石油圈
為了適應環境、延續生命，自然界中的生物經過億萬年的進化和優勝劣汰，造就了近乎完美的結構、形態和功能。五彩繽紛的自然界一直是人類產生各種技術思想和發明創造靈感的不竭源泉，從千百年前模仿蜘蛛織網發明漁網，到近代模仿鳥類飛翔發明飛機，再到21世紀模仿鯊魚皮結構發明鯊魚泳衣，人類一直在向大自然學習，利用仿生原理和思想推動技術進步，對仿生學的使用也從無意識向有意識轉變。石油圈原創www.h29736.cn
仿生學是研究生物系統的結構、性狀、原理、行為以及相互作用，從而為工程技術提供新的設計思想、工作原理和系統構成的技術科學。自仿生學誕生到20世紀末，科研工作者經過幾十年的探索，逐步加深了對仿生學的認識和理解，初步掌握了仿生學研究方法，完成了基礎知識的積累。進入21世紀，仿生學的思維和方法迅速滲透到各個學科和行業，研究成果大量涌現，根據發表科學論文數量推斷，這一階段的成果占了總數量的近90％。在這一時期，仿生學在石油工程中也出現了應用案例，不僅利用仿生學理論解決了鉆井、管道防護等技術難題，并且對石油工業的技術創新理念和思維也產生了日益重要的影響。本文介紹了仿生學在石油工程領域的一些重要研究成果，在對仿生學在石油工程領域發展歷程深入分析的基礎上，提出了建立石油工程仿生學的必要性，并概括了石油工程仿生學的研究特點和方法，梳理了其發展方向。
仿生學的本質是模擬生命系統，其學科結合和行業結合的特點促進了優秀的仿生研究成果從科學研究走向生產實踐，最終投入實際應用。仿生學和石油工程的交叉在鉆井、管道、井筒、油藏等領域也產生了一些研究成果。石油圈原創www.h29736.cn
鉆井領域
仿生鉆井液
井壁穩定問題一直是困擾國內外鉆井的難題，水平井比直井的井壁失穩問題更加突出。中國石油大學（北京）根據海洋生物貽貝足絲蛋白的超強黏附能力，研制了仿生強固壁鉆井液體系。該技術在聚合物主鏈上接枝類似貽貝足絲蛋白中的一種關鍵基團，合成類似貽貝蛋白質的水溶性聚合物。仿生鉆井液體系在巖石表面自發固化形成致密且具有黏附性的“仿生殼”，起到維持井壁穩定的作用。試驗井現場鉆井試驗表明，該仿生鉆井液體系在抑制鉆屑分散、穩定井壁、攜屑等方面效果顯著。
此外，模仿細菌結構開發了含仿生絨囊的鉆井液，在鉆井過程中無需固相即可暫堵漏失儲層。目前，仿生絨囊鉆井液已在煤層氣欠平衡鉆井、空氣鉆井、防漏堵漏、快速鉆進等方面發揮了作用。
仿生PDC鉆頭
機械鉆速與使用壽命是衡量鉆頭性能的兩個重要指標，聚晶金剛石復合片(PDC)鉆頭因其出色的切削巖石速度和較長的使用壽命已成為最常用的破巖工具之一。然而，常規PDC鉆頭依然存在金剛石與硬質合金結合力不足、防黏效果不明顯、磨損較快等缺點。為此，吉林大學開展了仿生鉆頭研究工作，研發的仿生鉆頭已從最初的單一功能仿生，發展到目前的耦合仿生，鉆頭性能也由單一的減黏脫附發展到減阻、耐磨、切削效率等指標的綜合提升。仿生耦合PDC鉆頭借鑒了竹子中纖維素和木質素的分布方式，牙齒中有機／無機2種不同材料的梯度復合形式，樹木的年輪排布，貝殼表面的非光滑形態，以及螻蛄前足的快速挖掘特點等多種生物特性，并將其進行耦合設計?，F場試驗表明，仿生耦合PDC鉆頭比常規PDC鉆頭鉆進速度提高1.5倍，縮短了施工周期，降低了鉆井成本。
管道防護
仿生水草海底防沖刷技術
海底管道是海上石油輸送上岸的主要方式，然而，海底復雜流場所引起的海底沖刷造成了管道懸空，給海洋采油安全和海洋環保帶來重大風險。由于常規水下拋石、砂包堆壘、混凝土沉排墊等方法效果不理想，中國石油大學（華東）和中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司提出了一種模擬海草黏滯阻尼作用的仿生水草海底防沖刷技術。
當海底水流經過仿生水草時，其流速降低，減小了對海床的沖刷；同時，仿生水草促進海流攜沙的沉降淤積，逐漸形成被仿生水草加強的海底沙洲，達到了埋管目的?，F場試驗表明，防沖刷仿生水草施工1年后泥沙淤積厚度達20～50cm，防護效果良好。該技術在海管懸空治理中得到了大范圍推廣應用。石油圈原創www.h29736.cn
仿生血小板管道修復技術
英國Brinker公司模仿血小板在傷口處凝結的原理，開發了一種管道修復技術。在管道流體中加入Platelets微粒，當其流至裂縫處時，流體壓力迫使其進入裂縫，達到阻止泄漏的目的。該技術已應用在BP公司Foinaven油田的注水管道和阿帕奇公司在Forties油田超期服役的原油集輸管道上，為管道安全運行發揮了重要作用。
井筒領域石油圈原創www.h29736.cn
仿生泡沫金屬防砂技術
中國疏松砂巖油藏分布范圍廣、儲量大，開采過程中必須采取防砂措施。根據骨松質的三維立體結構，提出了一種仿生泡沫金屬防砂技術。泡沫金屬內部為三維孔隙結構，砂體進入孔隙后沉積在其中，但流通孔道不會被堵死，實現了常規平面防砂到三維立體防砂的轉變?；诜律菽饘俚膹秃戏郎肮?，由不同孔隙度的多個泡沫金屬防砂層、導流層、保護層等組成，該結構不僅擴大了防砂的粒徑范圍，還保障了防砂管的滲流能力和結構強度。目前，已發展出防砂粒徑0.15ｍｍ、0.25ｍｍ、0.35ｍｍ的系列化仿生泡沫金屬防砂工具，在油田應用5口井，對于出砂嚴重的井，防砂效果顯著，大幅延長了檢泵周期。石油圈原創www.h29736.cn
仿生非光滑表面膨脹錐技術
膨脹管作業過程中，膨脹錐與膨脹管內壁間存在巨大的摩擦阻力。為了降低摩擦阻力，提高膨脹錐的耐磨損性能，以穿山甲為仿生對象，模擬其體表的高強度保護鱗片結構，研發了仿生非光滑表面膨脹錐。仿生膨脹錐變徑段采用激光刻蝕、超音速火焰噴涂、離子束沉積等方式進行表面織構蝕刻以及表面硬質涂層涂覆。仿生膨脹錐在中國石油大慶油田進行了４井次的現場試驗，結果表明，與傳統脹錐相比，仿生膨脹錐降低膨脹壓力15％以上，表面無明顯磨損痕跡，延長了使用壽命，降低了作業風險。
仿生振動波通訊技術
自然界中，沙蝎、大象等動物能感受由固體介質即大地所傳導的振動波，據此進行信息傳遞。受此啟發，研發了一種仿生振動通訊技術，該技術在井口安裝大功率振動信號發生器作為波源，油管或套管為傳輸介質，將振動信號傳輸到井下，井下工具接收到振動信號并進行解調處理，實現地面和井下無線傳輸，技術原理和振動信號發生器。
油藏領域石油圈原創www.h29736.cn
納米機器人是仿生信息感知和傳遞的典型代表。納米級機器人隨著注入流體進入油藏中，記錄分析油藏壓力、溫度以及流體形態，并將這些信息儲存在隨身內存中，之后納米級機器人從產出流體中被分選出來，進而提供了在油藏旅途中提取的重要信息。沙特石油公司已經對納米機器人的尺寸進行了評估，對加瓦爾油田阿拉伯-D油藏中的８50塊巖心進行了分析，得到了孔隙－喉道尺寸分布圖，大多數孔隙喉道尺寸大于5μｍ。為了避免橋堵，納米機器人的尺寸應為孔隙喉道的約1／4。目前，納米顆粒注入試驗以及軟件模擬等工作已在進行中。
此外，國內外近年來提出了仿生形狀記憶聚合物材料（Shape Memory Polymer，簡稱SMP），利用ＳＭＰ材料能夠在轉變溫度控制下隨意變形的特性，設計了結構簡單、座封可控的仿生封隔器，座封過程不受井下流體性質影響，膠筒尺寸可定制，并且通過調節ＳＭＰ的轉變溫度，可適應不同井下溫度，以滿足不同井深條件下的完井需求。
除了硬件，還出現了“軟性”仿生研究成果。例如，中國科學院王守覺院士提出了“仿生模式識別”的概念，將傳統模式識別的“區分”事物轉變為“認識”事物，使之更接近人類“認識”事物的特性。石油工作者將這一理論應用到了油氣管道工況識別中，在樣本較少的情況下取得了較高的識別準確率。
版權聲明|文章來自石油學報，原文標題：石油工程仿生學應用現狀及展望，版權歸原作者所有。
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