在石油勘探開發領域大有作為的納米技術
——訪中國工程院院士劉合教授

■ 本刊特約記者 王大銳

納米技術、信息技術、生物技術是21世紀社會發展的三大支柱。納米技術包括納米材料設計、制造，納米測量等技術，已在電子、生物、醫療、航空、軍事以及能源領域得到了廣泛應用，而納米材料因尺度效應具有的獨特的光、電、熱、磁性能已成為學術界和工業界的研究熱點。近些年來，納米材料與表征技術逐漸滲透進入傳統化石能源及新能源領域。為了更多地了解現有納米技術在石油勘探開發領域的研究情況，我特意采訪了中國工程院院士、中國石油勘探開發研究院總工程師劉合教授。

劉合教授在國外做報告

問：“納米技術”是當前相當“火”的名詞，在油氣勘探領域主要有哪些應用的進展？

答：納米技術的持續創新和應用深化將促進傳統石油開發技術的快速發展，并已經產生了部分應用成果：一是納米精細表征技術實現有效儲集空間評價；二是納米傳感與納米顯影技術提高了油藏特征參數監控與精度描述水平；三是納米分子模擬技術準確揭示了油氣吸附、脫附機理及非達西模型下油氣的運移規律；四是納米新材料為鉆井、非常規儲層改造及提高采收率等領域提供了有效的技術支持。

問：什么是石油工業中的“納米表征技術”?

答：納米表征技術是指針對納米材料的物質組成、結構與性質進行的有關分析、測試，也包括測試工具與方法的研發，主要包含以下三個方面的表征：一是物質組成方面，指構成納米材料的化學元素及其相關關系；二是納米材料的結構方面，指材料的幾何學、相組成及相形態等；三是納米材料的性質方面，指材料的力學、熱學、光學、電學、磁學等物理性質以及化學性質的測試，涉及多種方法、技術與裝備。

近年來，儲層表征分析已初步實現從宏觀到微觀，從二維到三維的跨越式發展。隨著儲層研究的不斷深入，研究領域將更進一步地邁向更細微至分子、原子級的機理研究，以及溫壓作用下的原位研究。TEM、掃描隧道顯微鏡、超高分辨率熒光顯微鏡、原子探針等超微區分析方法將被引入石油工業中來。另外，在地層溫度、壓力作用下，流體在儲層巖石多孔介質材料中的微觀運移規律，流體礦物骨架在多物理場中的流固耦合，礦物的微觀演化，也將成為今后研究的重點。大型設備的原位分析表征附件的開發，以及同步輻射光源為射線源的多種微、納米分析原位表征技術將為原位表征提供技術支撐。

問：“納米傳感技術”都有哪些內容？

答：在各工業領域，人類對微型多功能設備的渴求從未停止，在石油工業，人們希望制備專門針對儲層描述的納米傳感器，并提出了儲層納米機器人的構想。

20世紀90年代末、21世紀初，在微機電系統（MEMS）基礎上，人們又進一步提出了納機電系統(NEMS)的概念，NEMS是特征尺寸在1～100nm、以機電結合為主要特征，基于納米級結構新效應的器件和系統。NEMS是真正基于納米材料納米效應的微器件，納米材料的優異性能可以集成進來，并且其納米級的尺寸使注入儲層微米孔隙成為可能。

儲層納米機器人是人們設計的集成儲層傳感器、微動力系統、微信號傳輸系統為一體的微型儲層探測設備。該構想已不僅停留在實驗室設計階段，沙特阿拉伯國家石油公司-阿美公司已提出并研發了一種基于化學分子系統和機械系統有機結合的油藏納米機器人，并且于2010年6月首次成功地進行了油藏納米機器人的現場測試。測試結果證實：納米機器人具有非常高的回收率，攜帶納米機器人的流體也具有很好的穩定性和流動性，該技術被列入2010年十大石油科技進展。但儲層納米機器人仍面臨研發成本、穩定性、流動性、可靠性、信號檢測、回收分離等難題，仍有很長的路要走。

問:“微觀數值模擬技術”是指什么？

答：基于量子物理與化學，分子模擬的技術可以模擬分子體系中各種物理和化學過程，從微觀尺度揭示成分、結構與性能、現象之間的關系。在納米多孔材料領域，分子數值模擬涉及到各種烴類分子、瀝青質、環形結構、鏈烷烴和甲烷等。在分子模擬研究氣體吸附-解吸附過程中，人們采用石墨、蒙脫石、氧化硅等壁面來模仿頁巖等天然儲層的孔隙結構。然而，由于狹縫孔模型較簡單，多種地層條件參數未全面考慮，導致模擬的吸附等溫。對氣體分子的模擬研究，油相對氣體來說分子量大、成分復雜，以液態或半固態形式賦存于儲層中，針對于致密儲層油的液-固相互作用的分子模擬研究較為復雜，開展工作較少。

問：納米技術在生產實踐中的應用前景如何？

答：納米技術在油田生產應用最直接的體現就是在油田開發各階段加入具有納米尺度或納米特性的納米顆粒或納米乳液，統稱為納米化學劑。由于納米化學劑尺寸小、比表面積大，所以納米顆粒表面原子數、表面能和表/界面張力隨粒徑的下降急劇增大，使其流變性、潤濕性改變、表面效應、微粒運移等方面表現出異于常規化學劑的特性。

油田開發過程中巖石、粘土等微粒不可避免的會發生不同程度的運移，導致多孔介質的滲透率降低，對油藏或儲層造成一定傷害。通過納米材料或乳液可以尋找不同的解決方案，含有納米粒子（氧化鎂、二氧化硅和三氧化二鋁）的納米流體具有較低的油水界面張力，具有很強的吸附傾向，一方面，納米流體可以進入不同孔隙的儲層單元；另一方面，由于納米流體可與孔隙產生范德華力的相互作用，當大量的納米流體覆蓋多孔介質并吸附在巖石或粘土表面，利用納米流體之間的雙電層排斥力固定微粒位置，防止微粒運移，有效抑制粘土膨脹和分散。

現有堵水、調剖材料均主要以凝膠、體膨顆粒及聚合物微球為主，材料無法實現自身形變，材料物理化學性能不能隨著外界條件發生變化。納米材料的剪切增稠特性為此提供了一種可選擇的技術手段。

納米光催化氧化技術是基于光催化劑在紫外線照射下具有的氧化還原能力而凈化有機污染物，該技術特別適合有機物的凈化，在油田污水的深度凈化方面顯示出了巨大的應用潛力。將光催化技術同其它處理技術聯合應用，可以大大的拓寬其應用領域。如光電催化技術，將光催化和電化學聯用的新型深度氧化技術。納米光催化氧化技術的研究已日趨完善，有望應用到油田污水處理的基礎科學研究中。

在采油工程領域，很多地面和井下工具都面臨著摩擦、磨損和腐蝕及高溫高壓、高含H2S和CO2等問題，不僅造成工具損壞、腐蝕、成本增加和產量降低等問題，還增加了作業風險和環境污染等負面影響。例如常見的關鍵易損零部件有鉆頭、膨脹錐、柱塞、轉子、光桿等，而高性能納米涂層有望解決上述難題。新型高硬度耐磨納米涂層不同于傳統單相納米晶等耐磨涂層技術，主要是利用兩相陶瓷在微結構方面進行周期性調制，形成共格外延生長的納米多層膜結構以獲得高硬度及耐磨性能；或利用兩種納米晶陶瓷材料進行復合，形成納米超硬復合膜結構以獲得高硬度及耐磨性能的先進技術，可滿足石油鉆頭表面對超高耐磨耐熱氧化性能的需求。