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纳米材料在石油工业中的应用

作者:admin 更新时间:2019年06月03日 09:59:55

  摘要:本文综述了纳米材料在石油工业中的应用情况,包括纳米技术在石油工业上下游领域的应用,并分析纳米材料在石油工业应用中存在的问题和发展方向。


  作者:杨枫


  关键词:纳米材料;石油工业;应用


  [中图分类号]:TB383[文献标识码]:A


  [文章编号]:1002-2139(2011)-23-0259-01


  一、前言


  纳米技术包括纳米材料和物质的获得技术、组合技术以及纳米材料在各个领域的应用技术。当普通材料被制成纳米材料后,不但光、电、热、磁等特性发生了变化,而且还会增加辐射、吸收、催化、杀菌、吸附等新特性。这些特点引起了油田开发工作者的注意,并将其应用到石油开发和石油化工等领域。


  二、纳米材料在石油上游领域中的应用


  1、纳米材料在钻井工具材料上的应用


  目前我国的油气资源探明程度还不高,主要原因是钻探技术满足不了需求。钻探的难题必须通过新技术应用,才能解决超深层勘探的问题,同时提高钻井效率,使综合钻井成本达到大幅度下降。


  目前,我国已经研究一种纳米复合涂料,在钻具和井壁表面形成纳米膜,大大降低钻具的摩擦阻力,降低了钻大斜度井、水平井、多分枝井和大位移井的难度。另外对于一些小的器件例如:高压泥浆泵的缸套、活塞等,利用纳米材料提高它们的耐磨、耐冲蚀性都将会带来巨大的经济效益。


  2、纳米材料在钻井液完井液中的应用


  纳米材料应用于钻井液和完井液可以有效解决井壁稳定和储层保护等钻井问题,提高钻速,缩短钻井周期,减少钻井液对油气层长时间浸泡产生的岩壁不稳定性。


  纳米材料在钻井液和完井液中的应用可通过在入井工作液中添加纳米相颗粒或纳米复合材料来实现。王佩平[1]等研究的正电胶/聚合醇/纳米乳液钻井液在应用中表现出了优良的性能:在较低密度底层钻进中未发生井壁失稳垮塌、阻卡等现象,携砂能力强,流变性好,摩阻系数小,用于易发生垮塌油气藏勘探开发,有较好的的效果。


  3、纳米材料在采油生产中的应用


  近年来,在纳米技术的基础上研究出一种纳米微乳,是由油、水、表面活性剂和助表面活性剂组成,具有热力稳定性和各向同性的多组分分散体系。随着石油新探明储量的减少,如何提高其采收率,使开采达到原始储量60%以上已经成为普遍关注的问题。在油田开发中,二次采油时对低渗、低孔和低压油田,普遍存在注入压力高、注水量小等问题,不能有效发挥水驱的作用。如果在注水中加入一定量能够形成纳米微乳的增注剂,可能解决这一难题。目前相关报道表明,向井下注入微乳提高原油采收率已经取得显著成功。


  4、纳米材料在采油堵水中的应用


  油井出水问题在油田开发过程中普遍存在,需对生产井实施堵水和调整注水井吸水剖面。油田进入高含水或特高含水期后,调剖堵水难度加大,推动了纳米技术进入该技术领域。用于调剖堵水的纳米材料较多,可以满足不同的应用要求。


  刘高友等[2]MgCl2・6H2O,AlCl3・6H2O和ZnCl2・6H2O以不同摩尔比配成盐溶液,用氨水调溶液pH值在9.5~10之间,经陈置、过滤洗涤、胶溶、干燥,得到类水滑石纳米材料。该材料作为堵水剂,多次室内模拟岩心流动实验中岩心堵塞率达98%以上,具有良好的耐水、耐聚合物溶液冲刷能力。


  就目前技术而言,对几十微米微裂缝的地层,只能采用表面活性可控的纳米悬浮和流固体系。采用纳米乳液防止储层损害和水锁效果突出;利用纳米乳液颗粒小尺寸和吸附效应,在纳米级孔喉中形成典型的架桥封堵,能有效堵水且易于返排,同时能抑制黏土运移,有效保护油气层。


  5、纳米材料在破乳剂中的应用


  纳米技术在破乳剂中的应用目前研究的比较少,只有北京交通大学开展了这方面的研究,研制的纳米破乳剂性能评价实验表明,在破乳剂聚醚分子中通过化学反应键入纳米氧化物,原有的有机高分子破乳剂用量可以节省10%~20%,破乳脱水的时间可以加快30min左右,脱水率也可以提高20%~30%。具有很高的实用价值。


  三、纳米材料在石油工业下游领域的应用


  1、纳米材料在石化催化剂中的应用


  由于纳米材料颗粒的大小可以人工控制,表面的键态和颗粒内部不同及表面原子配位不全等,从而导致表面的活性部位增加;另外,随着粒径的减小,表面光滑程度变差,形成了凹凸不平的原子台阶,这样就增加了化学反应的接触面。这些性质为其在石油化工领域的应用提供了良好的前景。


  研究表明纳米粒子对催化氧化、催化氢化、还原、裂解反应都具有很高的活性和选择性。纳米催化剂具有高的比表面积和表面能,活性点多,因而活性和选择性远远高于传统催化剂,如以粒度小于100nm的镍与铜锌合金的纳米材料为主要成分制成的加氢催化剂,加氢转化率是传统镍催化剂的10倍。


  2、纳米材料在炼化厂净化分解毒气的应用


  纳米材料比表面积大,可与废气充分接触,最大限度地吸附在表面;对紫外光等吸收能力强,具有很强的光催化降解能力。以TiO2为代表的光催化剂可在常温下使多种有害毒气分解成无害无味物质。而光催化材料本身在反应过程并不消耗,是一种理想的空气净化材料。目前,采用纳米光催化技术净化分解硫化氢、甲硫醇和乙硫醇的研究已有不少报道。


  四、目前存在问题及今后的研究方向[3]


  纳米材料在石油工业上的应用才开始不久,出现的问题也比较多:(1)由于采油环境中与实验室有很大的区别,目前实验室所取得的成果在现场应用中还存在很多问题;(2)作为催化剂的纳米材料,若直接以颗粒存在于反应体系中,其抗污染性、回收难易以及活性再生等都是值得考虑的问题,若在载体上附着,其负载体对其活性、循环利用方式的影响,也值得探讨。(3)纳米调剖材料的耐温耐盐性较差,远不能达到温度高于100℃、矿化度高于8000mg/L的地层,很有进一步研究的必要。


  五、结论


  只有石油业界与纳米业界寻求到共同的研发方向和目标,形成产学研联合的有效形式,以上种种问题和难点必会得到很好的解决,而纳米技术也必将渗透到石油工业的每一个环节。