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国外油气工业上游纳米技术研究与应用进展

2013-10-14 09:24:24 来源:中国投资研究网 【字体: 【收藏本页】【打印】【关闭】

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核心提示:纳米技术是20世纪80年代诞生并发展起来的一项尖端技术,具有极大的市场潜力,国外不少行业和企业都渴望能凭借它获得更广阔的生存和发展空间。


关键词: 纳米技术

  纳米技术是20世纪80年代诞生并发展起来的一项尖端技术,具有极大的市场潜力,国外不少行业和企业都渴望能凭借它获得更广阔的生存和发展空间。一些有远见的大型国际石油公司和服务公司近年来积极与大学科研机构合作介入这一技术领域。据报道,2008年,斯伦贝谢、巴西国家石油公司、BG集团、哈里伯顿、道达尔、BP、康菲7家公司共同成立了一家名为“先进能源财团”(AdvancedEnergyConsortium)的机构,每家每年出资100万美元,以专门资助纳米技术传感器的研究。就全球范围来说,一项技术研究得到一个行业的主营公司和服务公司共同扶持的可能不是很多,这充分说明,纳米技术已经引起了国外石油业界的高度重视。据预测,与纳米技术有关的、用于油气领域的工具将在2015年左右达到10亿美元的贸易额,相关纳米装置则将在2025年达到上述贸易规模。

  1、纳米技术及其研究应用的领域

  纳米技术被视为第三次工业革命的标志,对人类社会的发展具有重大意义。纳米技术的概念最早是由20世纪50年代著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德费恩曼提出来的。在此概念提出30多年之后,随着扫描隧道显微镜(STM)的发明和原子力显微镜(AFM)等微观表征和操纵技术的进步,纳米研究才得以日趋繁荣。所谓纳米技术,主要是指根据物质在纳米尺寸下的特殊物理、化学性质或现象,有效地将原子或分子组合成新的纳米结构,并以此为基础,设计、制作、组装成新材料、新器件或新系统,产生全新的功能,包括测量、模拟、操控、精密安放和创制小于100nm的物质,操纵数个至数十个、最多1~200个原子的科学技术。

  纳米领域的多学科交叉展现了巨大的生命力,迅速形成了一个有广泛学科内容和潜在应用前景的研究领域,纳米研究正朝着纳米材料、纳米表征技术、纳米器件与制造、纳米催化、纳米生物与医学5个方向快速发展,它们彼此依存,互相促进。纳米技术的研究成果在各行各业都具有巨大的应用潜力,石油行业也不例外。

  2、纳米技术在石油工业上游的应用研究

  当下,纳米科技已被广泛用于石油炼制领域,上游勘探开发领域应用也正在进行积极探索,但目前研究还比较分散,缺乏协调,尚无清晰的发展路线(Baker研究院研究报告,2005)。纳米技术较为成功的应用有纳米气凝胶、海底油气管道的纳米涂料等。总的说来,上游领域虽然离真正的纳米时代还有很长距离,但纳米技术必将在以下方面发挥其特殊的作用。

  2.1智能流体

  为有效探测和开采剩余油,一些大型石油公司和服务公司开展了纳米机器人的研究,期望利用纳米机器人探测甚至改变油藏特性,从而提高油气采收率,而这个所谓的机器人就是纳米智能流体。在这方面取得突出进展的有沙特阿美公司EXPEC尖端研究中心(AdvancedResearchCenter)。该中心于2006年提出了油藏纳米机器人的概念;2008年完成了可行性研究,并于当年获得《WorldOil》杂志的NewHorizontalIdea奖;2010年6月首次成功地完成了小型现场测试。测试结果证实纳米机器人具有非常高的回收率;携带纳米机器人的流体具有很好的稳定性和流动性。公司计划在2012年底进行大规模现场实验,将第一代纳米机器人Resbots送入油藏,并逐步增加探测与驱油能力。通过设计,纳米机器人的垂直分辨率远高于测井和岩心分析,探测范围介于测井与地震勘探之间,非常有助于油藏表征描述。在油气勘探与开采中具有多种用途,如辅助圈定油藏范围、绘制裂缝和断层图形、识别和确定高渗通道、识别油藏中剩余油气、优化井位设计、建立更有效的地质模型、将化学品送入油藏深处进行驱油等。这些应用都将有助于延长油气田的开采和供应年限,提高累计产油量和最终采收率。与此同时,美国莱斯大学和7家大型国际石油公司共同组建的“先进能源财团”协手开展了纳米尺度的水溶性亲水碳簇(Hydrophiliccarbonclusters,简称HCC)研究(图1)。HCC是只有一个原子厚、60nm长的碳薄片,将数目达几十亿的碳薄片泵入井内地层中后,碳薄片内嵌入的具有相关功能的分子,不仅可探测并储存其途中遇到的油、水、硫等信息,还可进入地层内带状空间探测,通过对返流的液体进行分析,就可得知油藏、含硫量、井完整性和井下残余油的分布情况。

  此外,加利佛尼亚大学还进行了智能微尘(smartdust)研制,它接近常规意义上的机械传感器。智能微尘本来是指美国研发的军用无线传感网络,由微处理器、无线电收发装置和相关软件共同组成,主要功能是将一些微尘散放在一定范围内,相互定位,收集数据并向基站传递信息。传感器大小以厘米计。智能微尘是通过纳米技术获取的纳米结构多孔硅晶体,在接触到特定成分时,晶体可改变颜色,因此可用于管线遥控探伤、检测有毒气体泄漏及油气井筒的完整性等。

图1HCC大分子簇示意图

  图1HCC大分子簇示意图

  2.2油田化学剂

  纳米技术在油气田化学剂方面的研究主要有钻井液、增注剂、降黏剂、调剖堵水剂、注蒸汽开采增效剂等,有些尚处于实验室研究阶段,有些则已经进入现场应用并取得了不错的效果。

  2.2.1钻井液及防滤失剂

  近年来人们进行了将合成纳米颗粒用于钻井液的尝试,其颗粒大小、形状和化学反应较传统的钻井液有更强的流变性能、热力性能、机械性能、磁和光性能。纳米粒子增强型多功能钻井液是研究的重点,它可以根据井下不断变化的情况实时调节钻井液性能(如黏度)。在钻井液中加入超顺磁性氧化铁纳米粒子,如需改变钻井液的黏度,只要改变磁场就可以快速实现了。

  最近,莱斯大学的科学家和M-ISWACO的工程师们合作将氧化石墨烯功能材料加入钻井液中,以减轻钻井对储层的堵塞,解决初产量下降的问题。扫描电镜成像表明,氧化石墨烯片的柔韧性极佳,过滤时因压力上升,使单个石墨烯片出现折叠,从而能够进入直径要小得多的孔隙之中。此外,与泥基漏失添加剂相比,氧化石墨烯溶液还表现出剪切稀化能力强和高温稳定性好等优势(图2)。

图2显微镜下的氧化石墨烯片

  图2显微镜下的氧化石墨烯片

  为适应超深井或水平井作业的高温、高压条件,2007年美国能源部国家能源技术实验室已启动了环保型纳米流体的研究。

  2.2.2降黏剂和注蒸汽开采增效剂

  据相关实验室研究表明,对于原油黏度为15648mPa·s的情况,加入纳米降黏剂后黏度下降为58mPa·s,降黏率达到99%,耐温达300℃以上,人造岩心驱替效率比普通的降黏剂驱替效率提高20%以上。从实验室结果看,纳米降黏剂和注蒸汽开采增效剂对稠油蒸汽开采具有重大意义。

  2.2.3油水分离剂

  以纳米材料为基础开发的油水分离剂或油水分离技术,目前国外已经实现商业应用。澳大利亚昆士兰大学研制的Pepfactants油水快速分离纳米技术应用效果显著,该项研究成果曾在美国波士顿举行的2006年度纳米技术峰会(TechConnectSummit)上获得新兴技术奖。作为一种可逆式破裂技术,该技术可控制乳化液或泡沫的形成和分解,使油水快速分离,或使其再形成乳化液,整个这程在几秒钟内就可完成。

  2.2.4压裂支撑剂

  最近,莱斯大学Smalley研究所AndrewBarron教授领导的研究小组,利用纳米技术制造了两种陶瓷压裂支撑剂——OxBall和OxFrac。这两种支撑剂和其他普通支撑剂相比具有质量轻、强度大,非常均一的特点。OxBall和OxFrac相比,前者较重、粒径较大,后者较轻、粒径较小,可分别适合于不同的储层类型。OxBall适合西得克萨斯型油田,OxFrac则适合页岩气井的压裂,这些支撑剂的矿物成分还可以根据不同的储层类型进行调整。Barron教授提出,可以使用中国、俄罗斯、乌克兰及美国煤电厂的废料为基础来制造纳米陶瓷支撑剂。

  2.3油气田污染区和场地修复重建

  近年来发生的几次大型陆地和海上漏油事故,使油气工业的环保问题获得广泛关注,纳米技术的引入将有利于解决环境保护问题。法国圣母大学和美国普杜大学分别研制的纳米级二氧化锌和蛋白质生物芯片可对地下水提供实时污染物监测,纳米二氧化锌有助于去除污染物;莱斯大学开发的磁性纳米可去除砷污;美国航空航天局(NASA)研制的ZV124纳米乳化液,可处理高密度非水相液和被三聚乙烯污染的场地。

  针对漏油事故,纳米技术可提供高亲油性的产品。用孔隙尺寸为20nm的纳米线制成的钾氧化锰垫是超级疏水垫,可用于场地复原时的石油回收、漏油清污等事故处理。这些垫的孔隙尺寸非常小,再加上覆有硅酮树脂涂层,具有很强的亲油性,又超级憎水,使其成为水系环境意外事故的强有力处理工具。但该垫现仍在研究阶段,尚未能进入商业应用。

  2.4污水处理

  国外以难降解丙烯腈—丁二烯—苯乙烯废水为研究对象,合成了适用于ABS废水降解的纳米光催化剂,去除率超过80%,废水的可生化性显著提高。通过掺杂改性合成的纳米光催化剂,吸收波长发生了红移,在太阳光下也可发生降解。该研究还将纳米二氧化钛负载在钛板上,解决了催化剂回收困难和重复使用等问题。目前,纳米二氧化钛光催化技术也被用于油气田返排水基压裂液的净化处理。纳米二氧化钛具有较深的价带能级,催化活性强,可耐光腐蚀,在光辐射作用下,吸热的化学反应在其表面加速实现,能达到降解有机物的目的。在难降解废水处理方面推广应用,将会带来很大的经济效益和社会效益。常温光催化技术是近年来国外有机废水处理的一项新技术。采用该技术可将工业废液和污染的地下水中的多氯联苯类分解为二氧化碳和水,其中紫外光催化氧化技术的研究格外引人注目。与现有有机废物多采用的焚烧处理法相比较,这项新技术具有新颖性、高效性,投资少,配合生物处理法,可以解决大多数有机物造成的污染问题,具有很好的应用前景。

  2.5油气设备及管道材料

  强度极大的碳纳米管和石墨烯的发现,使石油业界日益关注纳米技术在油气设备及管道上的应用,其中尤以纳米复合材料的应用最受重视。纳米复合材料是以树脂、橡胶、陶瓷和金属等基体为连续相,以纳米尺寸的金属、半导体、刚性粒子和其他无机粒子、纤维、纳米碳管等改性剂为分散相,通过适当的制备方法将改性剂均匀地分散于基体材料中,形成含有纳米尺寸材料的复合体系。用纳米复合材料制造的部件具有质量轻、抗腐防腐、防火耐用、强度大等特性。具体应用领域如下:

  一是可取代原有的金属部件。这涉及海洋石油平台、高能效交通运输工具、钻井,特别是深水、超深水钻井工具配件等。

  二是用作密封材料。哈里伯顿能源服务公司用含有大量纳米结构的聚合物制成了一种井下密封件(包括静态和动态密封),具有很强的界面作用,可应对井下爆发性减压和密封失效,如膨胀、螺纹损伤、磨损和热降解等问题。日本的研究人员也开发出了多壁式碳纳米管橡胶复合密封材料,可抗260℃的高温和239MPa的高压。

  三是用于涂料或润滑剂。在机械表面形成纳米膜,可以提高其耐磨、抗腐蚀性。如在钻头上覆盖一层纳米结构的陶瓷材料可以大幅度提高其硬度、减少摩擦,从而延长使用寿命。最近,哈佛大学与斯伦贝谢合作研制了一种自清洁、不粘碎屑的涂层,可用于井下光纤传感器外层,在不洁环境下仍可保持清洁透明。该技术是在研究和模仿猪笼草表面纳米结构基础上发展起来的。猪笼草表面是粗糙多孔的纳米结构,具有亲水性,可利用雨水生成光滑表面,使昆虫无法立足并成为囊中物。

  受此启发,研究人员开发了一种纳米微结构的特佛龙表面,外附一层润滑膜。试验室研究结果表明,这个表面完全不粘油、气,而碎屑则用水一冲即除。最值得一提的是纳米气凝胶隔温层在海底管道上的应用。国外最先着手研究的是美国阿斯彭公司(ASPENAEROGELINC.),现已发展了数十年,技术相当成熟,也是目前海上勘探开发不可或缺的材料之一。纳米气凝胶材料可置于两层管线中间作夹层,又称管中管,不仅大大节约外层管道钢材,减轻重量,节约运费和加工费用,而且隔温效果还较常规管材高5倍,通过掺杂不同的材料,可以做出耐高温系列和耐低温系列的产品,特别适用于环境较苛刻、对重量要求高的海上作业等前沿领域。

  3、结论

  纳米科技的发展已悄然引发一场新的工业革命,纳米技术已成功地应用于环境保护、化工、医疗、材料、电子信息等领域,在油气田勘探开发中的应用也正在兴起,其生命力初见端倪。根据国外纳米技术在油气工业上游的研究与应用情况,可以大致总结出当下国外在这方面的研究方向和应用范围:

  (1)非常规油气开发。纳米材料用于制作多级水力压裂部件、支撑剂,配制降黏剂用于稠油开采。

  (2)剩余油开采、提高采收率技术。智能流体、增注剂等,对于剩余油开采具有很大的应用潜力,是未来纳米技术在油气工业上游应用的主要方向之一。

  (3)深海、极地环境勘探开发设备的涂层和部件。例如超疏水纳米材料内涂层,可用于管道内部减少天然气水合物的形成,提高管道防腐能力;纳米石墨涂层,硬度高,抗磨,可用于极端条件下油气开采设备的防腐、减小摩擦、提高抗磨能力等。

  (4)油气田作业场地重建和意外事故处理。纳米技术在油气田防污、去污及灾后处理中具有重要应用潜力,这也是油气工业上游未来的应用领域之一。


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