石墨烯能否助力石油圈

■ 敏 銳

隨著油氣資源的不斷深入開發，常規油氣資源的品位越來越差，開發難度進一步增大。作為鉆井行業的“血液”輸送環節，井筒工作面臨著巨大的挑戰。經過多年探索，石墨烯材料成為繼碳納米管之后的材料領域的新寵，石墨烯材料領域研發的持續創新將有力促進鉆井業的發展。

什么是石墨烯？

石墨烯(Graphene)是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功從石墨中分離出石墨烯，證實它可以單獨存在，兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。石墨烯既是最薄的材料，也是最強韌的材料，斷裂強度比最好的鋼材還要高200倍，拉伸幅度能達到自身尺寸的20%，是目前自然界最薄、強度最高的材料。石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；它非常致密，即使是最小的氣體原子(氦原子)也無法穿透。這些特征使得它非常適合作為透明電子產品的原料，如觸摸顯示屏、發光板和太陽能電池板。石墨烯目前最有潛力的應用是成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來生產未來的超級計算機。用石墨烯取代硅，計算機處理器的運行速度將會大大加速。

石墨烯的結構示意圖

實際上石墨烯本來就存在于自然界，只是難以剝離出單層結構。石墨烯一層層疊起來就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過，留下的痕跡就可能是幾層石墨烯。

石墨烯的優質特性與廣泛用途

——優質的導電性。石墨烯結構非常穩定，石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌，當施加外部機械力時，碳原子面就會彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來適應外力，也就保持了原來結構的穩定性。這種穩定的晶格結構使碳原子具有優秀的導電性。石墨烯中的電子在軌道中移動時，不會因晶格缺陷或引入外來原子而發生散射。由于原子間作用力十分強，在常溫下，即使周圍碳原子發生擠撞，石墨烯中的電子受到的干擾也非常小。石墨烯是目前已知的世界上導電性最好的材料，電子在其中的運動速度達到了光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。

——出色的導熱性。石墨烯具有極高導熱系數， 近年來被提倡用于散熱等方面，在散熱片中嵌入石墨烯或數層石墨烯可使得其局部熱點溫度大幅下降。中國科學院山西煤炭化學研究所研制出的高導熱石墨烯/炭纖維柔性復合薄膜，其厚度在10～200μm之間，其導熱系數高達6600W/mK。優異的導熱性能使得石墨烯有望成為未來超大規模納米集成電路的散熱材料。

——杰出的機械特性。在石墨烯樣品微粒開始碎裂前，它們每100納米距離上可承受的最大壓力居然達到了大約2.9微牛（μN）。據科學家們測算，這一結果相當于要施加55牛頓的壓力才能使1微米長的石墨烯斷裂。如果用石墨烯制成包裝袋，它將能承受大約兩噸重的物品。在塑料里摻入百分之一的石墨烯，就能使塑料具備良好的導電性；加入千分之一的石墨烯，能使塑料的抗熱性能提高30攝氏度。在此基礎上可以研制出薄、輕、超強韌的新型材料，用于制造汽車、飛機和衛星。

隨著批量化生產以及大尺寸等難題的逐步突破，石墨烯的產業化應用步伐正在加快，基于已有的研究成果，最先實現商業化應用的領域可能會是移動設備、航空航天、新能源電池領域。

近期，石墨烯超級電池的成功研發，也解決了新能源汽車電池的容量不足以及充電時間長的問題，極大加速了新能源電池產業的發展。這一系列的研究成果為石墨烯在新能源電池行業的應用鋪就了道路。

由于高導電性、高強度、超輕薄等特性，石墨烯在航天、軍工領域的應用優勢也是極為突出的。前不久美國NASA開發出應用于航天領域的石墨烯傳感器，就能很好的對地球高空大氣層的微量元素、航天器上的結構性缺陷等進行檢測。

石墨烯在石油工業中大有可為

石墨烯是繼碳納米管之后新一代碳材料。石墨烯不僅是目前單位質量強度最大的材料，還具有獨特的導電性能，且易于功能化，使墨烯的應用領域前景十分廣闊。目前，石墨烯的復合材料在能量的儲存和轉化、催化、電子器件、高強度材料、化學和生物傳感、生物技術等領域引起了廣泛的關注。針對石墨烯的研究和關注還在持續升溫。

部分學者針對石墨烯在石油行業的應用開展了研究工作。加入石墨烯以及改性石墨烯的鉆井液濾餅薄而致密，能夠有效的改善濾餅的質量和減少鉆井液進入地層。柔性的石墨烯納米片能夠進入小于自身尺寸的孔隙，鉆井液濾液有大量的石墨烯納米片存在。甲醇改性的氧化石墨烯加入到鉆井液中導致更低的濾失劑量。氧化石墨烯具有優異的降濾失性能。

石墨烯作為材料領域的新寵，在石油行業具有廣闊的應用的前景。首先，石墨烯材料作為鉆井液降濾失劑，展示出優異的降濾失劑性能。石墨烯材料有望展示出優異的抗鹽性能，特別是二價金屬離子，具有獨特的效果。

石墨烯材料邊緣帶有大量的羧基和羥基等活性基團，通過改性引入氨基等吸附基團，增強石墨烯材料與巖石的吸附作用。大面積高強度的片層材料吸附到巖石表面，阻止水分的進入。石墨烯薄而強度大，大大減少了用量，能夠有效降低鉆井成本。通過合理的改進，石墨烯材料有望成為獨特的頁巖抑制劑。石墨烯材料吸附到巖石的表面，由于石墨烯材料的強度比較大，能夠承受一定壓力，有望解決頁巖納米孔隙封堵的瓶頸。

通過引入與金屬離子相互作用的基團，石墨烯材料吸附到鉆具的表面，可以在鉆具表面形成一層薄膜，這層柔性的薄膜減少了鉆具與鉆井液、鉆具與巖石的摩阻，能夠有效提高鉆井液的潤滑性能。通過引入疏水基團，減少鉆具與鉆井液的作用力，能夠有效的防止泥包、卡鉆等事故的發生。

石墨烯材料吸附到巖石表面有利于維持井壁的穩定。作業結束后，在地層壓力下，遇到油層后，從巖石表面吸附下來。然后反排至地面。石墨烯材料環保，粘度低，易于反排，在完井液與修井液中有廣泛的應用前景。

石墨烯在轉向酸化液核心處理劑以及堵漏劑等方面的應用也是大有可為。石墨烯是由強酸氧化而成，在酸性條件下能夠穩定存在。通過分子改性、備鈣離子敏感的石墨烯材料，有望成為用量少、成本低、性能優異的轉向酸。石墨烯與大部分高分子聚合物能夠形成弱凝膠體系，這種通過非共價鍵形成的弱作用力，具有環境響應性，有望成為新一代的壓裂液體系。

針對鉆井中的惡漏、大漏，目前沒有成熟的技術對策，往往不計次數、不計成本地進行堵漏作業。高分子凝膠體系由于不受孔徑限制、成膠可控、破膠可控，而成為堵漏方面的新材料。石墨烯可與聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚乙烯醇、羧甲基纖維素形成凝膠體系，增強凝膠的強度。同時，石墨烯材料與巖石具有優異吸附能力，石墨烯與高分子凝膠復合物有望解決惡漏、大漏的問題。

石墨烯材料優異的性能，有望成為新一代的井筒工作液體系，在頁巖氣、煤層氣、致密氣等非常規油氣資源開采過程中發揮獨特的作用，這也是值得石油領域廣大科技人員注意的發展趨勢。