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纳米技术在石油勘探开发领域的应用(上)

纳米技术在石油勘探开发领域的应用

纳米技术、信息技术、生物技术是21世纪科技创新发展的3大动力。中国科学院白春礼院士给出了纳米技术的定义:纳米技术(nanotechnology)是用单个原子、分子制造物质的科学技术,研究结构尺寸在1~100nm材料的性质和应用。

纳米技术包括纳米材料设计、制造及纳米测量等,已在电子、生物、医疗、航空、军事及能源领域得到了广泛应用。而纳米材料因尺度效应具有的独特的光、电、热、磁性能已成为学术界和工业界的研究热点,并已逐渐进入传统化石能源及新能源研究领域。预计到21世纪中叶,一次能源仍占主导地位,但随着油气资源开发的不断深入,现有常规油气资源的品位逐渐变差、开采难度与日俱增;非常规油气资源受限于现有技术,开发效率较低。

在当前油气资源勘探开发日趋困难的背景下,纳术的持续创新和应用深化将促进传统石油开发技术的快速发展,并已经获得了阶段性研究成果:①纳米精细表征技术实现有效储集空间评价;②纳米传感与纳米显影技术提高了油藏特征参数监控水平与描述精度;③纳米分子模拟技术准确揭示了油气吸附、脱附机理及非达西模型下油气的运移规律;④纳米新材料为钻井、致密油气储集层改造及提高采收率等领域提供了有效的技术支持。

本文广泛调研现有纳米技术在石油勘探开发领域的研究现状,结合油气勘探开发的实际需求,阐述纳米表征、纳米传感、微纳米介质中流体运移数值模拟及纳米材料4方面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。

纳米表征技术

纳米技术的基础是纳米材料,纳米材料独特的特性源于其纳米尺度效应,因此,对纳米材料精确表征是纳米研究的根本,而表征技术的创新又不断推动着纳米新技术的发展。

储集层是由不同矿物颗粒组成的具有一定结构与极强非均质性的多孔材料,其中存在大量天然的微纳米级矿物颗粒、孔隙以及有机质团簇等,从微观的角度可视为复杂天然纳米材料的集合体。对储集层的研究通常关注储集空间、残余流体赋存情况及固体有机质的分布等。

纳米表征技术是指针对纳米尺度分析对象的物质组成、结构与性质进行的有关分析、测试,也包括测试工具与方法的研发,主要包含以下3个方面。

矿物组成

矿物组成指构成储集层矿物及有机质的化学元素及其相关关系,对应的分析设备如:用于元素分析的X射线能谱仪(EDS)、X射线波谱仪(WDS)、X射线荧光光谱分析仪(XRF)、X射线光电子能谱分析(XPS)、原子吸收分光光度计(AAS)、电感耦合等离子光谱(ICP)等。

其中,EDS、WDS、XRF、ICP等已被大量用于石油工业研究,包括通过元素分析鉴别矿物的种类,研究矿物在成岩、流体作用过程中的转化规律,以及分析有机质元素组成等。

微观孔隙结构

对储集层微观孔隙结构进行表征的设备有:用于微观晶体结构分析的X射线衍射分析仪(XRD)、超高分辨透射电镜(TEM);用于分子结构分析的紫外-可见光谱(UV)、红外光谱(IR)、核磁共振(NMR)和质谱(MS)仪等;用于微纳米颗粒尺寸、复合材料形貌研究的二维成像方法如扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)等,三维成像方法如多尺度X射线CT及聚焦离子束扫描电镜(FIB-SEM)等。

其中,XRD已成为储集层矿物分析领域必不可少的设备,UV、IR、NMR、MS被广泛用于石油等有机质中不同化学组分的研究。氩离子抛光-场发射扫描电镜技术、纳米CT、微米CT等设备在储集层孔隙结构表征及连通性定量分析中,尤其在非常规油气储集层表征中发挥了重要作用。三维分析技术可获取微纳米孔喉结构三维特征,将孔隙及基质提取后得到数字岩心,数字岩心技术的发展有力地推动了非常规油气渗流机理的研究。TEM、AFM在储集层矿物、有机质研究领域也有应用,但标志性的研究成果未见报道。

岩石物理性质

岩石物理性质研究指对岩石力学、热学、光学、电学、磁学等物理性质以及化学性质的表征分析,涉及多种方法、技术与装备。石油勘探开发等领域均开展了针对储集层岩石物理性质的研究,例如,岩石的声学研究对应于地震测井,岩石的电学研究对应于电测井,热学研究对应于火烧油层等热力储集层改造等。

由于开采对象尺度问题,纳米技术尚未大量应用,相信在不久的将来,随着非常规油气资源相关研究的不断深入,大量微观尺度下的物理性质测试研究将逐年增多。

近年来,非常规油气储集层精细表征研究已初步实现从宏观到微观,从二维到三维的跨越式发展。随着储集层研究的不断深入,基础研究已扩展至更微观领域,甚至将开展分子、原子级的机理研究及温压作用下的原位模拟研究。因此,透射电镜、扫描隧道显微镜、超高分辨率荧光显微镜、原子探针等超微区原位分析方法也将被引入石油行业。

另外,在地层温度、压力作用下,流体在储集层中的微观运移规律、流体及矿物骨架在多物理场中的流固耦合、矿物的微观演化也将成为今后研究的重点。大型设备原位分析表征附件的开发以及同步辐射光源为射线源的多种微、纳米分析原位表征技术将为原位表征提供技术支撑。例如,利用可模拟真实地层条件的岩心夹持器,在同步辐射X射线CT线站研究流固耦合作用规律等。

纳米传感技术

在工业领域,人类对微型多功能设备的研究从未停止。在石油工业,人们希望制造专门针对油藏描述的纳米传感器,并提出了油藏纳米机器人的构想。

储集层纳米传感器

20世纪80年代中后期,微机电系统有效地结合了电子工程、材料工程、机械工程、信息工程等多项科学技术工程,制作了集微型机构、微型传感器、微型执行器及信号处理和控制电路、接口、通信电源等于一体的微型器件及系统,但器件尺寸仍较大,多在厘米—微米量级。

随着科技的进一步发展,纳机电系统得以实现,特征尺寸只有1~100nm,构成以机电结合为主要特征、基于纳米级结构新效应的器件和系统。纳机电系统是真正基于纳米材料及其特殊效应的微器件,它集成纳米材料的优异性能,纳米级的尺寸使注入储集层微小孔隙成为可能。

将纳机电技术与油气行业需求相结合,利用先进纳米材料如石墨烯、碳纳米管、磁性纳米颗粒、压电材料等制作可耐温压、纳米级尺寸的传感器件,从井筒注入,弥散于储集层中用于描述地层参数。例如纳米显影剂、纳米信号增强剂即起到了简单纳米机器人的作用,它们能随流体进入储集层孔隙,改变储集层局部电、磁、声学特征,使油层、水层在电测井、核磁测井、微地震测井等曲线上区分度更高,以获得更多有关储集层孔隙度、渗透率、含油饱和度等的信息。

常规油气储集岩内部孔隙直径通常大于2μm,高品质的储集岩孔隙直径通常超过30μm(宏观孔隙或大孔隙)、喉道直径超过10μm。良好的孔隙为纳米传感器的注入提供了无限可能。相对而言,非常规储集层由于孔隙、喉道直径多在1μm以下,严重限制了纳米传感器的进入与移动。因此,储集层纳米传感技术对象为常规油气储集层。另外,纳米传感功能的实现对纳米材料的性能提出了更高的要求,要求纳米材料既能自由进入油藏、避免沉积堵塞孔隙,又能记录或传输信息。

美国AEC(Advanced Energy Consortium)组织资助的德州大学研究团队近年来对多孔介质中磁性纳米颗粒在流体中负载运移做了很多研究,结合实验及物理模拟研究了纳米颗粒在多孔介质中的分布。

AEC正在研发成像增强显影剂、靶向释放的纳米传感器以及用于压裂裂缝表征的纳米传感器等。Agenet等制备了荧光纳米颗粒,用于流体的智能示踪。Ryoo等通过实验制备了顺磁纳米流体,并模拟了磁性颗粒在多孔介质中的运移规律。上述工作目前仍处于实验室攻关阶段,但已表现出工业化可行性。

油藏纳米机器人

油藏纳米机器人是集油藏传感器、微动力系统、微信号传输系统为一体的微型油藏探测设备。沙特阿拉伯阿美石油公司提出并研发了一种基于化学分子系统和机械系统有机结合的油藏纳米机器人,并于2010年6月首次成功地进行了现场测试。

在获得较高回收率的同时,携带纳米机器人的流体也具有很好的稳定性和流动性。理想的油藏纳米机器人是尺寸不到人类发丝直径1/100的功能性纳米器件,可以随注入水进入地层,沿途感知并实时记录油藏及流体信息,包括油藏温压、孔隙形态及流体类型、黏度等,并将这些信息存储起来或实时传送到地面,在生产井中随原油产出并回收循环使用。

油藏纳米机器人探测技术的空间分辨率远高于地震、测井和岩心三维扫描分析,可对整个油藏及流体针对性地定量分析。由纳米机器人获取的数据经分析后可用于辅助圈定油藏范围,绘制油藏裂缝和断层特征图,识别和确定高渗流通道,准确描述油、气、水空间分布以及剩余油气位置及品位等信息,确定并优化井位设计和建立有效的地质模型。

目前送入油藏的纳米机器人尚无多功能探测及运动能力,预计下一代油藏纳米机器人在5~10年内投入油藏,将拥有多参数识别传输功能,甚至具备驱油能力。

即使在不考虑研发成本的情况下,油藏纳米机器人概念的实现仍面临诸多挑战,主要包括:尺寸微型化、器件稳定性、运动能力、信号传输检测、回收分离及重复使用等。作为注入储集层的功能性纳米粒子或纳米器件,首要一点是尺寸要小,而其体积在不同的油藏孔隙中均有一个上限。沙特阿拉伯阿美石油公司在该领域进行了一些试探性研究,认为纳米机器人的尺寸应为喉道直径的1/4左右;其次纳米机器人本身的可靠性也是一个棘手的问题,要接受地层条件下温度、压力、流体盐度、pH值等苛刻条件的考验,Shiau等研究了碳纳米管-氧化硅纳米复合颗粒悬浮液的稳定性及其穿过多孔介质的能力;另外,在多孔介质中纳米器件能否随流体注入、不发生自发团聚、不吸附到孔壁表面等都是要解决的问题;信号的检测问题,由于纳米器件本身体积小或聚集的浓度较低,其信号是否被地层复杂的非均质矿物信号掩盖也必须在设计时考虑;对于可回收的纳米机器人,如何有效地从流体中分离而不破坏其信息,收集的信息如何解译等问题也会随之而来。

油藏纳米机器人关键技术仍有待突破,纳米科学技术的发展会推动油藏纳米机器人的发展,纳米发电机、纳米原位催化裂解等技术的不断发明与创新将会使它最终实现工业化应用。

微纳米介质中油气运移模拟技术

随着非常规油气储集层中油气流动规律研究的不断深入,数值模拟不再仅局限于毫米、微米级的渗流模拟,而是拓展到微小孔隙中油气分子、原子层面的运动模拟,并涉及矿物、有机质与油气水之间相互作用。

储集层样品强烈非均质性导致影响流体、岩石相互作用的因素众多,国内外常规物理实验通常直接获得多个因素影响下的某一宏观参数,再根据数据做出各因素的影响趋势图,然后讨论某个因素的影响。但以上方法获得的趋势结果无法从机理上明确温度、压力、矿物或有机质表面润湿性等各主控因素的影响分量。另外,高温、高压以及复杂流体等条件共同参与的苛刻地层条件严重影响了实验室物理实验分析检测设备的在线搭建。

纳米介质数值模拟能从根本上解决以上问题,如用于微观渗流模拟的格子玻尔兹曼模拟,通过控制初始分子类型及元素组成比例、结构模型与温度压力条件,利用可控变量法单独研究某一主控因素对流体渗流或气体-矿物间相互作用规律的影响,能深入到分子层面更直观地反映油气在不同尺度多孔介质中的运移机理。该模拟技术将在储集层研究中发挥重要的作用。

由于页岩的复杂性,页岩气在储集空间中运聚机理尚不明确,导致页岩气资源量评价、产能评估和高效开采多个环节受限。在利用分子模拟研究甲烷吸附-解吸附过程中,通常采用石墨、蒙脱石、氧化硅等壁面来模仿页岩储集层的孔隙结构。然而,由于狭缝孔模型较简单,多种地层条件参数未全面考虑,导致模拟的吸附等温线有所偏差。因此,要想指导生产,还需在模型简化与参数设置之间寻找平衡。

最初人们采用碳原子构建壁面,孔隙类型多为平行板狭缝孔模型或碳纳米管模型,该模型在均一纳米材料(如活性碳)气体吸附模拟中效果良好。然而对于页岩气,因为单纯由碳原子构建的狭缝孔或管状模型过于简单,与页岩储集层中无机质孔隙及有机质孔隙均有较大差异,因此引入蒙脱石、氧化硅等更接近页岩孔隙的壁面来模拟其无机质孔隙。

Tenney等在狭缝孔壁面添加了不同官能团,用分子模拟研究了材料表面不同成分非均匀性以及不同孔隙结构对气体吸附的影响。Zhai等基于蒙脱石的晶体结构,建立了更加精确的全原子模型,并利用蒙特卡罗法模拟和分子动力学模拟分别研究了不同埋深时页岩气吸附与扩散的机理和规律及孔径对页岩气吸附的影响。Jorge等通过在孔壁引入羰基来表征表面的化学非均匀性,模拟了非极性乙烷和极性水分子在狭缝状活性碳孔中的吸附。

而对于页岩气储集极为重要的有机质孔隙,其内部包含芳香族和脂肪族结构,同时还有多种表面官能团,这种化学非均匀性会直接影响气体吸附量、吸附相密度等,进而影响甲烷的吸附机理。相对而言,油气在页岩中有机质微观孔隙内吸附及运移规律分子模拟的相关报道较少。

油相比气体分子量大、成分复杂,以液态或半固态形式赋存于储集层中。针对致密储集层油的液-固相互作用的分子模拟研究较为复杂,开展工作较少,但利用分子动力学,可以研究开发过程中驱油剂对吸附在壁面上油分子的作用。

Wang等利用分子动力学模拟了开发过程中沥青自聚机理,并研究了油水微乳液油水界面处沥青的形为和移动规律以及驱油剂对吸附在孔隙壁面油分子的作用。另外,CO2地下封存及CO2提高采收率也是近年来研究的热点。以下研究将为CO2提高采收率分子模拟研究提供思路:Nicholson等用巨正则蒙特卡罗方法(GCMC)考察了孔隙大小和分子间作用力场对CH4/CO2选择性的影响;Babarao等也用GCMC法研究了狭缝孔和圆柱孔对CH4/CO2混合气体吸附行为的影响;Liu等在Tenney模型的基础上加入了羰基和环氧基基团,用复杂模型模拟了CH4/CO2的吸附行为。

非常规油气资源的主体储集空间为微纳米孔隙,极低的孔隙度、渗透率和强烈的非均质性导致吸附、扩散实验的误差大,且储集层温度和压力很大,实验室物理模拟较难,因此微纳米介质中油气运移数值模拟技术将成为探究页岩油气及致密油气运聚机理、分布模式及资源评价的重要手段。

本期石油圈带来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,下期石油圈将带来“纳米技术在石油勘探开发领域的应用(下)”,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。

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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白矾
石油圈认证作者
毕业于中国石油大学(华东),油气井工程硕士,长期聚焦国内外石油行业前沿技术装备信息,具有数十万字技术文献翻译经验。

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