碳納米管在提高采收率方面的應(yīng)用

馬海程，宋景楊

（東北石油大學(xué) 提高采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶 163318）

碳納米管在提高采收率方面的應(yīng)用

馬海程，宋景楊

（東北石油大學(xué) 提高采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶 163318）

開發(fā)了一種以CNT橡膠為基礎(chǔ)，復(fù)合而成的新型密封性材料，它可以用于在深儲(chǔ)層和熱儲(chǔ)層中生產(chǎn)原油。充分的分散和更好的鍵結(jié)是提高其力學(xué)性質(zhì)的兩個(gè)關(guān)鍵性因素。作者解決了關(guān)鍵性的問(wèn)題并使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)闡明了納米網(wǎng)絡(luò)加固的機(jī)制。得到的密封方案在世界范圍內(nèi)經(jīng)歷了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，它標(biāo)志著納米技術(shù)在油田上應(yīng)用的成功。

CNT橡膠；納米技術(shù)；提高采收率

烴類，如石油和天然氣，是人類社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵資源?，F(xiàn)如今，由于容易開采的儲(chǔ)層日益減少，石油與天然氣工業(yè)不得不在更加難以觸及的儲(chǔ)層和惡劣的環(huán)境下進(jìn)行勘探和開發(fā)。開發(fā)這些新儲(chǔ)層的關(guān)鍵問(wèn)題包括高溫、高壓和與此相關(guān)的密封問(wèn)題[1-4]。本論文闡述了一個(gè)重要的成就：將納米技術(shù)引入密封方案中，以能夠在惡劣的儲(chǔ)層環(huán)境下萃取烴類。最近的納米技術(shù)已經(jīng)能夠使橡膠復(fù)合材料與多壁碳納米管（MWNT）相結(jié)合，生產(chǎn)能夠符合密封方案的材料。本文闡述了納米技術(shù)，包括其機(jī)制、能夠帶來(lái)的根本上的改變以及在能夠允許在惡劣的儲(chǔ)層環(huán)境和高溫下新的密封方案發(fā)展的材料的性質(zhì)上的顯著提高。

目的和方法

1 應(yīng)用目標(biāo)

大多數(shù)傳統(tǒng)的密封技術(shù)將操作條件限制在175℃和140MPa下，這種操作條件只能允許在非典型的淺儲(chǔ)層中進(jìn)行開采。為了在更深更熱的儲(chǔ)層中采收石油和天然氣，工業(yè)上需要更可靠的密封方案，這種方案要有能承受超過(guò)260℃和240MPa的能力。在當(dāng)前的技術(shù)下，世界范圍內(nèi)石油與天然氣的采收率大約為35%[5]。這就意味著在傳統(tǒng)的技術(shù)下，還有65%的探明儲(chǔ)量不能夠被開采。通過(guò)創(chuàng)新和新技術(shù)的發(fā)展，采收率有可能提升到35%到70%甚至更多，這意味著油和氣的采收率有潛力翻倍。高壓高溫（HPHT）技術(shù)是進(jìn)入更深更熱的儲(chǔ)層的關(guān)鍵。可靠的密封是在這些條件下操作的關(guān)鍵。另一個(gè)密封挑戰(zhàn)來(lái)自位于近海和深海區(qū)域的儲(chǔ)層。對(duì)于這樣的區(qū)域的操作，密封必須在平均溫度為4℃的冰冷的海底很好的被執(zhí)行，同時(shí)還能在HPHT條件的儲(chǔ)層中保持完整性。因此，密封技術(shù)的關(guān)鍵在于能夠同時(shí)在高溫和低溫下進(jìn)行處理。

了解密封材料的發(fā)展簡(jiǎn)史以及相關(guān)的局限性是有幫助的。氟橡膠（FKM）在1957年首先被DuPont提出并進(jìn)行商業(yè)化推廣，時(shí)至今日仍然在全世界被廣泛使用。在接下來(lái)的半個(gè)世紀(jì)里，開發(fā)商制造了全氟橡膠（FFKM）以用作高溫應(yīng)用。FFKMs在高溫下執(zhí)行的很好，但是在低溫下，例如0℃左右的環(huán)境溫度下，它的性能就降低了。它們的價(jià)格也比FKM昂貴。出于這些原因，F(xiàn)FKM沒(méi)有在油田得到廣泛的應(yīng)用，尤其是在一些冰冷的區(qū)域，例如加拿大，阿拉斯加，俄羅斯和挪威。

2 背景

Endo等人在1976年發(fā)現(xiàn)了碳納米管并于1988年發(fā)明了大規(guī)模生產(chǎn)多壁碳納米管（MWNT）的方法。從那時(shí)開始，使用MWNT來(lái)顯著提高高聚合物材料的性能的一些努力已經(jīng)被評(píng)估[6-7]。這些努力已經(jīng)確定了兩個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，分別是MWNT在聚合物基體中的分散和MWNT與聚合物基體之間的聯(lián)結(jié)。為了解決這些關(guān)鍵性的問(wèn)題，我們已經(jīng)開發(fā)了兩種關(guān)鍵性技術(shù)：cellulation均勻分布在MWNT中以及優(yōu)化MWNT表面條件使其與基體最佳結(jié)合的處理過(guò)程。使用這兩項(xiàng)技術(shù)，我們從MWNT和FKM橡膠中開發(fā)了一種新材料，這種新材料具有優(yōu)異的密封性能。對(duì)新材料的測(cè)試在模擬的HPHT環(huán)境下進(jìn)行，它的密封性能在世界很多領(lǐng)域都做過(guò)測(cè)試，包括北海，非洲，東南亞和墨西哥灣。在該研究中，測(cè)試證明MWNT-FKM復(fù)合材料在高溫和低溫下都具有優(yōu)異的密封能力。

3 結(jié)果與討論

對(duì)于高溫應(yīng)用，我們對(duì)材料的選擇進(jìn)行了限制，只選擇那些玻璃轉(zhuǎn)換溫度較高的材料。這些材料在低溫下的密封性能很差，在很多方面上的應(yīng)用都有局限。我們?cè)u(píng)估了各種聚合物，然后選擇了一種具有特殊用途的FKM，通過(guò)cellulation技術(shù)合成了MWNT-FKM復(fù)合材料。作為比較，我們給出了兩個(gè)參考材料：Control-1，F(xiàn)KM；Control-2，F(xiàn)FKM。Control-1是在油田上廣泛應(yīng)用的密封材料。結(jié)果表明它的適用溫度不能超過(guò)175℃。260℃下的FKM化合物的測(cè)量強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率都很低。Control-2是在高溫下應(yīng)用的商用材料。拉伸強(qiáng)度以及三種化合物的伸長(zhǎng)率都和在25℃下差不多；然而，在260℃下卻有很大差異。結(jié)果表明，新MWNT-FKM化合物對(duì)壓縮性應(yīng)用（cs）具有非常好的性質(zhì)，比兩種Control化合物接近低40%，因此比兩種Control化合物都要好。CS性質(zhì)對(duì)于密封壽命非常重要。新的MWNT-FKM復(fù)合物在260℃下還有很低的Tg值以及很高的拉伸強(qiáng)度性能。我們?cè)诟鞣N材料參數(shù)上的改進(jìn)已經(jīng)導(dǎo)致各種密封復(fù)合物在應(yīng)用上有了更廣的溫度域。另一方面，典型的FKM極限溫度為175℃，它不能進(jìn)入高溫高壓儲(chǔ)層。在不久的將來(lái)，只有所提出的新復(fù)合物能夠滿足要求。

[1]M.L.Payne，P.D.PattilloII，R.A.Miller，C.K.Jonson，International Petroleum Technology Conference，IPTC，11463，2007.

Improve Application of Carbon Nanotubes in Terms of Recovery

Ma Hai-cheng，Song Jing-yang

Developed a rubber with CNT-based composite made of new sealing material，which can be used in the production of crude oil in the deep reservoir and heat reservoirs.Sufficient dispersion and better bonding are two key factors to improve its mechanical properties.OF solve critical issues and to use experimental data to clarify the mechanism of nano-network reinforcement.Sealing solutions obtained in the world has undergone field tests，it marks the success of nanotechnology in oilfield applications.

CNT rubber；nano technique；Enhanced oil recovery

TE357.4

A

1003–6490（2016）04–0179–01

2016–04–15

馬海程（1990—），男，吉林扶余人，碩士在讀，主要研究方向?yàn)樘岣叱碛陀筒夭墒章省?/p>