功能微納結(jié)構(gòu)在石油領(lǐng)域潛在應(yīng)用

劉合，金旭, ，周德開(kāi)，楊清海，李隆球

（1. 中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083；2. 國(guó)家能源致密油氣研發(fā)中心，北京 100083；3. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001）

1 概述

1.1 研究背景

近年來(lái)，老油田剩余潛力挖潛、非常規(guī)資源高效開(kāi)發(fā)和采油工程裝備更新?lián)Q代等領(lǐng)域新技術(shù)不斷取得突破，對(duì)資源劣質(zhì)化加劇難題的緩解起到重要作用。然而，現(xiàn)有石油開(kāi)采技術(shù)尤其是極端井況下的防護(hù)、傳感、檢測(cè)與控制技術(shù)等方面難以滿足新興采油技術(shù)的發(fā)展需求。同時(shí)，由于開(kāi)采難度增大，石油污染等環(huán)境問(wèn)題也逐年嚴(yán)重，制約石油經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[1-4]。因此，必須大力開(kāi)展新興技術(shù)在石油領(lǐng)域的研究，才能促進(jìn)石油開(kāi)采的可持續(xù)發(fā)展。近年來(lái)，以功能微納結(jié)構(gòu)等為代表的新興技術(shù)由于表現(xiàn)出與宏觀尺度下不同的材料特性和功能特征，已經(jīng)成為全球科技發(fā)展的重要方向，其可為目前石油領(lǐng)域存在的問(wèn)題提供新的解決方法與思路。

1.2 功能微納結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

功能微納結(jié)構(gòu)可以定義為：為實(shí)現(xiàn)特定目標(biāo)所制備的具有特殊功能的微納結(jié)構(gòu)與器件。功能微納結(jié)構(gòu)由于其尺寸在微米量級(jí)甚至納米量級(jí)，表現(xiàn)出與宏觀尺度下不同的材料屬性，結(jié)合優(yōu)化設(shè)計(jì)與智能調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)大比表面積、高推重比、機(jī)械波/電磁波傳輸智能控制等特殊性質(zhì)或功能。根據(jù)功能微納結(jié)構(gòu)的作用屬性和特征，新型功能微納結(jié)構(gòu)可分為以微納馬達(dá)為代表的運(yùn)動(dòng)型微納結(jié)構(gòu)，以及以超材料為代表的固定型微納結(jié)構(gòu)。

1.3 功能微納結(jié)構(gòu)潛在應(yīng)用

功能微納結(jié)構(gòu)因其作用屬性及特征不同，其典型應(yīng)用領(lǐng)域也存在差異。目前，運(yùn)動(dòng)型功能微納結(jié)構(gòu)——微納馬達(dá)的典型應(yīng)用主要集中在微納尺度的藥物輸送與手術(shù)、環(huán)境修復(fù)、傳感檢測(cè)、微納加工等領(lǐng)域，結(jié)合石油領(lǐng)域發(fā)展需求，運(yùn)動(dòng)型微納結(jié)構(gòu)在油質(zhì)檢測(cè)、微孔隙驅(qū)油、石油污染清理、石油勘探及石油運(yùn)輸管道清潔等領(lǐng)域具有極大的潛在應(yīng)用價(jià)值（見(jiàn)表1）。另一方面，固定型功能微納結(jié)構(gòu)——超材料的典型應(yīng)用則集中在電磁、熱、聲、光等特征的調(diào)控方面，包括減振降噪、隱身、傳播路徑調(diào)控、超分辨成像等，結(jié)合石油裝備需求，未來(lái)將在井下設(shè)備隔振、特殊傳感元件、管道防護(hù)等領(lǐng)域具有突出的應(yīng)用潛力（見(jiàn)表1）。

表1 典型微納結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

本文以微納馬達(dá)與超材料為典型代表，介紹功能微納結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀，同時(shí)對(duì)復(fù)雜三維微納結(jié)構(gòu)的重要制造方法——3D打印技術(shù)進(jìn)行介紹，并對(duì)相關(guān)技術(shù)在石油領(lǐng)域的應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

2 功能微納結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

2.1 運(yùn)動(dòng)型功能微納結(jié)構(gòu)——微納馬達(dá)

2.1.1 驅(qū)動(dòng)機(jī)理

微納馬達(dá)是一種微米—納米尺度的動(dòng)力裝置，它能將介質(zhì)環(huán)境中的光能、電能、磁能以及化學(xué)能等轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，從而實(shí)現(xiàn)直線、圓圈以及螺旋等特定的運(yùn)動(dòng)[5]。根據(jù)驅(qū)動(dòng)能量來(lái)源的不同，微納馬達(dá)可細(xì)分為化學(xué)驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)、外物理場(chǎng)驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)以及混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)[6]：①化學(xué)驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)主要以過(guò)氧化氫、水溶液或酸溶液作為化學(xué)燃料，能夠?qū)⒒瘜W(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)運(yùn)動(dòng)，常見(jiàn)的化學(xué)驅(qū)動(dòng)方式主要有濃度梯度驅(qū)動(dòng)、自電泳驅(qū)動(dòng)以及氣泡驅(qū)動(dòng)[7-14]?；瘜W(xué)驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)由于原理簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)、易于制備等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于環(huán)境修復(fù)、粒子組裝以及檢測(cè)傳感等領(lǐng)域。②外物理場(chǎng)驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)能將光源、磁場(chǎng)、超聲場(chǎng)等外界能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)運(yùn)動(dòng)[15-19]。外物理場(chǎng)驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)運(yùn)動(dòng)過(guò)程不需要額外提供化學(xué)燃料，因此具有較好的生物兼容性，在生物醫(yī)療領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。③混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)是將化學(xué)驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)以及外物理場(chǎng)驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)機(jī)理中任意 2種相結(jié)合進(jìn)行馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，該馬達(dá)能夠在多種驅(qū)動(dòng)力作用下運(yùn)動(dòng)，因此應(yīng)用范圍相對(duì)其他2種驅(qū)動(dòng)方式更加廣泛[20-23]。

2.1.2 發(fā)展現(xiàn)狀

目前，針對(duì)微納馬達(dá)的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：①微納馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)理，探索微納馬達(dá)新的驅(qū)動(dòng)方式，提高微納馬達(dá)的環(huán)境適應(yīng)性，擴(kuò)展微納馬達(dá)的應(yīng)用前景；②微納馬達(dá)集群行為，針對(duì)微納馬達(dá)單體間相互作用及集群機(jī)理開(kāi)展研究，并探索集群體微納馬達(dá)的應(yīng)用前景；③微納馬達(dá)的潛在應(yīng)用，探索微納馬達(dá)在生物醫(yī)療、微納傳感、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，并研究微納馬達(dá)在微納加工、微操作等方面的應(yīng)用前景。

2.2 固定型功能微納結(jié)構(gòu)——超材料

超材料是21世紀(jì)新興發(fā)展方向之一，通過(guò)在材料關(guān)鍵物理尺寸上的結(jié)構(gòu)有序設(shè)計(jì)，可以突破某些表觀自然規(guī)律的限制，獲得超出自然界原有普通物理特性的微納結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)熱隱身、聲波及光波定向-定頻傳輸，滿足特殊環(huán)境下的材料需求。將超材料應(yīng)用于石油領(lǐng)域，將為采油技術(shù)及高端裝備的發(fā)展提供新的研究方向。超材料根據(jù)其調(diào)控對(duì)象，主要分為電磁超材料、熱學(xué)超材料、聲學(xué)超材料 3大主要方向，以及部分力學(xué)或機(jī)械超材料。

2.2.1 電磁超材料

電磁超材料是指一些具有天然材料所不具備的超常電磁性質(zhì)的復(fù)合材料或結(jié)構(gòu)。電磁超材料基于電磁學(xué)定律，用遠(yuǎn)小于特征波長(zhǎng)的空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，讓整體材料表現(xiàn)出天然材料所不具備的超常性質(zhì)。例如介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)的左手材料、磁導(dǎo)率為負(fù)并和空氣達(dá)到阻抗匹配的吸波超材料、基于電磁波相位變化調(diào)控出射波電場(chǎng)分布的超透鏡等。

電磁超材料的潛在應(yīng)用主要集中在以下幾個(gè)方面：①超材料天線，具有高增益及高靈敏度特征，可以捕捉微弱的電磁信號(hào)變化，其在高增益天線、小型化天線、雷達(dá)以及漏波天線寬角度掃描等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[24]；②電磁隱身，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到和特定頻段電磁波的諧振進(jìn)而耗散掉電磁波的能量，從而實(shí)現(xiàn)電磁波隱身[25]；③吸波材料，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)讓超材料的阻抗和周圍環(huán)境介質(zhì)的阻抗匹配（如空氣），盡量減少入射波的反射和透射，增大吸收率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的吸收[26-27]；④可調(diào)電磁能量聚集，通過(guò)將超材料與計(jì)算機(jī)相結(jié)合，可制備出可編程電磁超材料，實(shí)現(xiàn)對(duì)微波能量的可控按需調(diào)節(jié)，有望應(yīng)用于未來(lái)太赫茲射線（THz）成像、地下礦物探測(cè)、雷達(dá)器件設(shè)計(jì)等領(lǐng)域[28]；⑤異常反射表面，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使光照入射角與反射角不相等，相關(guān)超材料光學(xué)器件未來(lái)有望應(yīng)用于太陽(yáng)能接收裝置[29]；⑥超分辨率成像超透鏡，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該超材料可突破衍射極限的聚焦，實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光頻段的超透鏡，未來(lái)將廣泛應(yīng)用于多個(gè)成像領(lǐng)域[30-31]；⑦全息成像超表面，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該超材料可以解決傳統(tǒng)全息照片無(wú)法動(dòng)態(tài)顯示、分辨率低等缺點(diǎn)，有望應(yīng)用于裸眼3D成像及全息動(dòng)態(tài)顯示等方面[32-33]。

2.2.2 熱學(xué)超材料

熱學(xué)超材料是指一些具有天然材料所不具備的超常熱學(xué)性質(zhì)的復(fù)合材料或結(jié)構(gòu)[34-35]。熱學(xué)超材料的設(shè)計(jì)基于潘德利的變換光學(xué)理論，即在各個(gè)坐標(biāo)空間中熱學(xué)物理定律具有形式不變性的原理，通過(guò)扭曲空間來(lái)讓熱場(chǎng)的通量按照設(shè)計(jì)的線路前行，設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)非均勻的熱學(xué)結(jié)構(gòu)，再制造出相應(yīng)功能器件。

熱學(xué)超材料的潛在應(yīng)用主要集中在以下幾個(gè)方面：①熱隱身衣[36-41]，研究者將光學(xué)隱身衣的概念推廣到無(wú)源穩(wěn)態(tài)熱學(xué)領(lǐng)域，提出熱隱身衣的設(shè)計(jì)原理及理論模型，研究結(jié)果將廣泛應(yīng)用于防隔熱材料及結(jié)構(gòu)中；②熱學(xué)聚集器[40-43]，研究者基于溫度相關(guān)的非線性變換熱學(xué)，提出了一種能同時(shí)匯聚電/熱流并且不擾亂外部場(chǎng)分布的雙功能聚集器，該研究結(jié)果將廣泛應(yīng)用于熱流調(diào)控、芯片散熱等領(lǐng)域。

2.2.3 聲學(xué)超材料

聲學(xué)超材料是指一些具有天然材料所不具備的超常聲學(xué)性質(zhì)的復(fù)合材料或結(jié)構(gòu)。聲學(xué)超材料設(shè)計(jì)是根據(jù)聲波在介質(zhì)中傳播的基本原理，針對(duì)特定的聲學(xué)應(yīng)用設(shè)計(jì)特定結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)聲波的超常調(diào)控。

聲學(xué)超材料的潛在應(yīng)用主要集中在以下幾個(gè)方面：①減振降噪，等效質(zhì)量或者等效彈性模量為負(fù)的聲學(xué)超材料可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定頻段聲波的隔離，從而實(shí)現(xiàn)減振降噪，可應(yīng)用于軍事或民用等領(lǐng)域；②聲隱身，通過(guò)坐標(biāo)變換可以實(shí)現(xiàn)聲波的繞射，從而實(shí)現(xiàn)聲隱身，該特性可在潛艇等水下武器裝備的反探測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用；③超分辨率成像，通過(guò)聲學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可以將倏逝波轉(zhuǎn)換為傳遞波，突破衍射極限，實(shí)現(xiàn)超分辨率成像，該特性可應(yīng)用于醫(yī)用聲學(xué)成像、材料結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)等領(lǐng)域；④聲波傳播路徑調(diào)控，通過(guò)聲學(xué)超表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)聲波傳播路徑的任意調(diào)控，包括超常折射、超常反射、聲波聚焦、傳遞波轉(zhuǎn)化為倏逝波等，該特性可應(yīng)用于新型聲學(xué)元器件開(kāi)發(fā)等；⑤聲單向傳播，通過(guò)聲學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)聲能沿單一方向的流動(dòng)，該特性可用于聲二極管、聲單透玻璃等器件制作[44-48]。

2.3 功能微納結(jié)構(gòu)制造方法

2.3.1 微納結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)制造方法

生物醫(yī)療、能源裝備等技術(shù)的高度智能化、信息化要求，促使其系統(tǒng)核心器件向微型化、高精度、高可靠性與多功能集成等一體化方向發(fā)展。例如，電磁/聲學(xué)/熱學(xué)隱身超材料、微納機(jī)器人、微納傳感器與執(zhí)行器等，是目前國(guó)際學(xué)術(shù)前沿和研究的熱點(diǎn)方向，也是世界各國(guó)高度重視的戰(zhàn)略技術(shù)。然而，由于功能的高度集成，結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化、三維化，尺寸的小型化，給微納制造技術(shù)帶來(lái)新的技術(shù)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)微尺度制造技術(shù)如光學(xué)光刻、X光深刻精密電鑄模造成形（LIGA)技術(shù)、鍵合技術(shù)，以及納米尺度制造技術(shù)如納米壓印、刻蝕、原子操縱等，雖能在一定程度上滿足功能微納結(jié)構(gòu)的跨尺度制造需求，但在微納尺度復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)制造方面只能實(shí)現(xiàn)2維或2.5維特征的制造，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)微螺旋、微空腔、微桁架等特征結(jié)構(gòu)的加工制造，難以滿足材料多樣性、生產(chǎn)效率、加工成本等方面的實(shí)際需求，且存在制造成本高、周期長(zhǎng)、制造環(huán)境要求高、裝配困難等問(wèn)題[49-51]。因此，傳統(tǒng)制造方式在復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)跨尺度制造方面的局限，已成為制約高新技術(shù)發(fā)展的瓶頸，迫切需要探索新型制造方法實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜三維微納結(jié)構(gòu)的加工制造。

2.3.2 微納結(jié)構(gòu)新興制造方法——3D打印

3D打印是近年來(lái)快速發(fā)展的先進(jìn)制造技術(shù)，又稱增材制造、快速原型、分層制造、實(shí)體自由制造等[49]。不同于傳統(tǒng)的材料去除加工技術(shù)，3D打印以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)對(duì)材料進(jìn)行逐層疊加，最終實(shí)現(xiàn)“自下而上”的材料累加制造。3D打印技術(shù)在復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)、高深寬比結(jié)構(gòu)和復(fù)合（多材料）材料結(jié)構(gòu)制造方面具有無(wú)可比擬的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，且具備成本低、效率高、材料種類多、直接成形等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、生物醫(yī)療、柔性傳感、微納機(jī)電系統(tǒng)、超材料等技術(shù)領(lǐng)域極具發(fā)展前景[45]。美國(guó)《時(shí)代》周刊將3D打印列為“美國(guó)10大增長(zhǎng)最快的工業(yè)”，英國(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》認(rèn)為3D打印將“與其他數(shù)字化生產(chǎn)模式一起推動(dòng)實(shí)現(xiàn)第 3次工業(yè)革命”，2012年奧巴馬將3D打印列為美國(guó)制造業(yè)發(fā)展的11項(xiàng)重要技術(shù)之一，2013年麥肯錫發(fā)布報(bào)告《展望2025：決定未來(lái)經(jīng)濟(jì)的12大顛覆技術(shù)》將3D打印排在第9位，2015年國(guó)務(wù)院印發(fā)的《中國(guó)制造2025》中明確提出重點(diǎn)支持3D打印等前沿技術(shù)與裝備的發(fā)展[49-51]。

近年來(lái)3D打印技術(shù)發(fā)展迅速，已發(fā)展出以立體光刻、雙光子聚合激光直寫(xiě)、熔融沉積、選擇性激光燒結(jié)、粉末層噴頭3D打印等為代表的一系列較為成熟技術(shù)，對(duì)3D打印技術(shù)的研究重點(diǎn)，也逐漸從制造原理、工藝與裝備研究轉(zhuǎn)移到對(duì)3D打印應(yīng)用技術(shù)的研究。

2.3.3 微納3D打印的典型應(yīng)用

利用微納尺度的光固化、多材料池光固化、雙光子直寫(xiě)等3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜微納結(jié)構(gòu)的制備。

①超材料。結(jié)合單固化層多重拼接以及物理氣相沉積技術(shù)，利用3D技術(shù)打印的超硬超輕超材料，可以承受至少16萬(wàn)倍于自身重量的負(fù)荷[52]。利用3D技術(shù)打印的具有受壓扭轉(zhuǎn)等特殊性能的超材料[53]，在航空航天、軌道交通、高端裝備等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。

②微型機(jī)械零部件。利用3D技術(shù)打印的具有復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的微尺度機(jī)械零件，或一體化打印微型機(jī)械傳動(dòng)零件，在微納機(jī)械系統(tǒng)制造領(lǐng)域?qū)l(fā)揮重要作用[54]。

③生物支架。利用3D技術(shù)打印的細(xì)胞培養(yǎng)框架、定制化可降解血管支架等生物功能器件[55]，在生命科學(xué)、個(gè)性化醫(yī)療等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用潛力。

④一體化機(jī)電器件。采用光固化3D技術(shù)打印機(jī)電器件結(jié)構(gòu)框架，采用直寫(xiě) 3D技術(shù)打印金屬電路、嵌入電源、處理器等電路元件，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維機(jī)電器件的一體化制造[56]，在機(jī)器人、高端機(jī)電裝備等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。

⑤微納機(jī)器人。利用3D打印對(duì)微納尺度復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)微納機(jī)器人進(jìn)行一體化制造[57]，對(duì)推動(dòng)微納機(jī)器人技術(shù)發(fā)展、促進(jìn)相關(guān)技術(shù)在精準(zhǔn)醫(yī)療/智能裝備等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

⑥新型光學(xué)器件。對(duì)光子晶體、光學(xué)透鏡、超材料超分辨率透鏡等新型光學(xué)器件進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)一體化制造[58]，解決傳統(tǒng)制造方式在上述結(jié)構(gòu)制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、尺度跨越性、制造過(guò)程高效性、個(gè)體結(jié)構(gòu)差異性等方面的不足，對(duì)推動(dòng)光學(xué)、成像等領(lǐng)域新興技術(shù)發(fā)展具有重要意義。

⑦4D打印新型傳感器與驅(qū)動(dòng)器。通過(guò)結(jié)構(gòu)-材料一體化有序設(shè)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)多材料、復(fù)合材料二維或復(fù)雜三維傳感器件3D打印的基礎(chǔ)上[59]，使3D打印結(jié)構(gòu)具備隨外界環(huán)境變化或隨時(shí)間變化的能力，實(shí)現(xiàn)4D打印結(jié)構(gòu)的構(gòu)建[60-61]，并以此為基礎(chǔ)研制新型傳感器、驅(qū)動(dòng)器，在航空航天、軍事國(guó)防、生物醫(yī)療、高端裝備等領(lǐng)域具有重要價(jià)值。

3 微納結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)在石油領(lǐng)域應(yīng)用前景

微納馬達(dá)、超材料等功能微納結(jié)構(gòu)是近年來(lái)國(guó)際學(xué)術(shù)前沿與熱點(diǎn)，研究正逐漸從基本理論向優(yōu)化設(shè)計(jì)、智能控制與應(yīng)用技術(shù)深入。微納結(jié)構(gòu)在石油領(lǐng)域的應(yīng)用研究目前還相對(duì)較少，但現(xiàn)有科學(xué)理論和研究成果表明，功能微納結(jié)構(gòu)在石油領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力與價(jià)值。

3.1 采油工程技術(shù)與裝備領(lǐng)域

采油工程技術(shù)與裝備伴隨油氣田開(kāi)發(fā)的整個(gè)生命周期，涵蓋完井、注入、采出、舉升、修井、地面作業(yè)等諸多領(lǐng)域，是實(shí)現(xiàn)油氣資源高效開(kāi)發(fā)的核心。全面提升采油工程技術(shù)與裝備水平是解決中國(guó)資源供需矛盾的重要途徑，而微納結(jié)構(gòu)超材料和仿生工程技術(shù)將有望實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)裝備和井下儀器的升級(jí)換代，并大幅降低能耗及開(kāi)發(fā)管理成本，為石油工業(yè)可持續(xù)發(fā)展儲(chǔ)備新型技術(shù)。

采油工程作業(yè)中，裝備表面防腐、流體與管道內(nèi)壁減阻、裝備自清潔能力等已成為采油裝備與管柱防腐和加工領(lǐng)域的重要課題，也是亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。大自然是科學(xué)家和工程師無(wú)限靈感的源泉，一直不斷啟發(fā)著人類不斷地進(jìn)行創(chuàng)造發(fā)明和開(kāi)拓設(shè)計(jì)新型的材料和器件。比如可以通過(guò)直接簡(jiǎn)單的化學(xué)法，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬表面微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的仿生構(gòu)筑，形成類似荷葉表面的不同尺度微納米突起[62]，并通過(guò)低表面能物質(zhì)修飾，獲得疏水甚至超疏水、超疏油的特殊潤(rùn)濕性金屬表面（靜態(tài)油水接觸角大于 150°、滾動(dòng)接觸角小于2°），能夠?qū)崿F(xiàn)防油污、防蠟、耐酸堿腐蝕、流體減阻及表面自清潔等功能，可有效提高采油裝備及管柱的表面耐腐蝕性能、實(shí)現(xiàn)金屬表面的自清潔作用、減小流體與管道內(nèi)壁的摩擦阻力[63-64]。另外，通過(guò)優(yōu)選有機(jī)-無(wú)機(jī)材料的復(fù)合摻雜改性方法可實(shí)現(xiàn)仿貝殼復(fù)合結(jié)構(gòu)防腐涂層的構(gòu)筑，彌補(bǔ)有機(jī)質(zhì)對(duì)一些腐蝕介質(zhì)防御能力較弱的劣勢(shì)；仿貝殼層狀垛堞結(jié)構(gòu)的合成，可極大增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度，提高耐摩擦性能等力學(xué)特性；化學(xué)修飾調(diào)控每一層物質(zhì)的組成，在保證層與層之間良好結(jié)合力的同時(shí)，還可對(duì)不同物質(zhì)產(chǎn)生不同耐腐蝕能力，建立適應(yīng)不同地區(qū)腐蝕工況條件的智能防腐涂層體系。這種構(gòu)筑裝備表面特殊潤(rùn)濕性的技術(shù)將在眾多領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景，例如在管道輸運(yùn)系統(tǒng)、微流控體系、油水分離裝備和液體定向傳輸運(yùn)動(dòng)及深海油氣開(kāi)發(fā)等方面均有巨大的應(yīng)用潛力和廣闊的應(yīng)用前景。

超材料可通過(guò)微納特征結(jié)構(gòu)的有序設(shè)計(jì)得到，并獲得傳統(tǒng)材料所不具備的特殊性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波、聲波等的智能控制，在采油工程領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。如電磁超材料可以應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境下信號(hào)的傳輸與處理，以及對(duì)環(huán)境的檢測(cè)；聲學(xué)超材料可應(yīng)用于石油裝備的隔振、降噪；熱學(xué)超材料可應(yīng)用于井下裝備核心機(jī)電器件的防隔熱、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性等。3D打印技術(shù)在采油裝備領(lǐng)域可應(yīng)用于裝備、管道原位修復(fù)，以及零部件快速制造等傳統(tǒng)領(lǐng)域，同時(shí)也是微納馬達(dá)、超材料等復(fù)雜三維微納結(jié)構(gòu)的重要制造方法，在未來(lái)微納結(jié)構(gòu)有望應(yīng)用于石油領(lǐng)域，為目前石油領(lǐng)域所面臨的技術(shù)難題提供全新的解決思路。

3.2 提高采收率新材料開(kāi)發(fā)領(lǐng)域

中國(guó)老油田含水已超過(guò) 90%，剩余油分布十分復(fù)雜，注水驅(qū)油的開(kāi)發(fā)難度越來(lái)越大。聚合物驅(qū)后檢查井資料表明油層中仍有大量高度分散的剩余可動(dòng)油，未波及油層巖石孔隙通道半徑小、迂曲度大、內(nèi)壁粗糙、毛細(xì)管力作用顯著，水驅(qū)、聚合物驅(qū)均難以有效波及，開(kāi)發(fā)難度不斷增加，而微納米材料合成及功能化技術(shù)為低滲透、超低滲透以及非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)提高采收率新技術(shù)提供了思路和可能性。

微納米材料制備技術(shù)不僅代表一種尺寸，更重要的是一種設(shè)計(jì)理念、性能上的突變提升及新材料智能化程度。將納米材料有序組裝成各種尺度的有序結(jié)構(gòu)將會(huì)使材料產(chǎn)生更優(yōu)異的整體協(xié)同性能，并可對(duì)分級(jí)結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行表面修飾等功能化調(diào)控，這對(duì)于以納米材料為基礎(chǔ)來(lái)制備特殊功能提高采收率微納新材料具有重要的意義。

針對(duì)目前驅(qū)油技術(shù)難以波及到的剩余油問(wèn)題，可以通過(guò)微納米級(jí)基礎(chǔ)顆?；蛉橐旱闹苽?，并利用化學(xué)或物理手段對(duì)基礎(chǔ)顆粒表面進(jìn)行智能化修飾或改性，使其具有環(huán)境敏感、減弱毛細(xì)管力等多種功能，高效分散水、聚并油，獲得具有廣泛應(yīng)用前景的微納米功能性驅(qū)油材料[65]。另外，還可通過(guò)微納結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，制備一種具有外場(chǎng)響應(yīng)驅(qū)動(dòng)功能的井下高效吸油微球材料，實(shí)現(xiàn)在惡劣環(huán)境下高效、可重復(fù)使用、具備外場(chǎng)驅(qū)動(dòng)能力的操作。如通過(guò)微納米新材料制備技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能吸油微球材料的開(kāi)發(fā)，有望成為油藏納米機(jī)器人的超前儲(chǔ)備基材。

微納馬達(dá)是油藏納米機(jī)器人的核心器件，具有低成本、高效率、生物兼容性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、水質(zhì)修復(fù)、油污清除以及環(huán)境傳感領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。微納馬達(dá)由于能夠?qū)⒒瘜W(xué)能、光能、電能等能量轉(zhuǎn)化成動(dòng)能或驅(qū)動(dòng)力，有望應(yīng)用于石油領(lǐng)域的油藏資源探測(cè)及原油驅(qū)動(dòng)。微納馬達(dá)可隨注入水進(jìn)入地層，根據(jù)自身材料的物理化學(xué)特性，在地層運(yùn)動(dòng)過(guò)程中沿途感知并實(shí)時(shí)記錄油藏及流體信息，包括油藏溫度和壓力、孔隙形態(tài)及油水分布等，并將這些信息通過(guò)自身材料特性變化記錄并隨采出液回收。另外，還可以根據(jù)流體流動(dòng)情況，通過(guò)多種物理場(chǎng)驅(qū)動(dòng)使其在剩余油富集區(qū)域內(nèi)跟隨流體運(yùn)動(dòng)；通過(guò)表面吸附、負(fù)載催化劑等方法在油藏中進(jìn)行原位吸附和催化分解；同時(shí)利用表面特殊潤(rùn)濕性將油水分離，與油滴高效結(jié)合并實(shí)現(xiàn)定向運(yùn)輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)剩余油的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和高效開(kāi)采，有效提高稠油、頁(yè)巖油等資源的開(kāi)發(fā)效率。

3.3 儲(chǔ)集層流體微流動(dòng)研究領(lǐng)域

非常規(guī)油氣儲(chǔ)集層具有孔隙小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、比表面積大、黏土礦物類型豐富等特點(diǎn)，致使流體在儲(chǔ)集層狹小空間內(nèi)流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的微流動(dòng)效應(yīng)，包括稀薄效應(yīng)、表面張力效應(yīng)、低雷諾數(shù)效應(yīng)、多尺度多相態(tài)效應(yīng)等，以達(dá)西公式為基礎(chǔ)的滲流理論已經(jīng)難以滿足研究需求和開(kāi)發(fā)預(yù)測(cè)，因此亟待開(kāi)發(fā)孔徑參數(shù)可調(diào)、重復(fù)可控的物理模擬模型，來(lái)開(kāi)展流體在儲(chǔ)集層復(fù)雜微孔道中的滲流規(guī)律研究，3D打印技術(shù)是針對(duì)此需求最合適的工具。

利用CT、聚焦離子束掃描電鏡等實(shí)驗(yàn)手段，可獲取真實(shí)巖心微觀孔隙結(jié)構(gòu)并建立納米級(jí)分辨率的三維數(shù)字巖心模型，通過(guò)高精度3D打印設(shè)備打印出微納米尺度的巖心實(shí)物模型，應(yīng)用打印巖心進(jìn)行微觀流動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，又能實(shí)現(xiàn)微觀孔隙結(jié)構(gòu)的重復(fù)打印，為實(shí)驗(yàn)提供標(biāo)準(zhǔn)的可重復(fù)樣品，進(jìn)行系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)操作和理論分析。同時(shí)，還可以應(yīng)用3D技術(shù)打印不同尺度的巖心微觀實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)實(shí)現(xiàn)微觀流動(dòng)機(jī)理研究的可能性，探索吸附效應(yīng)和擴(kuò)散效應(yīng)影響下的滲透率計(jì)算公式，更真實(shí)地描述非常規(guī)油氣儲(chǔ)集層多尺度流動(dòng)特征，建立考慮非常規(guī)油氣儲(chǔ)集層特征的試井分析模型和產(chǎn)能評(píng)價(jià)模型，為開(kāi)發(fā)方案的制定和調(diào)整提供實(shí)驗(yàn)條件，也為測(cè)試資料解釋提供有效的理論基礎(chǔ)。另外，還可利用3D打印技術(shù)和表面修飾技術(shù)來(lái)控制打印巖心的孔壁潤(rùn)濕性，可以很好地屏蔽非均質(zhì)潤(rùn)濕性的干擾，從而探索單一主控因素對(duì)流體在微納米孔隙結(jié)構(gòu)中流動(dòng)的影響，甚至可以對(duì)不同類型驅(qū)油劑的有效性進(jìn)行定量評(píng)估，解決缺乏驅(qū)油劑性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)室手段的難題，大幅減少現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)成本并提前預(yù)判新研制驅(qū)油劑效果及改進(jìn)方案，對(duì)指導(dǎo)礦井驅(qū)油劑選擇及提高開(kāi)采效率具有巨大作用。

4 總結(jié)與展望

功能微納結(jié)構(gòu)技術(shù)是為實(shí)現(xiàn)特定目標(biāo)所制備的具有特殊功能的微納結(jié)構(gòu)與器件，由于其尺寸為微米—納米量級(jí)，表現(xiàn)出與宏觀尺度下不同的材料屬性。結(jié)合油氣田勘探開(kāi)發(fā)需求及智能微納結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀，潛在的應(yīng)用方向包括以下 3個(gè)方面：①以超材料、智能涂層為代表的功能微納結(jié)構(gòu)有望應(yīng)用于采油工程技術(shù)與裝備領(lǐng)域。通過(guò)微納特征結(jié)構(gòu)的有序設(shè)計(jì)，獲得傳統(tǒng)材料所不具備的特殊性質(zhì)，從而提高石油裝備在防護(hù)、傳感、抗腐蝕等方面的能力，提高石油裝備的穩(wěn)定性與可靠性，為目前石油領(lǐng)域所面臨的技術(shù)難題提供全新的解決思路。②以微納馬達(dá)、智能微球材料為代表的功能微納機(jī)器人有望應(yīng)用于提高采收率新材料開(kāi)發(fā)領(lǐng)域。通過(guò)微納結(jié)構(gòu)特殊設(shè)計(jì)，可對(duì)狹小空間內(nèi)的剩余油進(jìn)行有效開(kāi)采，并能根據(jù)自身物理化學(xué)特征，感知記錄地層信息，實(shí)現(xiàn)剩余油的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和高效開(kāi)采，有效提高稠油、頁(yè)巖油等資源的開(kāi)發(fā)效率。③以3D打印技術(shù)為代表的功能結(jié)構(gòu)制造技術(shù)有望應(yīng)用于儲(chǔ)集層流體微流動(dòng)研究領(lǐng)域。通過(guò)3D打印技術(shù)制備標(biāo)準(zhǔn)巖心，可為實(shí)驗(yàn)提供標(biāo)準(zhǔn)的可重復(fù)樣品，進(jìn)行系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)操作和理論分析。結(jié)合CT、聚焦離子束掃描電鏡等實(shí)驗(yàn)手段，可對(duì)微納孔隙內(nèi)地層流動(dòng)進(jìn)行定量評(píng)估，大幅減少現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)成本，對(duì)指導(dǎo)礦井驅(qū)油劑選擇及提高開(kāi)采效率具有巨大作用。

綜上所述，以微納馬達(dá)、超材料等為代表的功能微納結(jié)構(gòu)技術(shù)，以及面向微納結(jié)構(gòu)制造的 3D打印技術(shù)，目前尚處于由基礎(chǔ)技術(shù)開(kāi)發(fā)向綜合發(fā)展應(yīng)用邁進(jìn)的過(guò)渡階段，但已在石油領(lǐng)域表現(xiàn)出了巨大的科學(xué)價(jià)值和應(yīng)用潛力。對(duì)其基礎(chǔ)理論與應(yīng)用技術(shù)的研究，將為目前石油領(lǐng)域所面臨的技術(shù)難題提供全新的解決思路，對(duì)推動(dòng)中國(guó)石油技術(shù)發(fā)展具有重要的意義。