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      納米材料技術(shù)在石油工業(yè)中的應(yīng)用

      2013-08-15 00:51:08錢伯章
      合成材料老化與應(yīng)用 2013年6期
      關(guān)鍵詞:納米技術(shù)采收率納米材料

      1 納米技術(shù)引領(lǐng)油氣工業(yè)的未來

      據(jù)美國《勘探與生產(chǎn)》2010年9月1日報(bào)道,隨著油氣工業(yè)步入21世紀(jì),上游領(lǐng)域?yàn)榱颂岣哂蜌獠墒章识粩嚅_發(fā)新技術(shù)。

      1985年,休斯頓賴斯大學(xué)研發(fā)出第一個(gè)“納米分子”碳60。1996年,Richard Smalley博士和 Robert Curl博士因該發(fā)現(xiàn)獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。2005年,Smalley博士去世后,賴斯大學(xué)的納米中心更名為Richard E.Smalley納米科學(xué)與技術(shù)研究所,主要致力于納米領(lǐng)域的創(chuàng)新研究。

      Smalley研究所所長Wade Adams博士認(rèn)為,目前的納米研究在未來10~50年內(nèi),將會(huì)對油氣行業(yè)上游領(lǐng)域產(chǎn)生巨大影響,并宣稱其正在研制的碳納米管纖維,理論上的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于現(xiàn)有任何已知的纖維。

      目前,碳纖維已用在波音787和空客380上。碳纖維強(qiáng)度為6吉帕,在實(shí)驗(yàn)室中碳納米管纖維的強(qiáng)度為碳纖維的2倍,而理論上應(yīng)為碳纖維強(qiáng)度的20倍。從本質(zhì)上講,這將使一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的SUV車的重量減少2/3,并能保持足夠的強(qiáng)度抵御意外事故。

      碳納米材料只是當(dāng)前納米技術(shù)研究中的一小部分。納米技術(shù)最初面臨的挑戰(zhàn)是如何開發(fā)納米材料,而現(xiàn)在這個(gè)問題正在解決,現(xiàn)在工程師們開始考慮這些納米材料的用途。納米技術(shù)在油氣行業(yè)的應(yīng)用潛力是無限的,通過注入“納米探測者”于油藏中,能夠精確描述油藏。

      隨著油田的不斷開采,目前大部分油田40%的儲(chǔ)量已被開采出來,剩下的60%仍然很可觀。為開發(fā)這些儲(chǔ)量,需要支持納米技術(shù)的長期研究,在未來10年里逐步提高石油產(chǎn)量。每隔10年納米技術(shù)就會(huì)更加先進(jìn),而與此同時(shí)油價(jià)將繼續(xù)上漲。未來10~30年里,納米技術(shù)用于油氣行業(yè)上游領(lǐng)域,將極大地提高油氣采收率。

      目前,包括航空和醫(yī)藥在內(nèi)的一些行業(yè)正在進(jìn)行納米技術(shù)方面的創(chuàng)新。與其他多數(shù)行業(yè)相比,石油公司在納米技術(shù)方面的研發(fā)相對少一些,而現(xiàn)在企業(yè)對技術(shù)創(chuàng)新的依賴程度比以往任何時(shí)候都要大。比如在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,正在開發(fā)納米材料用于治療癌癥,設(shè)計(jì)的納米微粒在人體的含鹽血液里發(fā)揮作用。同樣,生產(chǎn)石油的地下儲(chǔ)藏流體與人體含鹽的血液有相似性,納米微粒在血液中發(fā)揮的作用同樣可以在儲(chǔ)藏流體中實(shí)現(xiàn)。

      賴斯大學(xué)的科研經(jīng)費(fèi)在不斷增加,從300萬美元/年增加到1500萬美元/年,其中大部分用于納米技術(shù)的研發(fā)。投資于今天的新技術(shù)研發(fā),很有可能給未來的油氣行業(yè)帶來長期收益。

      2 石油工業(yè)受益于納米技術(shù)

      由于在大宗材料中只需添加少量納米材料就可明顯改變其光、磁、電性質(zhì),并形成具有各向異性的結(jié)構(gòu),納米材料因而成為制造傳感器的優(yōu)良材料,而且有加強(qiáng)圖像對比度的作用。

      利用很多納米材料具備的各向異性,可以使材料滲濾作用具有很強(qiáng)的方向性,因而能在不同方向上觀察到差異很大的電學(xué)性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)。

      這類納米材料與智能液體相結(jié)合,可以做成對溫度、壓力和井下應(yīng)力極為敏感的傳感器。這種傳感器最大的應(yīng)用價(jià)值在于,無需接觸就可獲得所需要的參數(shù)(溫度、壓力、應(yīng)力),而且利用納米顆粒獨(dú)有的光學(xué)特征表現(xiàn)(光吸收及熒光),無需對信號進(jìn)行放大。

      同樣,利用先進(jìn)的磁探測器、分光探測器及改進(jìn)的電腦,納米顆粒可以在成像過程中成為明顯的標(biāo)識。經(jīng)過化學(xué)改性處理的納米顆粒集合成不同的流體域或孔洞,通過實(shí)時(shí)監(jiān)測油藏和其中流體的流動(dòng)狀態(tài),就能有效提高波及效率,提高油氣采收率。而且,這種先進(jìn)探測器的納米顆粒用量很少,用于開發(fā)測試小井眼的儀器和方法,可最大限度地縮小鉆井占地,降低鉆探成本。

      另外,納米材料可以制做面積大、重量輕而且牢固的納米膜,新一代的納米膜可用于分離重油中的金屬雜質(zhì)和致密地層天然氣中的雜質(zhì)。利用微電子工業(yè)中的常規(guī)技術(shù),制造高度均一可再生重復(fù)使用的納米膜的成本在市場上具有競爭力。這類納米膜可用于脫除雜質(zhì)、分離氣流,提高天然氣合成油的產(chǎn)量。

      納米材料、納米成像和納米膜在油氣工業(yè)煉制加工方面大有用場。人們關(guān)心的是,納米顆粒對人的健康、對環(huán)境的影響,以及在生產(chǎn)中大量應(yīng)用納米材料的成本。另外,對納米顆粒的解析和性質(zhì)進(jìn)行定量研究的工具還有待于開發(fā)。這些都是科技界正在研究而且今后幾年仍要繼續(xù)研究的問題。從長期看,納米技術(shù)將有助于石油煉制、鉆井與環(huán)境問題的綜合解決。

      3 碳納米管可提高油田產(chǎn)量

      日本信州大學(xué)的科學(xué)家2008年10月開發(fā)出在石油工業(yè)中使用碳納米管來提高油田產(chǎn)量的技術(shù),有望實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量大幅度提高。

      據(jù)報(bào)道,研究小組負(fù)責(zé)人遠(yuǎn)藤守信說:“在鉆井系統(tǒng)中使用碳納米管可以開采到蘊(yùn)藏在更深處的石油,將油井的產(chǎn)量提高35%到70%。”

      遠(yuǎn)藤說,高溫和高壓是影響油田產(chǎn)量的主要障礙,在石油開采過程中,在鉆探桿中使用碳納米管能夠使鉆井工具承受260攝氏度的高溫和每平方厘米2.4噸的壓力。

      他預(yù)計(jì),這項(xiàng)新技術(shù)可在兩年內(nèi)用于石油生產(chǎn)。

      4 納米技術(shù)可望用于提高油氣采收率

      2009年4月8日在美國休斯敦召開的RMI油田開發(fā)論壇上,從事石油開發(fā)和生產(chǎn)的Meridian資源公司總裁Paul Ching表示,以原子和分子范圍對物質(zhì)進(jìn)行控制的納米技術(shù)可望用于使石油和天然氣采收率平均提高十個(gè)百分點(diǎn)。

      先進(jìn)能源財(cái)團(tuán)(Advanced Energy Consortium,AEC)和位于Austin的得克薩斯大學(xué)正在從事這方面的納米技術(shù)研究。

      研究人員表示,使用納米傳感器有潛力可評估油氣藏孔隙空間內(nèi)巖石和流體的性質(zhì)。

      現(xiàn)在平均的油氣采收率為28% ~30%,采用納米傳感器可望進(jìn)一步提高油氣采收率,據(jù)估計(jì),氣藏孔內(nèi)納米傳感器的商業(yè)化應(yīng)用將在5~10年實(shí)現(xiàn)。

      納米技術(shù)在石油和天然氣工業(yè)中應(yīng)用的研究將使開采所用材料和流體更為先進(jìn),預(yù)計(jì)在今后5年內(nèi)這些領(lǐng)域納米技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)呈“爆發(fā)性”發(fā)展。

      5 新型采油材料與技術(shù)在我國問世

      針對目前我國主力油田大部分已進(jìn)入高含水(90%以上)和高采出程度(20% ~35%)的現(xiàn)狀,中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員的光聚合與高分子材料研究組,在深入了解我國油田的地質(zhì)特征、油藏特性以及開發(fā)歷程的基礎(chǔ)上,研制出可大幅提高油田產(chǎn)量的納微米逐級深部調(diào)驅(qū)材料。該技術(shù)已經(jīng)得到我國相關(guān)油田的高度重視,有望在‘十一五’期間獲得廣泛推廣應(yīng)用。

      目前該材料和相關(guān)技術(shù)已在多個(gè)不同地質(zhì)條件和開發(fā)程度的現(xiàn)場進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,該材料可以進(jìn)入油層地層深部至少幾十米甚至上百米,在地層深部形成有效的封堵,對應(yīng)油井含水量明顯下降,原油產(chǎn)量大幅度提高,地質(zhì)對應(yīng)單井原油產(chǎn)量提高幅度達(dá)300%,有效期已經(jīng)超過7個(gè)月。

      據(jù)了解,在油藏的開發(fā)過程中,注水開發(fā)是補(bǔ)給地層能量、提高石油采收率的最經(jīng)濟(jì)和最有效手段。由于我國油藏大部分屬于陸相沉積,含油飽和度相對較低,儲(chǔ)層分散,滲透率級差大,因此,注水開發(fā)往往形成水相大型滲流通道,注入水不能在油藏中有效地推動(dòng)原油,很快地從油井流出,形成無效循環(huán),致使油井含水量上升很快,造成水淹?,F(xiàn)有的調(diào)剖材料和技術(shù)基本上都存在不能進(jìn)入地層深部,只是在近井地帶形成短小封堵,或者存在穩(wěn)定性和可靠性差、成本高等問題。

      納微米逐級深部調(diào)驅(qū)材料的設(shè)計(jì)原理是利用納微米尺寸的聚合物凝膠,保障材料可以沿滲水通道順利進(jìn)入地層深部,遇水膨脹后,通過對滲水通道孔喉的封堵,造成水流改向,實(shí)現(xiàn)注入水波及體積的擴(kuò)大。其工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵是解決如下兩方面問題:一是廉價(jià)穩(wěn)定生產(chǎn)納微米凝膠技術(shù);二是納微米凝膠水化膨脹和尺寸控制技術(shù)。理化所研制的納微米逐級深部調(diào)驅(qū)材料解決了這些問題。

      該項(xiàng)目的研發(fā)成功為我國‘三采’技術(shù)的應(yīng)用提供了更為廣闊的空間,為油田的注水開發(fā)提供了可靠、高效、經(jīng)濟(jì)的提高采收率途徑,是我國老油田改造和穩(wěn)產(chǎn)的重要技術(shù)手段之一,將為我國的石油工業(yè)作出不小貢獻(xiàn)。

      6 納米粉體增注技術(shù)破解增注難題

      2007年1月,一種納米粉體復(fù)合增注技術(shù),在中原油田采油二廠濮3-447和濮3-283兩口注水井上進(jìn)行了技術(shù)先導(dǎo)實(shí)驗(yàn),并獲得了重要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

      過去,由于完不成配注水量,給對應(yīng)的油井帶來嚴(yán)重影響。該廠有關(guān)技術(shù)人員對這兩口井實(shí)施了技術(shù)攻關(guān),他們經(jīng)過反復(fù)論證最終選用納米粉體復(fù)合增注技術(shù)。該技術(shù)是利用酸、堿等解堵材料與納米材料復(fù)合一起增注。施工前首先對地層進(jìn)行預(yù)處理,清除近井地帶孔隙中的油膜及地層中黏土以及鉆井液中的機(jī)械顆粒,以便納米粉體能牢固吸附在孔隙表面,然后將具有極強(qiáng)憎水親油能力的納米粉劑擠入地層。當(dāng)納米材料吸附到親水砂巖表面后,會(huì)改善水油兩相中水相的滲透率,從而大大地降低注入水的流動(dòng)阻力。

      據(jù)現(xiàn)場了解,這兩口井分別注入降壓增注劑40立方米,降壓增注效果明顯提高。

      7 提高石油采收率的納米有機(jī)金屬活性復(fù)合物

      提高石油采收率的納米有機(jī)金屬活性復(fù)合物由山東油化化工科技有限公司研制成功,并通過新產(chǎn)品鑒定。

      納米有機(jī)金屬活性復(fù)合物利用模板法原理,在活性聚合物中導(dǎo)入具有催化活性和磁性的油溶性納米金屬復(fù)合物。經(jīng)中國石油和中國石化兩大公司的有關(guān)油田試用,效果顯著:可使高粘、高凝原油即稠油的粘度至少降低到2%左右,且不粘管壁;提高稠油采收率約15%,并改善了原油品質(zhì);不含硫和氯,因此不對原油產(chǎn)生新的污染,有利于原油的煉制;對含原油的地層沒有損害等。至今國內(nèi)外真正將油溶性納米金屬復(fù)合物用于油田,提高稠油采收率的生產(chǎn)還未見報(bào)道。目前,中國石油的蘇丹油田、委內(nèi)瑞拉油田和我國的稠油開采都準(zhǔn)備使用該產(chǎn)品。

      (以上信息由錢伯章作者提供)

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