納米技術在石油勘探開發領域的應用（上）

納米技術、信息技術、生物技術是21世紀科技創新發展的3大動力。中國科學院白春禮院士給出了納米技術的定義：納米技術（nanotechnology）是用單個原子、分子制造物質的科學技術，研究結構尺寸在1～100nm材料的性質和應用。

納米技術包括納米材料設計、制造及納米測量等，已在電子、生物、醫療、航空、軍事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，并已逐漸進入傳統化石能源及新能源研究領域。預計到21世紀中葉，一次能源仍占主導地位，但隨著油氣資源開發的不斷深入，現有常規油氣資源的品位逐漸變差、開采難度與日俱增；非常規油氣資源受限于現有技術，開發效率較低。

在當前油氣資源勘探開發日趨困難的背景下，納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，并已經獲得了階段性研究成果：①納米精細表征技術實現有效儲集空間評價；②納米傳感與納米顯影技術提高了油藏特征參數監控水平與描述精度；③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；④納米新材料為鉆井、致密油氣儲集層改造及提高采收率等領域提供了有效的技術支持。

本文廣泛調研現有納米技術在石油勘探開發領域的研究現狀，結合油氣勘探開發的實際需求，闡述納米表征、納米傳感、微納米介質中流體運移數值模擬及納米材料4方面在石油勘探開發領域的研究進展與應用情況，探討并展望未來納米技術的應用關鍵與發展方向。

納米表征技術

納米技術的基礎是納米材料，納米材料獨特的特性源于其納米尺度效應，因此，對納米材料精確表征是納米研究的根本，而表征技術的創新又不斷推動著納米新技術的發展。

儲集層是由不同礦物顆粒組成的具有一定結構與極強非均質性的多孔材料，其中存在大量天然的微納米級礦物顆粒、孔隙以及有機質團簇等，從微觀的角度可視為復雜天然納米材料的集合體。對儲集層的研究通常關注儲集空間、殘余流體賦存情況及固體有機質的分布等。

納米表征技術是指針對納米尺度分析對象的物質組成、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3個方面。

礦物組成

礦物組成指構成儲集層礦物及有機質的化學元素及其相關關系，對應的分析設備如：用于元素分析的X射線能譜儀（EDS）、X射線波譜儀（WDS）、X射線熒光光譜分析儀（XRF）、X射線光電子能譜分析（XPS）、原子吸收分光光度計（AAS）、電感耦合等離子光譜（ICP）等。

其中，EDS、WDS、XRF、ICP等已被大量用于石油工業研究，包括通過元素分析鑒別礦物的種類，研究礦物在成巖、流體作用過程中的轉化規律，以及分析有機質元素組成等。

微觀孔隙結構

對儲集層微觀孔隙結構進行表征的設備有：用于微觀晶體結構分析的X射線衍射分析儀（XRD）、超高分辨透射電鏡（TEM）；用于分子結構分析的紫外-可見光譜（UV）、紅外光譜（IR）、核磁共振（NMR）和質譜（MS）儀等；用于微納米顆粒尺寸、復合材料形貌研究的二維成像方法如掃描電鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）等，三維成像方法如多尺度X射線CT及聚焦離子束掃描電鏡（FIB-SEM）等。

其中，XRD已成為儲集層礦物分析領域必不可少的設備，UV、IR、NMR、MS被廣泛用于石油等有機質中不同化學組分的研究。氬離子拋光-場發射掃描電鏡技術、納米CT、微米CT等設備在儲集層孔隙結構表征及連通性定量分析中，尤其在非常規油氣儲集層表征中發揮了重要作用。三維分析技術可獲取微納米孔喉結構三維特征，將孔隙及基質提取后得到數字巖心，數字巖心技術的發展有力地推動了非常規油氣滲流機理的研究。TEM、AFM在儲集層礦物、有機質研究領域也有應用，但標志性的研究成果未見報道。

巖石物理性質

巖石物理性質研究指對巖石力學、熱學、光學、電學、磁學等物理性質以及化學性質的表征分析，涉及多種方法、技術與裝備。石油勘探開發等領域均開展了針對儲集層巖石物理性質的研究，例如，巖石的聲學研究對應于地震測井，巖石的電學研究對應于電測井，熱學研究對應于火燒油層等熱力儲集層改造等。

由于開采對象尺度問題，納米技術尚未大量應用，相信在不久的將來，隨著非常規油氣資源相關研究的不斷深入，大量微觀尺度下的物理性質測試研究將逐年增多。

近年來，非常規油氣儲集層精細表征研究已初步實現從宏觀到微觀，從二維到三維的跨越式發展。隨著儲集層研究的不斷深入，基礎研究已擴展至更微觀領域，甚至將開展分子、原子級的機理研究及溫壓作用下的原位模擬研究。因此，透射電鏡、掃描隧道顯微鏡、超高分辨率熒光顯微鏡、原子探針等超微區原位分析方法也將被引入石油行業。

另外，在地層溫度、壓力作用下，流體在儲集層中的微觀運移規律、流體及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。例如，利用可模擬真實地層條件的巖心夾持器，在同步輻射X射線CT線站研究流固耦合作用規律等。

納米傳感技術

在工業領域，人類對微型多功能設備的研究從未停止。在石油工業，人們希望制造專門針對油藏描述的納米傳感器，并提出了油藏納米機器人的構想。

儲集層納米傳感器

20世紀80年代中后期，微機電系統有效地結合了電子工程、材料工程、機械工程、信息工程等多項科學技術工程，制作了集微型機構、微型傳感器、微型執行器及信號處理和控制電路、接口、通信電源等于一體的微型器件及系統，但器件尺寸仍較大，多在厘米—微米量級。

隨著科技的進一步發展，納機電系統得以實現，特征尺寸只有1～100nm，構成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。納機電系統是真正基于納米材料及其特殊效應的微器件，它集成納米材料的優異性能，納米級的尺寸使注入儲集層微小孔隙成為可能。

將納機電技術與油氣行業需求相結合，利用先進納米材料如石墨烯、碳納米管、磁性納米顆粒、壓電材料等制作可耐溫壓、納米級尺寸的傳感器件，從井筒注入，彌散于儲集層中用于描述地層參數。例如納米顯影劑、納米信號增強劑即起到了簡單納米機器人的作用，它們能隨流體進入儲集層孔隙，改變儲集層局部電、磁、聲學特征，使油層、水層在電測井、核磁測井、微地震測井等曲線上區分度更高，以獲得更多有關儲集層孔隙度、滲透率、含油飽和度等的信息。

常規油氣儲集巖內部孔隙直徑通常大于2μm，高品質的儲集巖孔隙直徑通常超過30μm（宏觀孔隙或大孔隙）、喉道直徑超過10μm。良好的孔隙為納米傳感器的注入提供了無限可能。相對而言，非常規儲集層由于孔隙、喉道直徑多在1μm以下，嚴重限制了納米傳感器的進入與移動。因此，儲集層納米傳感技術對象為常規油氣儲集層。另外，納米傳感功能的實現對納米材料的性能提出了更高的要求，要求納米材料既能自由進入油藏、避免沉積堵塞孔隙，又能記錄或傳輸信息。

美國AEC（Advanced Energy Consortium）組織資助的德州大學研究團隊近年來對多孔介質中磁性納米顆粒在流體中負載運移做了很多研究，結合實驗及物理模擬研究了納米顆粒在多孔介質中的分布。

AEC正在研發成像增強顯影劑、靶向釋放的納米傳感器以及用于壓裂裂縫表征的納米傳感器等。Agenet等制備了熒光納米顆粒，用于流體的智能示蹤。Ryoo等通過實驗制備了順磁納米流體，并模擬了磁性顆粒在多孔介質中的運移規律。上述工作目前仍處于實驗室攻關階段，但已表現出工業化可行性。

油藏納米機器人

油藏納米機器人是集油藏傳感器、微動力系統、微信號傳輸系統為一體的微型油藏探測設備。沙特阿拉伯阿美石油公司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，并于2010年6月首次成功地進行了現場測試。

在獲得較高回收率的同時，攜帶納米機器人的流體也具有很好的穩定性和流動性。理想的油藏納米機器人是尺寸不到人類發絲直徑1/100的功能性納米器件，可以隨注入水進入地層，沿途感知并實時記錄油藏及流體信息，包括油藏溫壓、孔隙形態及流體類型、黏度等，并將這些信息存儲起來或實時傳送到地面，在生產井中隨原油產出并回收循環使用。

油藏納米機器人探測技術的空間分辨率遠高于地震、測井和巖心三維掃描分析，可對整個油藏及流體針對性地定量分析。由納米機器人獲取的數據經分析后可用于輔助圈定油藏范圍，繪制油藏裂縫和斷層特征圖，識別和確定高滲流通道，準確描述油、氣、水空間分布以及剩余油氣位置及品位等信息，確定并優化井位設計和建立有效的地質模型。

目前送入油藏的納米機器人尚無多功能探測及運動能力，預計下一代油藏納米機器人在5～10年內投入油藏，將擁有多參數識別傳輸功能，甚至具備驅油能力。

即使在不考慮研發成本的情況下，油藏納米機器人概念的實現仍面臨諸多挑戰，主要包括：尺寸微型化、器件穩定性、運動能力、信號傳輸檢測、回收分離及重復使用等。作為注入儲集層的功能性納米粒子或納米器件，首要一點是尺寸要小，而其體積在不同的油藏孔隙中均有一個上限。沙特阿拉伯阿美石油公司在該領域進行了一些試探性研究，認為納米機器人的尺寸應為喉道直徑的1/4左右；其次納米機器人本身的可靠性也是一個棘手的問題，要接受地層條件下溫度、壓力、流體鹽度、pH值等苛刻條件的考驗，Shiau等研究了碳納米管-氧化硅納米復合顆粒懸浮液的穩定性及其穿過多孔介質的能力；另外，在多孔介質中納米器件能否隨流體注入、不發生自發團聚、不吸附到孔壁表面等都是要解決的問題；信號的檢測問題，由于納米器件本身體積小或聚集的濃度較低，其信號是否被地層復雜的非均質礦物信號掩蓋也必須在設計時考慮；對于可回收的納米機器人，如何有效地從流體中分離而不破壞其信息，收集的信息如何解譯等問題也會隨之而來。

油藏納米機器人關鍵技術仍有待突破，納米科學技術的發展會推動油藏納米機器人的發展，納米發電機、納米原位催化裂解等技術的不斷發明與創新將會使它最終實現工業化應用。

微納米介質中油氣運移模擬技術

隨著非常規油氣儲集層中油氣流動規律研究的不斷深入，數值模擬不再僅局限于毫米、微米級的滲流模擬，而是拓展到微小孔隙中油氣分子、原子層面的運動模擬，并涉及礦物、有機質與油氣水之間相互作用。

儲集層樣品強烈非均質性導致影響流體、巖石相互作用的因素眾多，國內外常規物理實驗通常直接獲得多個因素影響下的某一宏觀參數，再根據數據做出各因素的影響趨勢圖，然后討論某個因素的影響。但以上方法獲得的趨勢結果無法從機理上明確溫度、壓力、礦物或有機質表面潤濕性等各主控因素的影響分量。另外，高溫、高壓以及復雜流體等條件共同參與的苛刻地層條件嚴重影響了實驗室物理實驗分析檢測設備的在線搭建。

納米介質數值模擬能從根本上解決以上問題，如用于微觀滲流模擬的格子玻爾茲曼模擬，通過控制初始分子類型及元素組成比例、結構模型與溫度壓力條件，利用可控變量法單獨研究某一主控因素對流體滲流或氣體-礦物間相互作用規律的影響，能深入到分子層面更直觀地反映油氣在不同尺度多孔介質中的運移機理。該模擬技術將在儲集層研究中發揮重要的作用。

由于頁巖的復雜性，頁巖氣在儲集空間中運聚機理尚不明確，導致頁巖氣資源量評價、產能評估和高效開采多個環節受限。在利用分子模擬研究甲烷吸附-解吸附過程中，通常采用石墨、蒙脫石、氧化硅等壁面來模仿頁巖儲集層的孔隙結構。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線有所偏差。因此，要想指導生產，還需在模型簡化與參數設置之間尋找平衡。

最初人們采用碳原子構建壁面，孔隙類型多為平行板狹縫孔模型或碳納米管模型，該模型在均一納米材料（如活性碳）氣體吸附模擬中效果良好。然而對于頁巖氣，因為單純由碳原子構建的狹縫孔或管狀模型過于簡單，與頁巖儲集層中無機質孔隙及有機質孔隙均有較大差異，因此引入蒙脫石、氧化硅等更接近頁巖孔隙的壁面來模擬其無機質孔隙。

Tenney等在狹縫孔壁面添加了不同官能團，用分子模擬研究了材料表面不同成分非均勻性以及不同孔隙結構對氣體吸附的影響。Zhai等基于蒙脫石的晶體結構，建立了更加精確的全原子模型，并利用蒙特卡羅法模擬和分子動力學模擬分別研究了不同埋深時頁巖氣吸附與擴散的機理和規律及孔徑對頁巖氣吸附的影響。Jorge等通過在孔壁引入羰基來表征表面的化學非均勻性，模擬了非極性乙烷和極性水分子在狹縫狀活性碳孔中的吸附。

而對于頁巖氣儲集極為重要的有機質孔隙，其內部包含芳香族和脂肪族結構，同時還有多種表面官能團，這種化學非均勻性會直接影響氣體吸附量、吸附相密度等，進而影響甲烷的吸附機理。相對而言，油氣在頁巖中有機質微觀孔隙內吸附及運移規律分子模擬的相關報道較少。

油相比氣體分子量大、成分復雜，以液態或半固態形式賦存于儲集層中。針對致密儲集層油的液-固相互作用的分子模擬研究較為復雜，開展工作較少，但利用分子動力學，可以研究開發過程中驅油劑對吸附在壁面上油分子的作用。

Wang等利用分子動力學模擬了開發過程中瀝青自聚機理，并研究了油水微乳液油水界面處瀝青的形為和移動規律以及驅油劑對吸附在孔隙壁面油分子的作用。另外，CO₂地下封存及CO₂提高采收率也是近年來研究的熱點。以下研究將為CO₂提高采收率分子模擬研究提供思路：Nicholson等用巨正則蒙特卡羅方法（GCMC）考察了孔隙大小和分子間作用力場對CH₄/CO₂選擇性的影響；Babarao等也用GCMC法研究了狹縫孔和圓柱孔對CH₄/CO₂混合氣體吸附行為的影響；Liu等在Tenney模型的基礎上加入了羰基和環氧基基團，用復雜模型模擬了CH₄/CO₂的吸附行為。

非常規油氣資源的主體儲集空間為微納米孔隙，極低的孔隙度、滲透率和強烈的非均質性導致吸附、擴散實驗的誤差大，且儲集層溫度和壓力很大，實驗室物理模擬較難，因此微納米介質中油氣運移數值模擬技術將成為探究頁巖油氣及致密油氣運聚機理、分布模式及資源評價的重要手段。

本期石油圈帶來了可應用到石油勘探開發領域的納米表征技術、納米傳感技術以及微納米介質中油氣運移模擬技術，下期石油圈將帶來“納米技術在石油勘探開發領域的應用（下）”，主要闡述納米材料在石油勘探開發領域的研究進展與應用情況，探討并展望未來納米技術的應用關鍵與發展方向。

版權聲明 | 來源：《石油勘探與開發》，作者：劉合等，版權歸原作者所有。?

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