在石油勘探開發(fā)領(lǐng)域大有作為的納米技術(shù)
——訪中國(guó)工程院院士劉合教授

■ 本刊特約記者 王大銳

納米技術(shù)、信息技術(shù)、生物技術(shù)是21世紀(jì)社會(huì)發(fā)展的三大支柱。納米技術(shù)包括納米材料設(shè)計(jì)、制造，納米測(cè)量等技術(shù)，已在電子、生物、醫(yī)療、航空、軍事以及能源領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，而納米材料因尺度效應(yīng)具有的獨(dú)特的光、電、熱、磁性能已成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點(diǎn)。近些年來，納米材料與表征技術(shù)逐漸滲透進(jìn)入傳統(tǒng)化石能源及新能源領(lǐng)域。為了更多地了解現(xiàn)有納米技術(shù)在石油勘探開發(fā)領(lǐng)域的研究情況，我特意采訪了中國(guó)工程院院士、中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院總工程師劉合教授。

劉合教授在國(guó)外做報(bào)告

問：“納米技術(shù)”是當(dāng)前相當(dāng)“火”的名詞，在油氣勘探領(lǐng)域主要有哪些應(yīng)用的進(jìn)展？

答：納米技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新和應(yīng)用深化將促進(jìn)傳統(tǒng)石油開發(fā)技術(shù)的快速發(fā)展，并已經(jīng)產(chǎn)生了部分應(yīng)用成果：一是納米精細(xì)表征技術(shù)實(shí)現(xiàn)有效儲(chǔ)集空間評(píng)價(jià)；二是納米傳感與納米顯影技術(shù)提高了油藏特征參數(shù)監(jiān)控與精度描述水平；三是納米分子模擬技術(shù)準(zhǔn)確揭示了油氣吸附、脫附機(jī)理及非達(dá)西模型下油氣的運(yùn)移規(guī)律；四是納米新材料為鉆井、非常規(guī)儲(chǔ)層改造及提高采收率等領(lǐng)域提供了有效的技術(shù)支持。

問：什么是石油工業(yè)中的“納米表征技術(shù)”?

答：納米表征技術(shù)是指針對(duì)納米材料的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)進(jìn)行的有關(guān)分析、測(cè)試，也包括測(cè)試工具與方法的研發(fā)，主要包含以下三個(gè)方面的表征：一是物質(zhì)組成方面，指構(gòu)成納米材料的化學(xué)元素及其相關(guān)關(guān)系；二是納米材料的結(jié)構(gòu)方面，指材料的幾何學(xué)、相組成及相形態(tài)等；三是納米材料的性質(zhì)方面，指材料的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)等物理性質(zhì)以及化學(xué)性質(zhì)的測(cè)試，涉及多種方法、技術(shù)與裝備。

近年來，儲(chǔ)層表征分析已初步實(shí)現(xiàn)從宏觀到微觀，從二維到三維的跨越式發(fā)展。隨著儲(chǔ)層研究的不斷深入，研究領(lǐng)域?qū)⒏M(jìn)一步地邁向更細(xì)微至分子、原子級(jí)的機(jī)理研究，以及溫壓作用下的原位研究。TEM、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(qū)分析方法將被引入石油工業(yè)中來。另外，在地層溫度、壓力作用下，流體在儲(chǔ)層巖石多孔介質(zhì)材料中的微觀運(yùn)移規(guī)律，流體礦物骨架在多物理場(chǎng)中的流固耦合，礦物的微觀演化，也將成為今后研究的重點(diǎn)。大型設(shè)備的原位分析表征附件的開發(fā)，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(shù)將為原位表征提供技術(shù)支撐。

問：“納米傳感技術(shù)”都有哪些內(nèi)容？

答：在各工業(yè)領(lǐng)域，人類對(duì)微型多功能設(shè)備的渴求從未停止，在石油工業(yè)，人們希望制備專門針對(duì)儲(chǔ)層描述的納米傳感器，并提出了儲(chǔ)層納米機(jī)器人的構(gòu)想。

20世紀(jì)90年代末、21世紀(jì)初，在微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）基礎(chǔ)上，人們又進(jìn)一步提出了納機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)的概念，NEMS是特征尺寸在1～100nm、以機(jī)電結(jié)合為主要特征，基于納米級(jí)結(jié)構(gòu)新效應(yīng)的器件和系統(tǒng)。NEMS是真正基于納米材料納米效應(yīng)的微器件，納米材料的優(yōu)異性能可以集成進(jìn)來，并且其納米級(jí)的尺寸使注入儲(chǔ)層微米孔隙成為可能。

儲(chǔ)層納米機(jī)器人是人們?cè)O(shè)計(jì)的集成儲(chǔ)層傳感器、微動(dòng)力系統(tǒng)、微信號(hào)傳輸系統(tǒng)為一體的微型儲(chǔ)層探測(cè)設(shè)備。該構(gòu)想已不僅停留在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)階段，沙特阿拉伯國(guó)家石油公司-阿美公司已提出并研發(fā)了一種基于化學(xué)分子系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的油藏納米機(jī)器人，并且于2010年6月首次成功地進(jìn)行了油藏納米機(jī)器人的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果證實(shí)：納米機(jī)器人具有非常高的回收率，攜帶納米機(jī)器人的流體也具有很好的穩(wěn)定性和流動(dòng)性，該技術(shù)被列入2010年十大石油科技進(jìn)展。但儲(chǔ)層納米機(jī)器人仍面臨研發(fā)成本、穩(wěn)定性、流動(dòng)性、可靠性、信號(hào)檢測(cè)、回收分離等難題，仍有很長(zhǎng)的路要走。

問:“微觀數(shù)值模擬技術(shù)”是指什么？

答：基于量子物理與化學(xué)，分子模擬的技術(shù)可以模擬分子體系中各種物理和化學(xué)過程，從微觀尺度揭示成分、結(jié)構(gòu)與性能、現(xiàn)象之間的關(guān)系。在納米多孔材料領(lǐng)域，分子數(shù)值模擬涉及到各種烴類分子、瀝青質(zhì)、環(huán)形結(jié)構(gòu)、鏈烷烴和甲烷等。在分子模擬研究氣體吸附-解吸附過程中，人們采用石墨、蒙脫石、氧化硅等壁面來模仿頁(yè)巖等天然儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)。然而，由于狹縫孔模型較簡(jiǎn)單，多種地層條件參數(shù)未全面考慮，導(dǎo)致模擬的吸附等溫。對(duì)氣體分子的模擬研究，油相對(duì)氣體來說分子量大、成分復(fù)雜，以液態(tài)或半固態(tài)形式賦存于儲(chǔ)層中，針對(duì)于致密儲(chǔ)層油的液-固相互作用的分子模擬研究較為復(fù)雜，開展工作較少。

問：納米技術(shù)在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用前景如何？

答：納米技術(shù)在油田生產(chǎn)應(yīng)用最直接的體現(xiàn)就是在油田開發(fā)各階段加入具有納米尺度或納米特性的納米顆?；蚣{米乳液，統(tǒng)稱為納米化學(xué)劑。由于納米化學(xué)劑尺寸小、比表面積大，所以納米顆粒表面原子數(shù)、表面能和表/界面張力隨粒徑的下降急劇增大，使其流變性、潤(rùn)濕性改變、表面效應(yīng)、微粒運(yùn)移等方面表現(xiàn)出異于常規(guī)化學(xué)劑的特性。

油田開發(fā)過程中巖石、粘土等微粒不可避免的會(huì)發(fā)生不同程度的運(yùn)移，導(dǎo)致多孔介質(zhì)的滲透率降低，對(duì)油藏或儲(chǔ)層造成一定傷害。通過納米材料或乳液可以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，具有很強(qiáng)的吸附傾向，一方面，納米流體可以進(jìn)入不同孔隙的儲(chǔ)層單元；另一方面，由于納米流體可與孔隙產(chǎn)生范德華力的相互作用，當(dāng)大量的納米流體覆蓋多孔介質(zhì)并吸附在巖石或粘土表面，利用納米流體之間的雙電層排斥力固定微粒位置，防止微粒運(yùn)移，有效抑制粘土膨脹和分散。

現(xiàn)有堵水、調(diào)剖材料均主要以凝膠、體膨顆粒及聚合物微球?yàn)橹?，材料無(wú)法實(shí)現(xiàn)自身形變，材料物理化學(xué)性能不能隨著外界條件發(fā)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(shù)手段。

納米光催化氧化技術(shù)是基于光催化劑在紫外線照射下具有的氧化還原能力而凈化有機(jī)污染物，該技術(shù)特別適合有機(jī)物的凈化，在油田污水的深度凈化方面顯示出了巨大的應(yīng)用潛力。將光催化技術(shù)同其它處理技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用，可以大大的拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。如光電催化技術(shù)，將光催化和電化學(xué)聯(lián)用的新型深度氧化技術(shù)。納米光催化氧化技術(shù)的研究已日趨完善，有望應(yīng)用到油田污水處理的基礎(chǔ)科學(xué)研究中。

在采油工程領(lǐng)域，很多地面和井下工具都面臨著摩擦、磨損和腐蝕及高溫高壓、高含H2S和CO2等問題，不僅造成工具損壞、腐蝕、成本增加和產(chǎn)量降低等問題，還增加了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境污染等負(fù)面影響。例如常見的關(guān)鍵易損零部件有鉆頭、膨脹錐、柱塞、轉(zhuǎn)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(tǒng)單相納米晶等耐磨涂層技術(shù)，主要是利用兩相陶瓷在微結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行周期性調(diào)制，形成共格外延生長(zhǎng)的納米多層膜結(jié)構(gòu)以獲得高硬度及耐磨性能；或利用兩種納米晶陶瓷材料進(jìn)行復(fù)合，形成納米超硬復(fù)合膜結(jié)構(gòu)以獲得高硬度及耐磨性能的先進(jìn)技術(shù)，可滿足石油鉆頭表面對(duì)超高耐磨耐熱氧化性能的需求。