納米技術在石油勘探開發領域的應用（下）

上期石油圈帶來了“納米技術在石油勘探開發領域的應用（上）”，其中主要涉及到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，本期石油圈將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。

納米材料

納米技術最直接的應用就是在油田開發各階段加入具有納米尺度或其他納米特性的顆?；蛉橐?，統稱為納米化學劑。由于納米化學劑顆粒尺寸小、比表面積大，所以納米顆粒表面活性原子數、表面自由能和界面張力隨粒徑下降急劇增大，使其流變性、潤濕性、表面效應、微粒運移等方面表現出異于常規化學劑的特性。

本文結合油氣田開發過程中對化學助劑的實際需求，從以下幾個方面綜述國內外近年來有關納米材料在石油開發各領域的應用狀況及發展方向。

尺寸與表面效應

隨著非常規油氣資源開發的不斷深入，越來越多的常規化學劑難以滿足儲集層的注入要求。納米材料不僅能有效解決注入性問題，而且還表現出特有的穿透能力，特別是對于非常規油氣資源，只有具備小尺寸效應才能大幅度提高化學劑在地層的擴散率，才可能將納米流體注入儲集層指定區域，從而達到顯著提高采收率的目的。

納米顆粒也具有很強的表面效應，納米級粒子的比表面積大，使其與其他介質（礦物質表面、金屬鹽等）之間化學鍵的結合強度增強。所有納米材料（硅、釩、鉬、鎢等氧化物）表面均富含端氧、橋氧等活性修飾位點，這為納米材料表面穩定修飾與改性提供了基礎，表面修飾改性后形成的納米化學劑才可具備潤濕性改變、抑制微粒運移、納米過濾、剪切增稠等特殊性能，從而滿足油田開發各階段實際需求。

潤濕特性

在提高原油采收率的過程中，巖石潤濕性是影響驅油效果的重要因素，對于流體分層及其在孔隙中的分布起到重要作用?，F有化學劑也具有一定改變油藏潤濕性的功效，可根據巖石表面帶電效果適量吸附不同類型陰、陽離子表面活性劑，調節表面活性劑親水、親油特性實現巖石潤濕性轉化。但總體來說，常規表面活性劑分子尺寸受限，注入困難，難以用于非常規油氣資源的高效開發。在地層條件下，表面活性劑耐溫、耐鹽性能較差，且單一分子均含有親油、親水基團，大規模制備及應用成本較高。

活性納米材料通過表面改性可具備憎水、親水或雙重潤濕性的能力。Wang等研究了改性納米SiO₂改變巖石潤濕性的機理：攜帶介質將改性納米SiO₂帶入地層，由于表面的高能態和表面原子的極不穩定性，改性納米SiO₂將會吸附在砂巖表面，使巖石潤濕性發生反轉，由親水轉為親油，降低注入水的流動阻力，從而大幅度提高注入水滲流能力。該項特性應用最廣泛的是納米分子沉積膜（MD膜），用MD膜調節巖石潤濕性，通過改變巖石表面性質實現低滲透油藏降壓增注。

抑制微粒運移特性

油田開發過程中礦物微粒會發生不同程度的運移，導致多孔介質的滲透率降低，對儲集層造成一定傷害。通過納米材料或乳液可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及很強的吸附傾向，一方面，納米流體可以進入不同孔隙的儲集層單元；另一方面，由于納米流體與巖石礦物的相互作用，大量的納米粒子吸附在巖石或黏土表面，利用納米粒子與巖石礦物之間的雙電層排斥力固定微粒位置，防止微粒運移，有效抑制黏土膨脹和分散。

Habibi等報道了將納米氧化鎂流體注入水敏地層，防止水沖擊地層而損害流體通道的實驗研究。結果表明，納米氧化鎂顆?？勺鳛轲ね练€定劑，在不同礦化度條件下抑制黏土水化膨脹與顆粒運移，保持儲集層滲透率基本不變；該穩定劑還具有較高的比表面且帶有大量電荷，能有效抑制黏土顆粒的分解，防止細小粉末顆粒運移堵塞孔喉，從而保護水敏地層。

Al-Malki等研究結果顯示，在鉆井液中加入海泡石納米顆?？杀３至髯兎€定性，提高鉆井液的抗濾失、抑制黏土膨脹等性能。

剪切增稠特性

現有堵水、調剖材料均以凝膠、體膨顆粒及聚合物微球為主，材料自身無法變形，材料的物理化學性能不隨外界條件發生變化。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。

剪切增稠流體（Shear thickening fluid，STF）包括剪切增稠液和剪切增稠凝膠等，Bender等報導了這類納米材料的剪切增稠機理。Raghavan等提出了剪切增稠過程中的應變增加情況及流變特性產生的條件和區域。Hoffman研究了剪切增稠現象的成因及微觀結構的變化過程，并討論了在穩態剪切流動、擺動流動和重合流動中粒子間的相互影響。同時指出二氧化硅的含量越高，液體體系的初始黏度越大，剪切增稠階段的增稠效果越強，且初始剪切變稀效果也越明顯。

納米光催化特性

納米光催化技術基于納米光催化劑在紫外線照射下具有的氧化還原能力而凈化污染物，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潛力。

納米光催化劑通常為TiO₂，只能在紫外光（波長小于385nm）激發下進行光催化反應。目前，提高可見光催化效率的方法有離子摻雜、半導體復合、表面光敏化催化降解以及TiO₂表面無定形化。Wang等發現石墨烯狀碳氮化合物具有光催化分解水的性能，將TiO₂負載化、制成微/納分級結構以及負載磁性物質等，可解決催化劑分離回收難題。TiO₂光催化技術比較適合去除水中痕量的有機物，因此將該技術同其他處理技術聯用可極大擴大其應用領域。

如將光催化和電化學聯用的新型深度氧化技術可提高污水處理程度；光催化技術同Feton試劑結合可加速光催化反應速度；反滲透技術同光催化技術結合可改進凈化效率等。納米光催化技術日趨完善，有望用于油田污水中聚合物和表面活性劑體系的處理。

納濾特性

納濾特性（Nano filtration）是以壓差為推動力，介于反滲透和超濾之間的截留水中顆粒物的一種膜分離技術。

納濾過程的關鍵是納濾膜，對于石油工業廢水處理具有兩大優勢：①能夠凈化并淡化用于二次或三次采油的注入水，利用納濾膜可將采出液廢水分離成富油水相和無油低礦化度水相，把富油水相直接轉為破乳脫水，無油低礦化度水相直接配制回注。②納濾膜可完全破壞采出液的水包油或油包水結構，實現油水分離，降低破乳脫水難度，同時還可將采出液中的活性物質（聚合物、表面活性劑、堿等）分離回收并利用，降低提高采收率成本。

納米防腐耐磨特性

在石油鉆采工程領域，地面和井下工具都面臨著磨損、腐蝕、高溫高壓、高含H₂S和CO₂等復雜環境，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，它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，以滿足石油鉆頭表面對超高耐磨耐熱氧化性能的需求。

總結與展望

以納米技術為核心的創新研究已廣泛出現在油氣勘探開發的多個領域，并可能突破油氣開發技術的瓶頸。結合油氣田勘探開發需求及納米技術研究現狀，比較現實的應用發展方向主要包括以下3方面。

• 納米表征及數值模擬技術優勢明顯。隨著頁巖油氣和致密油氣資源的有效勘探和合理動用，納米表征及分析手段將為儲集層精細描述、巖石物性分析、流體運移規律研究、油氣信息捕捉等方面提供決策參考和技術支撐。
• 納米傳感技術破譯油藏“黑匣子”。納米機器人已經為油藏解釋、剩余油氣分布及評價提供了技術思路。納米微電子、納米傳感、納米識別等技術有望成為實時探測油藏屬性、尋找油氣資源的終極手段。
• 納米材料的應用可大幅提升石油天然氣的開采效率。未來油田開發技術必須具備“目標導向”與“復合功能”，納米材料為此提供了技術可行性。例如：納米分子沉積膜可用于低滲透油藏降壓增注；納米智能流體可用于堵水調剖；納米顆?？捎糜谔岣咩@井液性能，納米催化劑與納米濾膜可用于油藏原位改質與后期水處理；納米涂層可用于工程領域防腐等。

此外，由于納米材料普遍具有大量可用于化學修飾的活性位點，未來油田開發將以納米材料為基礎，以化學改性為手段，在同一納米材料上集成多種功能，真正賦予納米材料“目標性”與“智能性”，將“一劑多能”、“一劑多用”變為現實。如可通過納米材料化學修飾方法將普通驅油劑“擴大波及體積”與“提高洗油能力”的兩大特性賦于同一納米材料上，真正實現“智能化”驅替，大幅度提高油田采收率。

隨著納米技術的高速發展，預計未來會陸續涌現顛覆性新技術。納米催化劑原位改質難動用原油技術有望實現有機質的原地轉化和開采，將高能耗、高污染的“地上煉油廠”模式發展到優質清潔的“地下原位煉油廠”模式。此技術不可逆地將未成熟的有機質轉化成為高品質的輕質原油，或將低品質的原油轉化為高品質的輕質原油。

如能實現，將大幅度降低原油開采難度、提高油品質量，同時也將提升原油附加值；實現環保和節能，不需要大型水力壓裂，減少了用水量，減輕了地層和地面的環保壓力；為利用太陽能、風能等清潔能源進行不連續加熱提供了可能；降低了成本，減少了二氧化碳的排放量。

另外，人工模擬納米光合作用技術也逐漸嶄露頭角，一系列革命性的“太陽能-化學能轉換和人工光合作用”研究成果正在形成。該技術可利用納米光催化在太陽光下將水分解成氫和氧，氫可直接用作汽車燃料或者被存儲用于發電，還可利用新型納米催化材料或微生物使氫與二氧化碳結合形成甲烷等清潔能源。未來，人類可利用“人工納米光合作用系統”簡便地產出可再生的清潔燃料，在化解深度挖掘化石類能源資源潛力難題的同時，有效緩解二氧化碳的處理難題，從根本上顛覆傳統化石能源。

綜上所述，納米技術已應用于油田勘探開發的各個領域，并顯示出巨大潛力。雖然近些年取得了長足進步，但納米技術涉及多學科交叉，在機理解釋、物性評價、產品研發等方面仍有待完善。另外，納米材料降本增效任務仍很艱巨，現有納米材料的高成本直接導致多數新材料停留在室內研究階段，如何有效地降低納米材料制備與修飾工藝成本，將最終決定納米技術的應用效果。

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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