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| 干货 | 新材料在石油工程中的应用 |
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作者： 赵汩凡，邸伟娜，王敏生 （中国石油化工股份有限公司 石油工程技术研究院， 北京 100101） 摘 要： 日益复杂的勘探对象对石油工程技术提出了更高的要求，国内外油公司和油服公司对石油工程新技术研发与应用的力度都在不断加强。近年，石油工程技术的主要趋势是智能化、实时化，同时相关学科发展有利促进了石油工程技术进步。基于对石油工程技术特点的分析，主要对新型隔热材料、功能梯度材料、自愈合聚合物等新材料进行了分析研究，并根据其特点，移植应用于石油工程领域。1 概述 进入 21 世纪以来，随着经济的快速发展，全球能源需求不断增长。为了满足能源需求，世界各国大力开发石油和天然气。这促进了全球石油工程技术的进步。从近年石油工程技术发展的特点可以看出，相关学科发展对石油工程技术促动作用日益受到重视。无论是石油工程技术的智能化、实时化、自动化，还是非常规油气、深水油气以及地热等新能源地高效开发，交叉学科的特点日益凸显，许多其他领域的新技术被改造和移植运用于油气及新能源勘探开发，并见到良好的经济和社会效益。正是基于这些认识，国际知名的油公司和服务公司都通过与研究机构合作或组织专门的技术人员对非油气领域的相关技术进行跟踪研究和评估，积极储备新一代石油工程新技术。2 近年石油工程技术发展特点 2.1 智能化、实时化、自动化是主要趋势 目前，国际石油工程技术总体呈现智能化、实时化和自动化的发展趋势，特别是智能化将主导石油工程技术的发展。高性能的机、电、液一体化技术促进石油钻机的功能进一步完善，大量增加自动化工具仪器，采用智能信息技术，减轻钻井操作者劳动强度，为提高劳动生产率创造了良好的条件 。 地质导向和旋转导向钻井技术大幅提高了储层钻遇率，也为井下闭环控制奠定了基础。依托随钻测井和随钻地震技术的无风险钻井技术（NDS），实现了窄密度窗口复杂压力条件下优快安全钻井的目的。 欠平衡钻井技术朝精确控制井筒压力方向发展，提出了多技术一体化管理钻井理念，解决井漏、井塌等钻井复杂问题，大幅度提高钻井速度，降低钻井成本 。智能完井技术通过对水平段或各分支进行分段完井，封隔异常压力及异相层位，延缓底水锥进，实现各个层位的实时监测和控制，在出水、出砂后准确确定层段，改进油藏开发管理模式，实现油藏开发的合理有序。 2.2 相关学科发展对石油工程技术促动明显 石油工业的每一次大进步都是将当代科学技术的新理论、新方法、新材料、新装备引入的结果。 全球主要的石油公司和技术服务公司都在进行纳米材料技术的研究，并极大地促进了井筒及注入流体、纳米材料反应剂、井下工具及管材表面处理技术的发展。物联网、云计算、增强现实等技术的应用，为各个作业单元的智能互联、远程检测与控制提供了实现手段。同时，仿生学、微生物学、化学、高能物理等领域的研究成果，为新一代建井技术，以及微型化、反应型智能载体技术的研发提供了有益的借鉴。 3 新材料在石油工程领域的应用 3.1 气凝胶-相变微胶囊复合隔热材料 新型隔热材料，特别是气凝胶-相变微胶囊复合材料因其良好的耐热性能和相对较小的空间占用率，属于柔性材料，在航空航天领域取得了良好的应用效果 。 3.1.1 基本技术原理 二氧化硅气凝胶是由纳米级二氧化硅微粒相互连结而成的具有三维网络结构的一种纳米多孔材料，其所含基本粒子和孔的直径均在纳米级， 具有极低的热导率， 是一种新型轻质保温隔热的理想材料。虽然具有优异的隔热特性，但是长时间高温使用时，仍会有热累积效应，导致内部器件温度升高。 相变微胶囊材料是利用微胶囊化技术使化学惰性的外壳材料包裹于固-液相变材料微球外面，形成一种复合相变材料。通过相变微胶囊材料的核壳化，能够克服相变微胶囊易于相分离、泄漏以及腐蚀性等问题，有效改善了相变材料的应用局限性。 因在相变过程中能够吸收和释放大量的热量，相变材料主要用于温度控制领域，而通过将相变材料微胶囊化，使得应用领域扩宽到热防护等方面，具有更广阔的应用前景。 通过将气凝胶和相变微胶囊同时使用得到复合隔热材料，能够很好地保护内部需要隔热保护的器件。这一复合材料已应用于导弹导流罩内的隔热层，保护导弹头部的雷达等精密设备。 3.1.2 气凝胶复合隔热材料的特点 气凝胶是一种分散介质为气体的凝胶材料，是由胶体粒子或高聚物相互聚积构成的一种具有互穿网络结构的纳米多孔性固体材料。该材料内部孔隙的尺寸在纳米数量级，孔隙率高达 80% ~99.8% ，孔隙的典型直径为 1~100 nm ，比表面积为 200~1 000m2 /g，密度可低至 3 kg/m 3 ，室温导热系数低至 0.012W /（m ·K）。二氧化硅气凝胶是目前技术成熟、工程化应用广泛的气凝胶材料，因其极低的导热系数被称之为超级绝热材料。 相变微胶囊，常温下为白色粉末，平均粒径0.5~20 μm ，一般采用正二十烷等作为芯材，其装载率可达 70% 以上。相变温度可按需调节，相变热达到 160 J/g 以上，耐热温度可达 150 ℃，若采用双层壁材耐热温度可达到 180 ℃以上。相变微胶囊在相变过程中能吸收和释放巨大潜热，而相变过程中温度几乎保持不变，即相变材料具有能量储存和温度控制功能。 3.1.3 气凝胶-相变微胶囊复合隔热材料 在石油工程领域的应用前景在石油工程领域对于隔热材料的要求越来越高，特别是深井、超深井和地热井的钻井过程中，各种随钻测量电子设备均需要隔热保护。但同时，井下设备受作业空间小的限制，无法通过增加隔热层厚度的方法进一步提高隔热性能。气凝胶-相变微胶囊复合材料，结合了气凝胶的隔热和相变微胶囊的吸热不升温的特点，将二者多层复合使用作为隔热材料，进一步提高隔热性能，同时二者单层薄均可达到 2 m m ，能够实现薄而隔热。选用气凝胶-相变微胶囊复合材料，无需改变原有工件结构，可通过传统工艺，直接用于蒸汽管线保温、地热管线保温层；还可以制成特殊形状，用于保护井下控制器件免受地层高温影响。 3.2 功能梯度材料 功能梯度材料能够同时具有两种材料的特性，内部结构一般实现两种材料的梯度变化，初应用于航空航天领域中的极端条件下。功能梯度材料的形态也从颗粒状粉末扩大到薄膜、纤维、泡沫等。 通过使用功能梯度材料，能够大量减少开发全新材料的时间和成本 。 3.2.1 基本技术原理 功能梯度材料（Functionally Graded M aterials，以下简称 FGM ）是为了适应功能材料在航空航天等高技术领域的需要，满足在外太空等极限环境下能够持续正常工作而研发的一种复合功能材料。FGM是指由多种材料复合组成，材料的某一项性能或者多项性能沿某一方向（一般为厚度方向）连续梯度变化的复合材料 。 3.2.2 功能梯度材料的特点 FGM 由两种或多种材料组成，组分、结构均呈连续梯度。它要求功能、性能随内部位置的变化而变化，实现功能梯度的材料。FGM 与混杂材料、复合材料在设计思想、组织结构、宏观组成等方面有本质不同，具体如表 1 所示。 3.2.3 功能梯度材料 在石油工程领域的应用前景通过调节梯度材料的结构、组成、配比等，能够制备硬度更高、抗磨蚀性能更好的材料，可用于制造超强钻头，提高钻头硬度和耐磨性能；可用于钻杆节头耐磨处理，提高使用寿命和润滑性；可用于泥浆泵缸套、抽油泵活塞等易磨损部位的耐磨处理；可用于射孔弹表面设计，提高射孔弹性能，通过延长寿命，降低成本。 3.3 自愈合聚合物材料 3.3.1 基本技术原理 聚合物材料在长期使用过程中极易受到外力、热和光、化学腐蚀等的作用，形成细小裂纹，从而影响其使用寿命。为了提高聚合物材料的长期使用稳定性，需要修复聚合物材料当中形成裂纹，使材料的力学性能得到恢复。传统的修复方法无法对其内部的微裂纹进行修复，因此提出了自愈合聚合物概念，即利用材料的自我感知能力，对材料中的微裂纹产生响应，进而引发自我修复，延长使用寿命。 对于聚合物材料的自愈合，通常是将愈合剂用某种方式埋植在聚合物基质中，当聚合物材料产生破裂时愈合剂流出，修复裂纹；或者利用聚合物与单体之间的可逆反应，或通过加热、光、电磁等引发单体聚合生成聚合物以修复裂纹。 按照不同的修复方法，现有自愈合聚合物主要分为微胶囊法、空芯纤维法、仿人体毛细血管丛法等。其中，毛细管网络结构和微胶囊以及液芯纤维比起来具有较大的优势，基体内的三维网络结构能够对材料本身起到强韧的作用， 并且毛细管内源源不断的修复剂能够起到对材料多次修复的作用， 这将使毛细管网络结构成为自愈合聚合物复合材料的首选， 并将成为该领域的研究热点 。 3.3.2 技术特点 自愈合聚合物的特点在于其自我修复特性。该材料能够修复材料内部出现的微裂纹。一般需要外接条件（热、电磁等）引发催化剂和修复剂发生化学反应。 3.3.3 自愈合聚合物材料 在石油工程领域的应用前景自愈合聚合物属于功能聚合物中的一种，能够根据环境变化（裂痕、酸碱度等）做出反应，已经作为医用植入材料、建筑修补材料等得到应用。 在石油工程领域可实现两大类应用。一是作为井下流体的化学添加剂，可用于自愈合固井水泥、自愈合封堵材料、自反应钻井液等，根据井下条件的变化发生反应或者变形，从而实现凝固或者封堵作用。二是作为封隔器等工件的构成材料，不但能通过自愈合反应增加自膨胀封隔器的强度和使用寿命，而且能够根据不同井段环境膨胀或者收缩实现智能封堵。 4 结 论 通过原理分析、信息映射、应用环境对比等手段，把相关学科成熟的知识、技术和方法应用到石油工程领域，已经成为技术创新的一种主要手段。 许多其他领域的新技术被改造和移植运用于油气及新能源勘探开发，并见到良好的经济和社会效益。 因此，国内外油公司和技术服务公司都非常重视相关学科的技术进步。 通过对技术进行特征分析、成熟度分析、适用范围分析等，得益于气凝胶-相变微胶囊复合隔热材料、功能梯度材料和自愈合聚合物各自具有的技术特点，完全能够用于包覆材料、钻井液处理剂、隔热材料等，具有良好的应用前景，需进一步结合石油工程领域的技术需求进行应用开发。
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