石墨烯能否助力石油圈

■ 敏 銳

隨著油氣資源的不斷深入開(kāi)發(fā)，常規(guī)油氣資源的品位越來(lái)越差，開(kāi)發(fā)難度進(jìn)一步增大。作為鉆井行業(yè)的“血液”輸送環(huán)節(jié)，井筒工作面臨著巨大的挑戰(zhàn)。經(jīng)過(guò)多年探索，石墨烯材料成為繼碳納米管之后的材料領(lǐng)域的新寵，石墨烯材料領(lǐng)域研發(fā)的持續(xù)創(chuàng)新將有力促進(jìn)鉆井業(yè)的發(fā)展。

什么是石墨烯？

石墨烯(Graphene)是從石墨材料中剝離出來(lái)、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功從石墨中分離出石墨烯，證實(shí)它可以單獨(dú)存在，兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。石墨烯既是最薄的材料，也是最強(qiáng)韌的材料，斷裂強(qiáng)度比最好的鋼材還要高200倍，拉伸幅度能達(dá)到自身尺寸的20%，是目前自然界最薄、強(qiáng)度最高的材料。石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；它非常致密，即使是最小的氣體原子(氦原子)也無(wú)法穿透。這些特征使得它非常適合作為透明電子產(chǎn)品的原料，如觸摸顯示屏、發(fā)光板和太陽(yáng)能電池板。石墨烯目前最有潛力的應(yīng)用是成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來(lái)生產(chǎn)未來(lái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。用石墨烯取代硅，計(jì)算機(jī)處理器的運(yùn)行速度將會(huì)大大加速。

石墨烯的結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)際上石墨烯本來(lái)就存在于自然界，只是難以剝離出單層結(jié)構(gòu)。石墨烯一層層疊起來(lái)就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬(wàn)層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過(guò)，留下的痕跡就可能是幾層石墨烯。

石墨烯的優(yōu)質(zhì)特性與廣泛用途

——優(yōu)質(zhì)的導(dǎo)電性。石墨烯結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌，當(dāng)施加外部機(jī)械力時(shí)，碳原子面就會(huì)彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來(lái)適應(yīng)外力，也就保持了原來(lái)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使碳原子具有優(yōu)秀的導(dǎo)電性。石墨烯中的電子在軌道中移動(dòng)時(shí)，不會(huì)因晶格缺陷或引入外來(lái)原子而發(fā)生散射。由于原子間作用力十分強(qiáng)，在常溫下，即使周圍碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯中的電子受到的干擾也非常小。石墨烯是目前已知的世界上導(dǎo)電性最好的材料，電子在其中的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。

——出色的導(dǎo)熱性。石墨烯具有極高導(dǎo)熱系數(shù)， 近年來(lái)被提倡用于散熱等方面，在散熱片中嵌入石墨烯或數(shù)層石墨烯可使得其局部熱點(diǎn)溫度大幅下降。中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所研制出的高導(dǎo)熱石墨烯/炭纖維柔性復(fù)合薄膜，其厚度在10～200μm之間，其導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)6600W/mK。優(yōu)異的導(dǎo)熱性能使得石墨烯有望成為未來(lái)超大規(guī)模納米集成電路的散熱材料。

——杰出的機(jī)械特性。在石墨烯樣品微粒開(kāi)始碎裂前，它們每100納米距離上可承受的最大壓力居然達(dá)到了大約2.9微牛（μN(yùn)）。據(jù)科學(xué)家們測(cè)算，這一結(jié)果相當(dāng)于要施加55牛頓的壓力才能使1微米長(zhǎng)的石墨烯斷裂。如果用石墨烯制成包裝袋，它將能承受大約兩噸重的物品。在塑料里摻入百分之一的石墨烯，就能使塑料具備良好的導(dǎo)電性；加入千分之一的石墨烯，能使塑料的抗熱性能提高30攝氏度。在此基礎(chǔ)上可以研制出薄、輕、超強(qiáng)韌的新型材料，用于制造汽車、飛機(jī)和衛(wèi)星。

隨著批量化生產(chǎn)以及大尺寸等難題的逐步突破，石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用步伐正在加快，基于已有的研究成果，最先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的領(lǐng)域可能會(huì)是移動(dòng)設(shè)備、航空航天、新能源電池領(lǐng)域。

近期，石墨烯超級(jí)電池的成功研發(fā)，也解決了新能源汽車電池的容量不足以及充電時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，極大加速了新能源電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。這一系列的研究成果為石墨烯在新能源電池行業(yè)的應(yīng)用鋪就了道路。

由于高導(dǎo)電性、高強(qiáng)度、超輕薄等特性，石墨烯在航天、軍工領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)也是極為突出的。前不久美國(guó)NASA開(kāi)發(fā)出應(yīng)用于航天領(lǐng)域的石墨烯傳感器，就能很好的對(duì)地球高空大氣層的微量元素、航天器上的結(jié)構(gòu)性缺陷等進(jìn)行檢測(cè)。

石墨烯在石油工業(yè)中大有可為

石墨烯是繼碳納米管之后新一代碳材料。石墨烯不僅是目前單位質(zhì)量強(qiáng)度最大的材料，還具有獨(dú)特的導(dǎo)電性能，且易于功能化，使墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域前景十分廣闊。目前，石墨烯的復(fù)合材料在能量的儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)化、催化、電子器件、高強(qiáng)度材料、化學(xué)和生物傳感、生物技術(shù)等領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注。針對(duì)石墨烯的研究和關(guān)注還在持續(xù)升溫。

部分學(xué)者針對(duì)石墨烯在石油行業(yè)的應(yīng)用開(kāi)展了研究工作。加入石墨烯以及改性石墨烯的鉆井液濾餅薄而致密，能夠有效的改善濾餅的質(zhì)量和減少鉆井液進(jìn)入地層。柔性的石墨烯納米片能夠進(jìn)入小于自身尺寸的孔隙，鉆井液濾液有大量的石墨烯納米片存在。甲醇改性的氧化石墨烯加入到鉆井液中導(dǎo)致更低的濾失劑量。氧化石墨烯具有優(yōu)異的降濾失性能。

石墨烯作為材料領(lǐng)域的新寵，在石油行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用的前景。首先，石墨烯材料作為鉆井液降濾失劑，展示出優(yōu)異的降濾失劑性能。石墨烯材料有望展示出優(yōu)異的抗鹽性能，特別是二價(jià)金屬離子，具有獨(dú)特的效果。

石墨烯材料邊緣帶有大量的羧基和羥基等活性基團(tuán)，通過(guò)改性引入氨基等吸附基團(tuán)，增強(qiáng)石墨烯材料與巖石的吸附作用。大面積高強(qiáng)度的片層材料吸附到巖石表面，阻止水分的進(jìn)入。石墨烯薄而強(qiáng)度大，大大減少了用量，能夠有效降低鉆井成本。通過(guò)合理的改進(jìn)，石墨烯材料有望成為獨(dú)特的頁(yè)巖抑制劑。石墨烯材料吸附到巖石的表面，由于石墨烯材料的強(qiáng)度比較大，能夠承受一定壓力，有望解決頁(yè)巖納米孔隙封堵的瓶頸。

通過(guò)引入與金屬離子相互作用的基團(tuán)，石墨烯材料吸附到鉆具的表面，可以在鉆具表面形成一層薄膜，這層柔性的薄膜減少了鉆具與鉆井液、鉆具與巖石的摩阻，能夠有效提高鉆井液的潤(rùn)滑性能。通過(guò)引入疏水基團(tuán)，減少鉆具與鉆井液的作用力，能夠有效的防止泥包、卡鉆等事故的發(fā)生。

石墨烯材料吸附到巖石表面有利于維持井壁的穩(wěn)定。作業(yè)結(jié)束后，在地層壓力下，遇到油層后，從巖石表面吸附下來(lái)。然后反排至地面。石墨烯材料環(huán)保，粘度低，易于反排，在完井液與修井液中有廣泛的應(yīng)用前景。

石墨烯在轉(zhuǎn)向酸化液核心處理劑以及堵漏劑等方面的應(yīng)用也是大有可為。石墨烯是由強(qiáng)酸氧化而成，在酸性條件下能夠穩(wěn)定存在。通過(guò)分子改性、備鈣離子敏感的石墨烯材料，有望成為用量少、成本低、性能優(yōu)異的轉(zhuǎn)向酸。石墨烯與大部分高分子聚合物能夠形成弱凝膠體系，這種通過(guò)非共價(jià)鍵形成的弱作用力，具有環(huán)境響應(yīng)性，有望成為新一代的壓裂液體系。

針對(duì)鉆井中的惡漏、大漏，目前沒(méi)有成熟的技術(shù)對(duì)策，往往不計(jì)次數(shù)、不計(jì)成本地進(jìn)行堵漏作業(yè)。高分子凝膠體系由于不受孔徑限制、成膠可控、破膠可控，而成為堵漏方面的新材料。石墨烯可與聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚乙烯醇、羧甲基纖維素形成凝膠體系，增強(qiáng)凝膠的強(qiáng)度。同時(shí)，石墨烯材料與巖石具有優(yōu)異吸附能力，石墨烯與高分子凝膠復(fù)合物有望解決惡漏、大漏的問(wèn)題。

石墨烯材料優(yōu)異的性能，有望成為新一代的井筒工作液體系，在頁(yè)巖氣、煤層氣、致密氣等非常規(guī)油氣資源開(kāi)采過(guò)程中發(fā)揮獨(dú)特的作用，這也是值得石油領(lǐng)域廣大科技人員注意的發(fā)展趨勢(shì)。