型的学者,如Maxwell-Garnett[29]和Hamilton-Crosser等[53]并没有将粒子运动纳入影响范围;Xuan等[54]拓展了一个动态模型,将纳米粒子布朗运动的影响加入影响参数。然而,基于传导机制建立的静态和动态模型仍然存在其局限性和制约性,无法准确预测实验数据的规模和趋势。迄今为止,纳米粒子的研究重点集中在热学性质,特别是在有效导热系数。尽管纳米粒子的导电性具有广泛的研究应用前景,但是目前对于纳米流体电学特性的认识不足且缺乏相应实验数据,仍待进一步研究。纳米流体的有效导电性除了受控于纳米粒子和流体的浓度和导电性外,还表现出对偶极子层(EDL)相互作用、溶液中离子浓度和其他物理化学性质的复杂依赖[55],而这些特性无法用Maxwell模型衡量和预测。这些存在的问题及制约条件也是纳米粒子定量控制泥浆性能尚待研究的部分。

2.3 储层测井参数纳米表征

2010年以来,纳米粒子及纳米技术被广泛地运用在储集层测井参数表征方面[3],特别是微观孔隙结构表征、微观多孔介质运移表征、纳米粒子孔隙显影、纳米粒子信号增强等多方面。纳米粒子可以随流体(或通过引入纳米粒子悬浮液)进入储集层孔隙,改变储集层局部电、磁、声学特征,以有利于油水层特性表征,强化其在电测井、核磁共振测井、微地震测井等曲线上的区分度,最终对储层测井参数进行纳米级表征,收集更微观更细致的测井数据如储集层孔隙度、渗透率、含油饱和度等。

常规储集层岩石内部孔隙直径通常大于2 μm,其中品质较高的宏观孔隙或大孔隙可达到30 μm,喉道直径往往超过10 μm[3]。较好的孔喉直径为纳米级材料进入储集层及多孔介质提供了可能,纳米粒子可以自由进出储集层岩石,记录或传输数据,并且不会堵塞孔隙及喉道。AEC组织资助的研究团队对于纳米流体在储集层多孔介质中粒子负载运移方面做了很多研究,制备了顺磁纳米流体,模拟了纳米粒子在多孔介质中的分布及运移规律[56],提供了纳米流体通过储集层微观孔喉的理论基础。沙特阿美公司在2010年对油藏纳米机器人进行了现场测试,确认了纳米机器人的尺寸上限[6],验证了纳米粒子进入岩石孔隙的可行性,奠定了纳米流体在多孔介质中运移的基础。基于上述理论及实验基础,通过导入集合测井传感器、微动力系统、微信号传输系统的纳米级测井机器人,可以更精确地得到微观纳米级储集层中的相应测井参数,为进一步更精确开展测井研究提供了可能。

2.4 纳米流体在裂缝检测方面的应用

裂缝网络组成了碳酸盐岩等储层中重要的渗流通道,并作为储集空间聚集了大量油气资源,对于测井解释及油气开采具有重要意义。目前,传统的测井裂缝检测主要是采用滤波法、边缘检测法,在成像测井所得图像中裂缝断裂不连续,效果较差[57-61]。在这种背景下,纳米技术在裂缝检测方面的应用具有巨大空间。

前人通过大量研究[32-35,37],证明了纳米粒子可以影响流体导电性,且受控于纳米粒子粒径、浓度、粒子间相互作用等影响因素,为磁性纳米粒子检测裂缝提供了实验证据和理论基础。由于纳米粒子存在粒径小、比表面积大、吸附能力强等自身特点,可以更深入地进入微观裂缝,用以对裂缝的产状和空间分布进行统计。储层监测瞬态电磁测量系统(Transient Electromagnetic System,TEM)可以精准测量磁性纳米流体[62]。其原理是通过在极短时间内断开源电流,改变磁场产生涡流,在对由涡流引发的次生磁场随时间变化进行测量,从而得到纳米级磁性粒子的瞬态变化。对于磁性纳米粒子检测裂缝,瞬态测量相比传统的连续测量更为匹配,且具有多维储层成像、高精度空间分别率、多区域成像等传统裂缝检测不具备的优点。

同时,传统裂缝检测技术存在无法有效检测裂缝长度和裂缝分布的缺陷,通过导入纳米粒子作为裂缝支撑剂也可以有效解决这一问题。以纳米粒子的电性、磁性特性为切入点,将纳米导电支撑剂注入裂缝中,结合新型电磁测量仪器系统化测量地层的电磁响应,是未来裂缝检测的发展方向。相较于传统检测方法,这种微观层面的技术合作可以从纳米尺度检测裂缝信息,在精准度上取得跃升。目前,已有研究者提出了一种新的低频电磁感应方法(Low Frequency Electromagnetic Induction,LFEI),使用了1种由3组三方向发射器和接收器组成的新型测量仪器模拟了井中多种裂缝的电磁信号,并认为这种低频三分量电磁示踪方法不仅能估算水力压裂裂缝的长度、高度和方位,还能计算裂缝中支撑剂,即导电纳米粒子的垂直分布[63]。

综上,纳米粒子结合新型电磁测量方法和测量仪器将在裂缝检测方面提供新的思路,以满足日趋精细的测井要求。

3 结束语

(1) 纳米粒子由于粒径小、比表面积大、吸附能力强等性能,在表面效应、润湿特性、微粒运移、热传递性、剪切黏度等方面具有常规材料所不具备的特殊性能。在地球物理测井过程中引入纳米粒子及悬浊液,可以提升流体流变性、稳定性、携岩能力、界面张力;控制流体导电性、亲水亲油性、油水渗透率、剪切黏度;保护油层、地层,减少滤失量等。

(2) 未来纳米技术在测井中的运用在于区分低电阻率油水层、表征测井参数、提升泥浆滤液性能、精准检测裂缝等方面。纳米粒子可以作为造影剂用以增强油水层电阻率差异、校正电阻率,解决低电阻率油层识别困难的问题。纳米颗粒及悬浊液可以有效控制并提升钻井液相关性能,同时保护油层,减少泥浆的滤失量。纳米技术也可以运用在储层测井参数表征方面:如微观孔隙结构表征、微观多孔介质运移表征、纳米粒子孔隙显影、纳米粒子信号增强等。纳米技术也可以应用在裂缝检测方面,结合瞬态电磁或三分量电磁测量可以连续测量裂缝、有效检测裂缝长度,探测其在储层中的分布情况。

(3) 纳米粒子及流体的性能受到多种因素的影响,实际应用需先进行室内实验研究,抓住问题的主要方面才能获得预期的效果,此外如何将纳米流体注入储层或混入泥浆是今后研究的重要课题。可以预期纳米粒子特殊的多样化电、磁、声、热等物理特性决定了其在新型测井方法和先进测井仪器制造方面将来会有突破性应用和发展。

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