石油圈
随着易采油气资源的逐渐减少和全球经济对油气资源需求的逐步增加，钻井活动正不断向复杂地质区 域 、深水、极端高温高压等高风险和极具挑战性的钻井环境转移。从直井向斜井、水平井和大位移井钻井，从单分支井向多分支井钻井，从钻杆向连续管或套管钻井，从旋转向钻井马达钻井等的转换日益增多。由于常规工具与设备的材料特性限制，高温高压钻井、深水钻井、水平井和大位移井钻井、连续管或套管钻井等都会对常规工具与设备造成不利影响。因此，极端环境钻井作业需要综合稳定性强、具有自动防故障装置的地面和井下工具与设备，以克服常规工具与设备的技术局限性。
纳米技术已证实，与具有相同化学和材料成分的常规材料相比，纳米材料和纳米复合材料不仅密度低，而且还展现出更高的强度、硬度、韧性、耐腐蚀性、延展性、弹性、热稳定性和导热性。因此，单独使用专门定制的纳米材料或纳米复合材料，或与其他宏观、微米或纳米材料相结合可为具有更高力学、热、化学和摩擦特性的轻型钻采工具与设备的设计与研发提供选择，以适应极具挑战性的极端钻采环境。
应用前景
与常规材料相比，纳米材料和纳米复合材料的力学、电子、热、物理、化学以及摩擦等性能明显提高，在工具与设备领域的潜在应用极其广泛，可为极端环境下优质工具与设备的设计与研发提供选择。应用纳米材料和纳米复合材料设计研发的钻采工具与设备比其他钻机/作业机配件的稳定性明显增强，安全作业极限得到大幅提高，从而可克服极端环境下常规工具与设备遇到的挑战，同时降低风险，实现安全作业。纳米技术在钻采工具与设备中的应用前景如下。
(1)钻井过程中，使用钢-CNT纳米复合材料钻杆具有以下优势:
①扭矩和摩阻小，有利于提高机械钻速;
②显著消除或减少钻柱断裂、扭断和弯曲，避免复杂事故;
③有利于钻压传递至钻头。
(2)轻型工具与设备有助于组装和拆卸，且仅需要能耗低的小型钻机和作业机就能满足施工要求。
(3)钢-CNT纳米复合材料连续管刚度大。优势如下:
①抗弯性好，压缩力作用下不易发生屈曲破坏;
②正常钻进时有利于推动BHA向井下移动，遇卡时也能够承受更高的拉力而不会损坏连续管。另外，在纯钢中混入2种纳米材料(如硼纤维CNT) ，由于连续管抗压和抗拉刚度的同时增大，可极大提高连续管的稳定性。
(4)高耐磨工具与设备设计。钻遇研磨性地层或在极端钻井环境下，由于快速磨损导致钻头、扶正器、扩眼器、钻杆等工具与设备更换频繁，从而极大降低了钻井性能。金属-MWCNT纳米复合材料硬度高，耐磨性强，钻头、扶正器、扩眼器以及钻杆等工具与设备的设计中使用该材料可有效解决快速磨损问题。
(5)提高橡胶、密封件和弹性体质量。高温高压环境下，由于热、物理、力学和化学稳定性差，常规橡胶、密封件和弹性体会出现永久变形、结构扭曲、延展性降低和脆性增大等现象，导致使用寿命缩短。纳米尺寸 TiO2/SiO2-聚氨酯弹性体纳米复合材料可用来生产工具与设备中的橡胶、密封件和弹性体组件，从而延长其使用寿命。
(6)高减振工具与设备设计。极端钻井环境下，由于常规工具与设备减振性能差，钻柱的轴向扭转或横向振动都会导致钻柱失效。工具与设备设计中使用纳米尺寸多层聚合物-CNT组合会极大提高这些工具与设备的减振性能。
(7)耐腐蚀工具与设备设计。腐蚀对工具与设备的耐用性会造成极大的影响。富含H2S酸性气体环境下，常规工具与设备极易腐蚀，导致工作寿命缩短以及功能性能力下降。工具与设备设计中使用纳米尺寸ZnO会极大提高这些工具与设备的耐H2S腐蚀性能。
结论及建议
(1)纳米技术的快速发展推动了油气行业工具与设备的持续创新，可克服极具挑战性钻采环境中的关键复杂问题，减少意外事故，降低作业风险，节约成本。
(2)目前，纳米技术在钻采工具与设备领域的研究仅处于起步阶段，但为智能钻采工具与设备的设计和研发提供了选材的途径，建议针对纳米技术开展大规模的理论和试验研究，为现场试验和推广应用奠定良好的基础。
(3)钻采工具与设备总的发展趋势是从人工干预向自动化和智能化转变，随着井工厂和远程作业模式的不断发展和成熟，以及智能工具与设备的研发成功，在不远的将来，极端环境中地面与地下工具与设备的远程操作将成为现实。
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