纳米技术在石油勘探开发领域的应用（下）

上期石油圈带来了“纳米技术在石油勘探开发领域的应用（上）”，其中主要涉及到了可应用到石油勘探开发领域的纳米表征技术、纳米传感技术以及微纳米介质中油气运移模拟技术，本期石油圈将主要阐述纳米材料在石油勘探开发领域的研究进展与应用情况，探讨并展望未来纳米技术的应用关键与发展方向。

纳米材料

纳米技术最直接的应用就是在油田开发各阶段加入具有纳米尺度或其他纳米特性的颗粒或乳液，统称为纳米化学剂。由于纳米化学剂颗粒尺寸小、比表面积大，所以纳米颗粒表面活性原子数、表面自由能和界面张力随粒径下降急剧增大，使其流变性、润湿性、表面效应、微粒运移等方面表现出异于常规化学剂的特性。

本文结合油气田开发过程中对化学助剂的实际需求，从以下几个方面综述国内外近年来有关纳米材料在石油开发各领域的应用状况及发展方向。

尺寸与表面效应

随着非常规油气资源开发的不断深入，越来越多的常规化学剂难以满足储集层的注入要求。纳米材料不仅能有效解决注入性问题，而且还表现出特有的穿透能力，特别是对于非常规油气资源，只有具备小尺寸效应才能大幅度提高化学剂在地层的扩散率，才可能将纳米流体注入储集层指定区域，从而达到显著提高采收率的目的。

纳米颗粒也具有很强的表面效应，纳米级粒子的比表面积大，使其与其他介质（矿物质表面、金属盐等）之间化学键的结合强度增强。所有纳米材料（硅、钒、钼、钨等氧化物）表面均富含端氧、桥氧等活性修饰位点，这为纳米材料表面稳定修饰与改性提供了基础，表面修饰改性后形成的纳米化学剂才可具备润湿性改变、抑制微粒运移、纳米过滤、剪切增稠等特殊性能，从而满足油田开发各阶段实际需求。

润湿特性

在提高原油采收率的过程中，岩石润湿性是影响驱油效果的重要因素，对于流体分层及其在孔隙中的分布起到重要作用。现有化学剂也具有一定改变油藏润湿性的功效，可根据岩石表面带电效果适量吸附不同类型阴、阳离子表面活性剂，调节表面活性剂亲水、亲油特性实现岩石润湿性转化。但总体来说，常规表面活性剂分子尺寸受限，注入困难，难以用于非常规油气资源的高效开发。在地层条件下，表面活性剂耐温、耐盐性能较差，且单一分子均含有亲油、亲水基团，大规模制备及应用成本较高。

活性纳米材料通过表面改性可具备憎水、亲水或双重润湿性的能力。Wang等研究了改性纳米SiO₂改变岩石润湿性的机理：携带介质将改性纳米SiO₂带入地层，由于表面的高能态和表面原子的极不稳定性，改性纳米SiO₂将会吸附在砂岩表面，使岩石润湿性发生反转，由亲水转为亲油，降低注入水的流动阻力，从而大幅度提高注入水渗流能力。该项特性应用最广泛的是纳米分子沉积膜（MD膜），用MD膜调节岩石润湿性，通过改变岩石表面性质实现低渗透油藏降压增注。

抑制微粒运移特性

油田开发过程中矿物微粒会发生不同程度的运移，导致多孔介质的渗透率降低，对储集层造成一定伤害。通过纳米材料或乳液可寻找不同的解决方案：含有纳米粒子（氧化镁、二氧化硅和三氧化二铝）的纳米流体具有较低的油水界面张力及很强的吸附倾向，一方面，纳米流体可以进入不同孔隙的储集层单元；另一方面，由于纳米流体与岩石矿物的相互作用，大量的纳米粒子吸附在岩石或黏土表面，利用纳米粒子与岩石矿物之间的双电层排斥力固定微粒位置，防止微粒运移，有效抑制黏土膨胀和分散。

Habibi等报道了将纳米氧化镁流体注入水敏地层，防止水冲击地层而损害流体通道的实验研究。结果表明，纳米氧化镁颗粒可作为黏土稳定剂，在不同矿化度条件下抑制黏土水化膨胀与颗粒运移，保持储集层渗透率基本不变；该稳定剂还具有较高的比表面且带有大量电荷，能有效抑制黏土颗粒的分解，防止细小粉末颗粒运移堵塞孔喉，从而保护水敏地层。

Al-Malki等研究结果显示，在钻井液中加入海泡石纳米颗粒可保持流变稳定性，提高钻井液的抗滤失、抑制黏土膨胀等性能。

剪切增稠特性

现有堵水、调剖材料均以凝胶、体膨颗粒及聚合物微球为主，材料自身无法变形，材料的物理化学性能不随外界条件发生变化。纳米材料的剪切增稠特性为此提供了一种可选择的技术手段。

剪切增稠流体（Shear thickening fluid，STF）包括剪切增稠液和剪切增稠凝胶等，Bender等报导了这类纳米材料的剪切增稠机理。Raghavan等提出了剪切增稠过程中的应变增加情况及流变特性产生的条件和区域。Hoffman研究了剪切增稠现象的成因及微观结构的变化过程，并讨论了在稳态剪切流动、摆动流动和重合流动中粒子间的相互影响。同时指出二氧化硅的含量越高，液体体系的初始黏度越大，剪切增稠阶段的增稠效果越强，且初始剪切变稀效果也越明显。

纳米光催化特性

纳米光催化技术基于纳米光催化剂在紫外线照射下具有的氧化还原能力而净化污染物，该技术特别适合有机物的净化，在油田污水的深度净化方面显示出了巨大的潜力。

纳米光催化剂通常为TiO₂，只能在紫外光（波长小于385nm）激发下进行光催化反应。目前，提高可见光催化效率的方法有离子掺杂、半导体复合、表面光敏化催化降解以及TiO₂表面无定形化。Wang等发现石墨烯状碳氮化合物具有光催化分解水的性能，将TiO₂负载化、制成微/纳分级结构以及负载磁性物质等，可解决催化剂分离回收难题。TiO₂光催化技术比较适合去除水中痕量的有机物，因此将该技术同其他处理技术联用可极大扩大其应用领域。

如将光催化和电化学联用的新型深度氧化技术可提高污水处理程度；光催化技术同Feton试剂结合可加速光催化反应速度；反渗透技术同光催化技术结合可改进净化效率等。纳米光催化技术日趋完善，有望用于油田污水中聚合物和表面活性剂体系的处理。

纳滤特性

纳滤特性（Nano filtration）是以压差为推动力，介于反渗透和超滤之间的截留水中颗粒物的一种膜分离技术。

纳滤过程的关键是纳滤膜，对于石油工业废水处理具有两大优势：①能够净化并淡化用于二次或三次采油的注入水，利用纳滤膜可将采出液废水分离成富油水相和无油低矿化度水相，把富油水相直接转为破乳脱水，无油低矿化度水相直接配制回注。②纳滤膜可完全破坏采出液的水包油或油包水结构，实现油水分离，降低破乳脱水难度，同时还可将采出液中的活性物质（聚合物、表面活性剂、碱等）分离回收并利用，降低提高采收率成本。

纳米防腐耐磨特性

在石油钻采工程领域，地面和井下工具都面临着磨损、腐蚀、高温高压、高含H₂S和CO₂等复杂环境，不仅造成工具损坏、腐蚀、成本增加和产量降低等问题，还增加了作业风险和环境污染等负面影响。例如常见的关键易损零部件有钻头、膨胀锥、柱塞、转子、光杆等，而高性能纳米涂层有望解决上述难题。

新型高硬度耐磨纳米涂层不同于传统单相纳米晶等耐磨涂层技术，它主要是利用两相陶瓷在微结构方面进行周期性调制，形成共格外延生长的纳米多层膜结构以获得高硬度及耐磨性能；或利用两种纳米晶陶瓷材料进行复合，形成纳米超硬复合膜结构以获得高硬度及耐磨性能，以满足石油钻头表面对超高耐磨耐热氧化性能的需求。

总结与展望

以纳米技术为核心的创新研究已广泛出现在油气勘探开发的多个领域，并可能突破油气开发技术的瓶颈。结合油气田勘探开发需求及纳米技术研究现状，比较现实的应用发展方向主要包括以下3方面。

• 纳米表征及数值模拟技术优势明显。随着页岩油气和致密油气资源的有效勘探和合理动用，纳米表征及分析手段将为储集层精细描述、岩石物性分析、流体运移规律研究、油气信息捕捉等方面提供决策参考和技术支撑。
• 纳米传感技术破译油藏“黑匣子”。纳米机器人已经为油藏解释、剩余油气分布及评价提供了技术思路。纳米微电子、纳米传感、纳米识别等技术有望成为实时探测油藏属性、寻找油气资源的终极手段。
• 纳米材料的应用可大幅提升石油天然气的开采效率。未来油田开发技术必须具备“目标导向”与“复合功能”，纳米材料为此提供了技术可行性。例如：纳米分子沉积膜可用于低渗透油藏降压增注；纳米智能流体可用于堵水调剖；纳米颗粒可用于提高钻井液性能，纳米催化剂与纳米滤膜可用于油藏原位改质与后期水处理；纳米涂层可用于工程领域防腐等。

此外，由于纳米材料普遍具有大量可用于化学修饰的活性位点，未来油田开发将以纳米材料为基础，以化学改性为手段，在同一纳米材料上集成多种功能，真正赋予纳米材料“目标性”与“智能性”，将“一剂多能”、“一剂多用”变为现实。如可通过纳米材料化学修饰方法将普通驱油剂“扩大波及体积”与“提高洗油能力”的两大特性赋于同一纳米材料上，真正实现“智能化”驱替，大幅度提高油田采收率。

随着纳米技术的高速发展，预计未来会陆续涌现颠覆性新技术。纳米催化剂原位改质难动用原油技术有望实现有机质的原地转化和开采，将高能耗、高污染的“地上炼油厂”模式发展到优质清洁的“地下原位炼油厂”模式。此技术不可逆地将未成熟的有机质转化成为高品质的轻质原油，或将低品质的原油转化为高品质的轻质原油。

如能实现，将大幅度降低原油开采难度、提高油品质量，同时也将提升原油附加值；实现环保和节能，不需要大型水力压裂，减少了用水量，减轻了地层和地面的环保压力；为利用太阳能、风能等清洁能源进行不连续加热提供了可能；降低了成本，减少了二氧化碳的排放量。

另外，人工模拟纳米光合作用技术也逐渐崭露头角，一系列革命性的“太阳能-化学能转换和人工光合作用”研究成果正在形成。该技术可利用纳米光催化在太阳光下将水分解成氢和氧，氢可直接用作汽车燃料或者被存储用于发电，还可利用新型纳米催化材料或微生物使氢与二氧化碳结合形成甲烷等清洁能源。未来，人类可利用“人工纳米光合作用系统”简便地产出可再生的清洁燃料，在化解深度挖掘化石类能源资源潜力难题的同时，有效缓解二氧化碳的处理难题，从根本上颠覆传统化石能源。

综上所述，纳米技术已应用于油田勘探开发的各个领域，并显示出巨大潜力。虽然近些年取得了长足进步，但纳米技术涉及多学科交叉，在机理解释、物性评价、产品研发等方面仍有待完善。另外，纳米材料降本增效任务仍很艰巨，现有纳米材料的高成本直接导致多数新材料停留在室内研究阶段，如何有效地降低纳米材料制备与修饰工艺成本，将最终决定纳米技术的应用效果。

版权声明 | 来源：石油勘探与开发，作者：刘合等，版权归原作者所有。

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