纳米技术——石油工业的福音

吴文炜

石油工业背景

石油工业是开采石油、油质岩、天然气以及对其进行炼制加工的工业部门。包括油、气地质勘探，钻、完井，油、气田开发，油、气开采，石油炼制，油、气运输和储运等单位。现代石油工业诞生于1859年的美国，其历史不超过200年，却在1965年取代煤炭成为世界第一大能源，如今已“统治”世界半个多世纪。

21世纪以来，世界石油工业发展遇到了前所未有的挑战。一方面，石油需求不断增长，油气储量增幅放缓，石油供应形势趋紧，甚至有人预言21世纪石油时代即将终结；另一方面由于政治动荡、市场投机、环境污染等造成油价跌涨起伏，尤其是堪称冰点的2016年油价跌至43美元/桶，突如其来的变故使得石油人彷徨，不知所措！

诸多因素，引发了人们对油气的思考：油气资源能持续多久？现有技术该如何提高对资源的利用程度？

世界油气资源量能维持多久？

在回答这个问题之前，需要了解根据储藏形势和油品的不同，石油资源可划分为两种：常规石油（包括凝析油），非常规石油（重油、油砂、致密油、油页岩）。天然气资源也可划分为两种：常规天然气，非常规天然气（页岩气、致密气、煤层气）。

根据2018年12月3日美国 《油气杂志》 数据及中石油数据，世界石油探明可采储量为2281.2亿吨，2018年世界石油年产量为44.5亿吨，还能开采50年左右；世界天然气探明可采储量为201.6万亿立方米，2018年世界天然气年产量为3.97万亿立方米，还能开采50年左右。然而，这只是探明可采的常规储量与部分非常规储量，由于目前勘探技术的限制，非常规储量勘探程度不大，可采储量还不明确，但前景较为乐观，若有技术突破，可采年限还将进一步延长。

表1 2018 年世界油气探明储量及石油产量估计值地区构成情况

从海陆分布来看，除中国以外，全球其它地区有57%的常规剩余可采油气资源分布在陆地上，有43%分布于海洋中。无论是陆地还是海洋油气，都还有很大的勘探开发空间。

非常规石油当中，储量最大的为油页岩，占非常规石油总储量的47%。这种特别的石油资源主要分布在美国和俄罗斯，在我国的吉林省有丰富的储量，但其开采成本极高，目前全球范围内都没有广泛开采。其次为重油，我国重油资源相当丰富，主要分布在辽河油田、渤海油田、新疆油田等，同时也面临较多的开采难点。

                         图1 全球非常规石油可采资源占比

        现有石油开采技术该如何提高对资源的利用程度？

要回答这个问题，首先要了解石油开采技术都有哪些，主要分为三类，其中一次采油为依赖地层天然压力采油，如自喷；二次采油为随着地层压力的下降，需要用注水补充地层压力的办法来采油，如水驱采油；随着低渗、稠油、高含水、复杂断块，地层压力亏空等难开采储层比例增大，以及页岩气、致密油、深层、深水油气以及天然气水合物等非常规储层的快速开发，为了降低开采成本和提高原油采收率，三次采油技术应运而生。

当今世界三次采油技术全面开花，除了传统的化学驱、混相驱、热力采油等技术，水平/多分支井、压裂、完井、地层热/化学改质处理等成为采油技术新成员，与此同时，高新技术诸如生物、信息、新材料、纳米材料等逐渐崭露头角，并以其独特的方式登上历史舞台，为打破石油的采收率瓶颈带来了希望。

有专家学者^[6]通过专利分析研究了提高采收率技术的发展趋势，认为的EOR技术突出了多学科协同一体化、地下井筒一体化、压采一体化等特点；并预测了5个主要技术的发展趋势：①聚合物驱：高效新型或改性聚合物的研制，智能型聚合物的研究，聚合物驱后进一步提高采收率技术，聚合物驱与其他诸如气驱、热驱、纳米采油等相结合，聚合物驱在多种油气储层（如断块、低渗、页岩和致密）中的应用；②气驱：ＣＯ_２驱在非常规储层提高采收率中的应用，ＣＯ_２驱中的气体提纯及二次利用，其他气体驱（空气、氮气等）的应用；③水平井：与地层接触更全面，如阶梯式水平井、多分支水平井、小井眼水平井、体积压裂水平井，选择性多段区别完井、生产、堵水等，水平井与直井等的复杂布井；④地层热处理：热化学反应加热地层，电、电脉冲、电磁波、声波等物理加热地层，其他地层的热能量利用，井下热反应器的研制；⑤完井工程：结构复杂的水平井完井，近井的高效酸洗或者小型压裂，智能完井等。

表2 提高油气采收率技术分类及其专利统计

油气提高采收率技术将向着智能、信息、大数据、环保、精细化等方向发展，传统的化学方法驱油会减弱，以扩大渗流通道、降低渗流阻力为主的物理或化学法驱油大大增强，相应的设备、工具、工艺及地下施工监测预测等将更加突出。

纳米技术为石油工业带来了福音

石油工业中，包括勘探、钻井、完井、开采几乎所有的技术都围绕油气田开发目标而展开，主要有两个方面: 一是提高原油采收率，充分利用油气资源；二是提高经济效益。

在提高经济采收率方面: 利用廉价高效的驱油剂，提高中后期驱替效率至关重要。常规的材料无法达到要求，而非常规性能的纳米级钻井液、固井液与完井液、增注剂、降粘剂在提高采收率方面发挥着重要的作用。在提高经济效益方面: 需依托新型纳米材料改进工艺、工具和配套设施，比如提高液用的电泵、螺杆泵和管式泵的寿命。提高这些工具寿命的关键是要解决金属材料的耐磨耐蚀性和各种耐油、耐压及耐温材料的密封性能。

                          图2 　专利权人专项技术分布地图

                              纳米技术是什么？

纳米技术和纳米材料是近十几年来科技发展的前沿技术，其基本涵义是指在纳米尺寸范围内（0.1 ～100nm）研究介观物质的组成，通过通过对原子、分子的操纵及对物质反应、传输和转变的控制，实现创造新的材料、器件，充分利用它们的特殊的性能。所形成的纳米材料由于特有的表面效应、小尺寸效应和量子尺寸效应等优异的性能，显示出其在光学、热学、电学、磁学、力学和化学方面的性质与普通固体有显著不同，还会增加辐射、吸收、催化、杀菌、吸附等新特性。因此，其巨大潜力在航天、医疗、通信、工业制造、环境、能源等许多领域产生了革命性影响，也由此被许多学者定义为第三次技术革命。

图3 纳米尺寸示意图

当然，纳米技术也引起了油田开发者的注意，并将其应用到石油开发的各个领域。早在1966 年，纳米材料就被应用于驱油的微乳液中，随后纳米黏弹性表面活性剂技术、微—纳米颗粒封堵技术、正电纳米钻井液技术、纳米降压增注技术、MD 膜技术及聚硅纳米增注技术相继发展起来。相比传统的化学驱油提高原油采收率技术，改性的纳米粒子分散体系用于化学驱油具有良好的增产、增注效果。在油气开采领域，纳米采油属于前沿技术，依靠其特有的性质将对高含水、低渗透、稠油、致密、页岩储层、深层等非常规油气藏的提高采收率和高效开发提供突破性思路，并带来光明前景。

从钻探、采注、调剖、钻井液、污水处理、防腐、润滑7 个方面探讨了油气田开发领域存在的技术问题和应用纳米技术及其材料的可能性与优势。

表 3 石油领域的纳米技术统计表

存在哪些问题？

( 1) 在增注剂方面，主要问题是国产纳米粉分散性较差，靠进口产品不利于技术的研发且成本高。对增注机理还需进行进一步的微观研究，以便于纳米产品产业化的开发。

( 2) 目前，纳米TiO2 等的光催化效率较低，提高纳米光催化剂的光催化率对于大规模应用光催化技术具有深远的意义。

( 3) 纳米调剖材料的耐温和耐盐性能较差，仅适用于30～80℃、矿化度低于5 000 mg/ L 的地层，有进一步研究的必要。

( 4) 作为润滑油添加剂的纳米粒子，在基础油中的分散性还不是很均匀、很稳定。如果解决了以上种种问题和难点，可以肯定纳米技术将广泛应用于钻探设备、工艺、油田钻井泥浆、压裂液和化学驱油等方面，从而使纳米材料最大限度地融合到油气田开发过程中。

前景展望

                                图4 纳米采油技术发展趋势

有专家学者通过专利分析了纳米技术在石油开采领域的发展趋势，从图4 可知，纳米驱油技术自1966 年开始发展至今一直占据纳米技术发展的主要部分。2000 年以前纳米驱油基本上代表了纳米采油。2000 年以后到2015 年的15年中，该阶段专利处于向上增长趋势，纳米在采油方面的应用范围扩大，体现出5 项主要技术的叠加所占总体比例在减少，磁性纳米、纳米钻完井、纳米地层和井筒处理等相继发展起来。随着非常规油气资源的规模开发与利用，纳米应用将会越来越多，分支也会越来越细。

纳米技术的发展经历了3 次转折，目前正处于第三次转折的中后期。这一阶段，纳米乳液、纳米钻井液、完井液等发展较为完善，对磁性纳米、纳米压裂液、纳米支撑剂、纳米地层处理剂等研究处于发展期。预计将来可以通过操控井下纳米机器人获取更精细、更准确的井下资料，对目的井进行实时检测跟踪；用磁性纳米流体驱油，提高注入介质的效率和原油采收率。

纳米采油随着世界第三次技术革命（纳米革命）的爆发而突破了目前各项技术的常规认识，也将引起油气工业的另一个巨大转变，全新的石油工业亦将呈现到世人面前。提出以下研究方向：（1）致密油储层压采一体化系列纳米应用机理研究；（2）油藏纳米催化提高重质油采收率技术研究；（3）油藏条件下纳米智能流体动态监测技术；（4）深层油气藏纳米应用系列研究；（5）高含水油藏聚合物驱后纳米采油技术研究；（6）纳米材料在油田排液污水处理中的应用；（7）纳米采油的技术经济环境评价体系研究；（8）综合实验、数模及分子动力学模拟从宏观与微观两个角度研究纳米驱油剂与复配剂的提高采收率机理，为研发、生产、技术应用提供参考。

参考文献

[1]数字上的石油_子竹[J].

[2]张姗. 世界及中国油气发展形势初步分析[J]. 中国能源, 2019,41(03):29-32.

[3]2018年世界油气探明储量及石油产量估计值地区构成情况[J]. 当代石油石化, 2019,27(01):54.

[4]王大锐. 在石油勘探开发领域大有作为的纳米技术——访中国工程院院士刘合教授[J]. 石油知识, 2018(01):10-11.

[5]王海晶. 浅谈新形势下采油工程技术的发展方向[J]. 化学工程与装备, 2017(07):240-241.

[6]郭小哲, 韩文磊, 牛慧珍, 等. 基于专利分析的纳米采油技术发展趋势[J]. 石油科技论坛, 2017,36(03):32-40.

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[8]郭小哲, 江彩云, 王晶, 等. 基于专利分析的提高油气采收率技术发展趋势[J]. 长江大学学报(自科版), 2018,15(19):58-64.