朱桂清，馬連山

（1.中國石油集團(tuán)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京 100724；2.中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司，北京 100028）

0 引 言

據(jù)美國能源部報道，2006年美國已發(fā)現(xiàn)石油儲量的67%有待開采，預(yù)計其中只有1／4可以用常規(guī)方法采出[1]。探測與開采這些剩余油成為諸多石油公司和技術(shù)服務(wù)公司努力的目標(biāo)。這些剩余油難于發(fā)現(xiàn)和開采，盡管目前用3D和4D地震、可控源電磁技術(shù)、先進(jìn)的建模與模擬技術(shù)改善了對油氣藏的了解，但這些技術(shù)的分辨率和探測深度依然不足。因此，需要研發(fā)新的剩余油探測技術(shù)。斯倫貝謝公司道爾研究中心的John Ullo指出，“20世紀(jì)，石油工業(yè)一直注重表征和了解油藏的宏觀和微觀特征，但隨著對提高常規(guī)油氣資源采收率以及開發(fā)非常規(guī)資源的關(guān)注，石油工業(yè)必須在納米尺度上了解剩余油氣的位置。這非常有可能開創(chuàng)新的地學(xué)研究領(lǐng)域?！庇筒丶{米傳感器在剩余油探測與開采中的潛在應(yīng)用，使得一些有實力的公司開始積極投入到油藏納米傳感器技術(shù)的研究。另外，世界能源需求的增加，以及油氣勘探與開采難度的加大，推動了油藏納米傳感器技術(shù)的研究。

沙特阿美石油公司最早于2007年提出了油藏納米傳感器的概念，2008年完成了可行性測試，2010年完成現(xiàn)場測試。2008年，一些大型石油公司和技術(shù)服務(wù)公司組成的財團(tuán)也開始了油藏納米傳感器的研究工作。

1 油藏納米傳感器概念的提出及功用

油藏納米傳感器（機(jī)器人）的概念是由沙特阿美石油公司于2007年提出的，2008年獲《世界石油》雜志評選的新視野獎[2]。

油藏納米傳感器是能夠在納米空間進(jìn)行操作的“功能分子器件”，不足人類發(fā)絲直徑的1／1000，通過注入水進(jìn)入油藏，在地下旅行期間分析巖石及所含流體性質(zhì)，將信息存儲起來，在生產(chǎn)井中隨原油產(chǎn)出并被回收，數(shù)據(jù)下載后可以得到多種儲層和流體參數(shù)：壓力，溫度，滲透率（相對），孔隙尺寸、孔喉和孔隙幾何形狀，應(yīng)力狀態(tài)，油、氣、水及腐蝕性氣體（CO2、H2S），油氣類型，pH 值，黏度，油氣水飽和度和潤濕性等（見圖1和圖2）[3]。根據(jù)這些測量結(jié)果，可以得出油、氣、水的空間分布以及剩余油氣的位置，地層形態(tài)、油藏分隔情況、天然裂縫分布、斷塊幾何形態(tài)、人工裂縫幾何形態(tài)等（見圖3）。

油藏納米傳感器在油氣勘探與開采中具有多種應(yīng)用，包括輔助圈定油藏范圍、繪制裂縫和斷層圖形、識別和確定高滲透率通道、尋找油田中被遺漏的油氣、優(yōu)化井位、設(shè)計和生成更現(xiàn)實的地質(zhì)模型等，還有可能將化學(xué)品送入油藏深處提高油氣產(chǎn)量。

圖3 測量流體和地層界面的空間分布

2 油藏納米傳感器研發(fā)機(jī)構(gòu)與研發(fā)方式

目前，從事納米傳感器技術(shù)研究的機(jī)構(gòu)主要有沙特阿拉伯阿美石油公司的勘探與石油工程中心——先進(jìn)研究中心（EXPEC ARC）和先進(jìn)能源財團(tuán)（AEC）。

EXPEC ARC從事上游領(lǐng)域的地下技術(shù)研究，研究人員來自20多個國家，大多來自北美和沙特阿拉伯。多數(shù)專家具有廣泛的專業(yè)研究領(lǐng)域，包括石油工程、地學(xué)、數(shù)學(xué)、計算機(jī)學(xué)及科學(xué)與工程領(lǐng)域，其中2／3專家擁有理學(xué)碩士或博士學(xué)位。

AEC是由世界上最成功的一些石油公司和技術(shù)服務(wù)公司組成（2008年創(chuàng)建），包括BP美國公司、貝克休斯公司、康菲公司、哈里伯頓公司、馬拉松石油公司、西方油氣公司、巴西國家石油公司、斯倫貝謝公司、殼牌和道達(dá)爾公司（見圖4）。AEC總部位于休斯頓，由得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的經(jīng)濟(jì)地質(zhì)局代表各成員管理AEC的各項事務(wù)，萊斯大學(xué)作為主要的技術(shù)合作伙伴。該財團(tuán)每年投資數(shù)百萬美元，致力于利用納米技術(shù)勘探與生產(chǎn)油氣，研發(fā)地下微傳感器和納米傳感器，在三維空間表征油藏及其所含流體。主要目標(biāo)之一是開發(fā)可以注入到油氣藏的地下微傳感器與納米傳感器，采集有關(guān)油氣藏物理性質(zhì)的數(shù)據(jù)，以便更好地表征油氣藏，有效開發(fā)油氣資源。

圖4 AEC的10家成員公司

AEC創(chuàng)建的目的是努力成為合作研究和學(xué)術(shù)聯(lián)絡(luò)的樞紐，將世界各地工業(yè)組織和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)最好的科學(xué)家與工程師聚在一起，進(jìn)行技術(shù)開發(fā)。過去2年，AEC對征集（面向南美、北美和歐洲的研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)）的150多個項目進(jìn)行了評估，最終選取了34個研究項目進(jìn)行投資，2008年啟動了21個項目，近期將向另外13個項目提供研發(fā)資金。AEC每年提供800萬美元，作為1年的研究經(jīng)費，每年要對每個合同進(jìn)行評估，決定是否繼續(xù)（見表1）。

AEC最初資助的項目基本上全部由大學(xué)承擔(dān)：包括阿爾伯塔研究理事會、波士頓大學(xué)、加州理工學(xué)院、佐治亞理工學(xué)院、哈佛大學(xué)、京都大學(xué)、路易斯安那州立大學(xué)、美國麻省理工學(xué)院、東北大學(xué)、西北大學(xué)、賓夕法尼亞州立大學(xué)、萊斯大學(xué)、塔夫茨大學(xué)、卡爾加里大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校、加州大學(xué)圣地亞哥分校、密歇根大學(xué)、俄克拉荷馬大學(xué)、得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校等。

3 油藏納米傳感器的研發(fā)現(xiàn)狀

納米機(jī)器人在油藏表征及剩余油探測中有巨大的應(yīng)用潛力，因此受到了許多石油公司和技術(shù)服務(wù)公司的關(guān)注，近年來取得較大進(jìn)展。沙特阿美公司2008年完成了油藏納米機(jī)器人的可行性研究之后[4]，2010年6月首次在油藏條件下成功地完成了油藏納米機(jī)器人的現(xiàn)場測試，為充分開發(fā)油藏納米機(jī)器人精確表征油藏及優(yōu)化油藏管理戰(zhàn)略和提高采收率的能力奠定了堅實的基礎(chǔ)[5]。

目前，EXPEC ARC已經(jīng)研究了油藏納米機(jī)器人（Resbots）在地下成功“旅行”所必需的一些重要因素，包括尺寸、濃度、化學(xué)性質(zhì)、與巖石表面的相互作用、在油藏孔隙中的運動速度等，并于2008年完成可行性研究，2010年完成現(xiàn)場測試。在2010年6月的單井測試中，將250桶稀釋的納米機(jī)器人溶液隨注入水注入Arab-D地層。使用的納米油藏機(jī)器人的平均尺寸為10nm（約是人類發(fā)絲直徑的1／10000）。注入后井被關(guān)閉，然后投入生產(chǎn)。用熒光光譜對產(chǎn)出的樣品進(jìn)行分析，以評估納米機(jī)器人的回收率。樣品分析結(jié)果證實，納米機(jī)器人具有非常高的回收率，其穩(wěn)定性和液壓流動性也很好。這些Resbots尚無探測能力，下一步研究的重點是增加其探測能力。

AEC對納米傳感器的研究起步較晚，其資助的萊斯大學(xué)已經(jīng)制造出納米機(jī)器人（Nanoreporters），目前正在巖心中進(jìn)行測試，并已證實可以吸附在分子上，能夠通過并分析土壤樣品，下一步將使納米機(jī)器人通過鉆井巖心。AEC資助的另一所大學(xué)——得克薩斯大學(xué)完成的一些研究項目已初具規(guī)模。這些研究項目主要集中在4個技術(shù)領(lǐng)域。

表1 AEC 2008年啟動的21個研究項目相關(guān)情況

（1）造影劑——增強分散于壓裂液或注入液中的分子或納米粒子的電磁、聲波或其他特性，提高井眼、地面或井眼－地面成像方法的分辨率和探測能力。

（2）納米材料傳感器——分子與材料傳感器，當(dāng)儲層物理或化學(xué)條件不連續(xù)或閾值水平發(fā)生變化時，顯示出可探測的狀態(tài)改變。

（3）微電子／納米電子設(shè)備——測量油藏特性，存儲或?qū)?shù)據(jù)傳回井眼。

（4）納米材料傳輸和流體流動的基礎(chǔ)研究。

這些研究的目的是開發(fā)能夠優(yōu)先吸附在油水界面上的順磁納米粒子，并對其進(jìn)行遙測。此外，還在開發(fā)實驗室測量與現(xiàn)場測量相關(guān)的理論模型，如獲成功，這種新的探測方法可以確定油藏的流體飽和度，探測深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于核磁共振成像測井。微傳感器與納米傳感器的探測范圍很廣，介于測井與地震之間，垂直分辨率要高于測井與巖心分析（見圖5）。納米技術(shù)和微觀探測技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用將使油藏監(jiān)測、管理和提高采收率發(fā)生革命性的變化。

圖5 納米傳感器與測井和地震測量探測深度及分辨率的對比

4 油藏納米傳感器研究面臨的挑戰(zhàn)

（1）傳感器的布署：如何將傳感器送入油藏、在無流體動力或與流體動力方向相反的情況下如何使傳感器在油藏中運動（有源或無源）、如何為有源傳感器提供動力并使其向需要的地點推進(jìn)、如何實現(xiàn)傳感器在非均質(zhì)油藏中的均勻分布、在惡劣環(huán)境下如何保護(hù)傳感器、如何回收傳感器（無源情況下）。

（2）遙測／定位：如何從數(shù)百萬個傳感器中實時提取數(shù)據(jù)（通訊／采集）、如何確定每個傳感器的空間位置以及采集數(shù)據(jù)的時空地理定位。

（3）數(shù)據(jù)采集：如何探測被繞過的油氣（經(jīng)常在流動通道之外）、如何增加傳感器的探測深度、如何讀取數(shù)據(jù)。

（4）數(shù)據(jù)處理：如何有效處理、分析和使用采集的數(shù)據(jù)，有效開采油氣。

5 油藏納米傳感器研究發(fā)展前景

據(jù)沙特阿美公司從事納米機(jī)器人研究的科學(xué)家預(yù)測，未來將會研發(fā)出3種基本型油藏納米傳感器。

（1）無源傳感器（最簡單）——分子傳感器。主要研究領(lǐng)域：成像（對物體更好成像的造影劑）；靶向成像（確定物體如油氣的位置）；注入與回收（感知周圍環(huán)境，必須回收并在實驗室分析）。

（2）有源傳感器（較先進(jìn)）——尺寸必須縮小的傳統(tǒng)電子傳感器（微電機(jī)系統(tǒng)；納米電機(jī)系統(tǒng)，尺寸為100～1000nm），可以探測地下環(huán)境（壓力、pH值、礦化度、飽和度等）

（3）反應(yīng)型傳感器（最先進(jìn)）——當(dāng)納米傳感器在地下旅行時，可以對油藏進(jìn)行干預(yù)以改變不利的油氣開采條件，例如，在油藏最需要的地方，完成靶向化學(xué)品傳送。

雖然目前的納米傳感器尚無探測能力，是首要解決的問題。但一些科學(xué)家認(rèn)為納米傳感器的前景非常廣闊，可以提供近乎無限的可能性，有助于延長油氣開采和供應(yīng)期限。

[1]LOUISE S DURHAM.Researchers Are Thinking Small[EB／OL].http：∥ www.aapg.org／explorer／2009／08aug／nan0809.cfm.

[2]The 7th Annual World Oil Awards[J].World Oil.2008（11）：123-137.

[3]The Advanced Energy Consortium：Funding and Conducting Pre-competitive Research in Micro-and Nanotechnology for Improving Reservior Understanding[EB／OL].http：∥www.beg.utexas.edu／aec.

[4]Resbots Pass First Reservoir Feasibility Tests[EB／OL].http：∥www.aramcoexpats.com.

[5]Nanobot Trial a Winner[EB／OL].http：∥www.aramcoexpats.com.