纳米技术在石油工程中的应用前景

光新军，豆宁辉，贾云鹏，陈金峰

(1中国石化石油工程技术研究院 2中国石油大港油田公司石油工程研究院 3中国石油华北油田分公司第四采油厂)

纳米技术是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸在1～100 nm材料的设计、表征、制造和应用，其发展始于20世纪90年代，由于其良好的光、电、热、磁等性能，目前已在微电子、生物、燃料电池和制药等领域得到广泛应用。国外主要石油公司、技术服务公司和油气科研联盟都在进行纳米技术的研究，并极大地促进了井筒流体、纳米材料反应剂、井下工具等技术的发展，在提高钻井液、水泥浆性能的特殊添加剂和提高钻头耐磨性等应用方面已经实现现场应用，在纳米机器人、纳米示踪剂、磁性纳米提高采收率、油水地面分离等应用方面也取得了阶段性研究成果。国内仅在纳米提高钻井液、固井水泥浆、压裂液的性能等方面进行了少量探索[1-5]。为了给我国在石油工程中应用纳米技术提供借鉴和研发思路，笔者对纳米技术在钻完井、储层特征描述与改造、提高采收率三个方面的应用优势、研究进展与应用情况进行了分析，探讨并展望了未来纳米技术在石油工程中应用的关键与发展方向。

一、纳米技术及在石油工程中的应用优势

1.纳米技术

纳米是一种长度计量单位，1 nm=10-9m，相当于45个原子串起来的长度。纳米科学是1～100 nm尺度材料的现象和机理，而纳米技术是基于纳米尺度对材料和器件进行设计、表征、开发和应用。相应地，纳米粒子是尺寸在1～100 nm之间的物质，结构中嵌入纳米粒子的材料称为纳米材料，纳米粒子的大部分特性在纳米材料中得到体现。

目前，除了金属纳米粒子的研究不断突破以外，纳米技术的发展主要围绕碳的同素异形体的新发现展开，主要包括富勒烯(C60)、碳纳米管和石墨烯。C60是由20个正六边形和12个正五边形构成的圆球形结构，共有60个顶点，分别由60个碳原子占有。碳纳米管是一维纳米材料，由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管，层与层之间保持固定的距离，直径一般在几纳米到几十纳米之间，长度为几微米，甚至几毫米。石墨烯是一种只有一个原子层厚度的准二维材料，又成单原子层石墨，厚度只有0.335 nm，把20×104片薄膜叠加在一起才有一根头发丝那么厚。

2.纳米技术在石油工程中的应用优势

物质微小到纳米尺度会表现出很多完全不同于宏观物质的物理、化学特性，利用这些特性，可以研发满足石油工程领域高温高压等复杂环境下的新功能材料和器件，主要包括：①表面效应。随着纳米材料粒径的减小，表面原子数迅速增加，材料表面积、表面能及表面结合能迅速增加，表现出极高的化学活性；②体积效应。随着物质体积减少，会出现不同于宏观物质的物理性质，如特殊的光学、磁学、力学性质等；③量子效应。电子具有粒子性又有波动性，存在隧道效应。当电路的尺寸接近电子波长时，电子会通过隧道效应溢出器件，使其无法工作，目前电路的极限尺寸大概为0.25 μm，器件需要进一步微型化时，就需要考虑量子效应。而超微颗粒材料具有与宏观物体不同的反常特性，是未来电子器件微型化的基础。

二、在钻完井中的应用

1.含纳米材料钻井液体系

将纳米技术与钻井液结合，利用纳米材料所具有的独特功能，可以改善钻井液的流变性能、热力性能、机械性能等，具有增强滤饼质量、降低摩阻、协助成膜、维护井壁稳定、保护储层等作用，满足复杂地层钻井需要。马来西亚Scomi钻井液服务公司开发了一种混合了表面活性剂的石墨烯材料，可穿透进入金属表面的微孔，并在高压下结晶形成保护膜，提高钻井液体系润滑性、防止钻头泥包，提高机械钻速，同时可以提高钻井液的热稳定。室内实验表明，在盐水聚合物钻井液中加入5%石墨烯，极压润滑系数可减少70%～80%，而常规的润滑剂仅能减少30%。还可以显著提高钻井液体系的储层保护性能，含3%石墨烯的完井液与储层作用后，储层恢复后的渗透率达41%，而常规钻井液只有5%。该技术在马来西亚陆上一口温度达176℃硬地层中应用，添加2%～3%石墨烯提高机械钻速1.25倍，扭矩减少20%，钻头使用寿命增加75%[6]。

2.含纳米材料水泥浆体系

纳米材料由于其小尺寸和大表面积特性，可加速水泥浆的水化过程、提高油井水泥机械性能和流变性能等，满足复杂地层及后期分段压裂的固井需要。贝克休斯公司在高温高压条件下试验了油井水泥浆集成化学添加剂和多壁碳纳米管的抗压强度和流变性能(塑性黏度、屈服应力和凝胶强度)，试验表明，加入0.1%多壁碳纳米管材料的水泥浆具有最高的48 h抗压强度，比基浆高19%，达到50.15 MPa。加入多壁碳纳米管材料的水泥浆塑性黏度比对照水泥浆高，能够提高恶劣条件下的顶替效率。加入0.1%CNT的水泥浆比基浆的屈服应力降低37%，10 min凝胶强度高于基浆，水泥浆能够在较低压力下从作业中断中恢复泵送，提高固井可靠性[7]。

3.含纳米涂层的工具

在机械表面形成纳米膜，可以提高其强度、耐磨和抗腐蚀性，延长使用寿命，降低作业成本。哈里伯顿公司采用Al2O3-TiO2纳米陶瓷粉末制成的纳米陶瓷涂层来提高钻头的耐磨性，纳米陶瓷涂层通过等离子喷涂法喷涂在钻头上，其粘结强度是传统涂层的2倍，强度是传统涂层的2～4倍[8]。

三、在储层特征描述与改造中的应用

1.纳米机器人探测技术

纳米机器人的尺寸是人类头发直径的1%，可以随注入流体大批量进入储层。纳米机器人在储层中流动时，分析油藏压力、温度、孔隙度、渗透率和流体类型等参数，并存储信息。在采出的流体中回收这些纳米机器人，下载其存储的油藏关键信息，以此来对油藏进行描述。沙特阿美已经研究了纳米机器人在地下“旅行”时所必需的一些因素，包括尺寸、浓度、化学性质、与岩石表面的作用、在储层孔隙中的运动速度等，并于2010年进行了尺寸为10 nm、没有主动探测能力的纳米机器人注入与回收现场测试，验证了纳米机器人具有非常高的回收率和较好的稳定性、流动性[9]。目前，正在探索利用纳米机器人主动探测地下油藏，以实现其在储层流动过程中实时读取和传输数据。

2.纳米测绘技术

水力压裂裂缝高度、长度、间距、位置及形态的表征主要采用微地震监测技术，但该技术不能准确解释连通裂缝几何形状的范围和流体在裂缝网络的渗透率。纳米测绘技术是采用具有电磁、声波等识别性质能力的纳米粒子在地层中利用成像技术对储层进行测绘，可用于识别近井地带支撑剂、流体、以及人工裂缝和天然裂缝的位置，其精度远超现有技术。沙特阿美石油公司正在探索利用磁性纳米颗粒来进行油藏测绘和水力压裂裂缝测绘，从注入井向生产井发送电磁脉冲时，纳米颗粒能够降低电磁波的传播速度。通过测量注入磁性纳米颗粒前后，电磁波通过流体的传播时间差，绘制井筒周围裂缝网络形态和井间油藏特性。

3. 纳米酸化压裂流体

3.1 海水基压裂液

在压裂过程中用海水可以节约淡水资源，降低作业成本，特别适用于海上油气开发。沙特阿美石油公司正在探索通过纳米技术将海水直接用于水力压裂中，试验表明，采用纳米交联剂可以将流体峰值黏度大幅提高，减少对合成聚合物或瓜尔胶的需求，即使温度高达150℃和盐度高达56 000 ppm的环境下，压裂液仍然能够保持稳定，压裂后渗透率恢复程度可以超过90%。在压裂作业中，纳米颗粒的用量仅占总流体使用量的0.02%，具有经济可行性[10]。

3.2 磁性压裂液

低渗透油藏、稠油油藏和高含水油藏的经济开发面临诸多挑战，印度矿业学院利用纳米材料的电磁特性，提出了一种在压裂前置液中加入磁流体提高油气产量的方法。采用油酸钠包裹Fe3O4磁性纳米粒子，粒子尺寸在5～10 nm。在压裂过程中，纳米颗粒混入前置液，随着前置液滤失进入储层。压裂结束后，在井筒中施加强磁场，纳米颗粒被磁化，和吸附的原油一同形成磁流体，沿着磁场方向流动并被采出。油酸钠处理过的纳米粒子不易在压裂液中聚结，纳米级的尺寸确保了粒子的悬浮性、吼道通过能力和足够的吸附表面积，具有广阔的应用前景[11]。

3.3 储层酸化液

在油气开发过程中，为提高层间差异大、产液剖面不均匀油藏的均匀酸化效果，常常根据储层岩性和物性特征，选择具有暂堵、转向、低伤害、深度酸化功能的酸液体系，但均匀布酸难度仍然较大。纳米酸化液可以控制储层位置处的酸液强度，实时改变布酸形态，引导酸液向油层深穿透。沙特阿美石油公司正在开发纳米胶囊新技术，其内部装有酸性液滴，酸液会在油藏内部特定的位置释放，将孔隙通道蚀刻，提高孔隙度，从而促进油气的流动。

四、在提高采收率中的应用

1.油藏纳米示踪技术

传统化学示踪剂在储层内的扩散范围较大，有时会偏离流向生产井的路径，而纳米颗粒的体积相对较大，运移路径是朝向生产井的一条直线。沙特阿美石油公司开展了井间纳米颗粒荧光示踪剂试验，注入井和生产井中相距475 m，10个月后生产井中监测到了纳米粒子(A-dots)，没有出现絮凝结块、沉淀等现象，证明了A-dots能长时间、长距离耐受油藏环境。正在研发一种新的从原子量级检测的示踪方法，可以在油藏条件下使纳米颗粒从无限大范围中提取任何分子，将它附在纳米颗粒上，形成一个独特的条形码示踪剂[12-13]。

2.提高水驱波及系数的纳米胶囊

低成本聚合物胶体是水驱过程中用来选择性封堵高渗通道最常用的材料之一，但其在近井筒地带凝胶较快，在远离井筒的储层中应用效果不佳。北卡罗来纳州罗利市三角研究所通过把形成胶体的反应物“铬(Ⅲ)”放入纳米胶囊中，通过改变胶囊可降解化学元素的浓度使其在不同的时间点释放，延缓“铬”释放到HPAM中的时间，提高聚合物胶体体系—聚丙烯酰胺的波及能力，可以使原油产量提高1%～10%[14]。

3.提高油气采收率的纳米分散体系

相比传统的化学驱油提高原油采收率，改性纳米粒子分散体系用于油田开发具有更好的增产效果。Frac Tech Services公司和伊利诺理工大学合作研发了胶状纳米分散体系(NPD)，纳米颗粒直径4～20 nm，在流体中可以处于悬浮状态[15]，布朗运动的作用下，可进入致密储层。当纳米颗粒接触到非连续相(如油-岩石界面)时，聚集形成一个楔形薄层，产生分离压力，使原油从岩石表面分离流入井筒。单个粒子所产生的分离压力非常小，但是数百万乃至数十亿的纳米颗粒产生的分离压力可以达到70～350 MPa，使原油很容易从岩石表面分离，其与界面张力、毛管力、润湿反转等表面力机理不同。

五、应用关键与前景展望

1. 应用关键

目前，纳米技术在石油工程中的应用还处于试验阶段，商业性应用还比较少，大部分纳米技术在单井中小规模应用，如用于提高钻井液、水泥浆性能的特殊添加剂和用于提高钻头耐磨性能的涂层等，在整个油田中大剂量应用，如提高采收率等还处于研发阶段，今后要在石油工程中广泛应用还需要解决以下关键问题。

(1)纳米技术在单井中小规模应用较易实现，但应用到储层中难度较大，主要是大剂量应用纳米材料成本较高，需要解决纳米材料的低成本生产难题。

(2)纳米材料的稳定性不高，容易产生团聚现象，团聚后其颗粒尺寸明显变大，失去纳米颗粒的特性，达不到预期效果。通过表面修饰可以提高其稳定性，但还需要深入研究其作用机理。

(3)纳米颗粒在储层岩石中的运移性能是纳米技术提高采收率的关键，采用表面改性阻止其与岩石表面的相互作用是提高其应用效果的主要手段。

(4)纳米技术的规模应用除了研究纳米材料外，还需要开发用来制造、评价和制备或修饰纳米结构材料的设备和工艺，以实现大规模生产纳米材料。

2. 前景展望

随着非常规、深水、深层、极地等油气资源的开发，以及老油田挖潜的不断深入，作业环境和资源品质劣质化，对石油工程技术要求越来越高。纳米技术与石油工程技术的交叉融合可以解决石油工程多个领域的关键问题，包括安全高效钻完井、储层特征描述与改造和提高油气产量等方面，具有广阔的应用前景。结合油气勘探开发对石油工程技术的需求及纳米技术的研究现状，未来纳米技术在石油工程中的应用方向主要有以下4个方面：

(1)提高钻完井流体性能技术。纳米材料主要作为添加剂提高钻完井流体性能，包括纳米材料提高钻井液流变性、抑制页岩水化、协同堵漏、降低储层伤害、提高固井水泥浆流变性和强度、提高海水基压裂液黏度等。

(2)提高井下工具和材料性能技术。纳米涂层具有硬度高、耐磨和防腐等性能，可对现有工具和材料进行纳米改造，包括提高钻头耐磨性、提高压裂小球强度、提高套管防腐性能和提高支撑剂的强度等。

(3)提高储层描述精度技术。利用纳米材料的光、电、磁等特性，实现储层高精度描述的目的，包括压裂裂缝监测、纳米机器人探测油藏特性等。

(4)提高油气产量工程技术。包括纳米示踪剂识别水驱效果、纳米胶囊提高酸化效果、纳米胶囊提高水驱波及效率、磁性纳米压裂液提高采收率、磁性纳米颗粒进行地面油水分离、纳米分散体系提高采收率、纳米乳液降低油水表面张力提高采收率等。