趙汩凡，邸偉娜，王敏生

（中國(guó)石油化工股份有限公司 石油工程技術(shù)研究院， 北京 100101）

新材料在石油工程中的應(yīng)用

趙汩凡，邸偉娜，王敏生

（中國(guó)石油化工股份有限公司 石油工程技術(shù)研究院， 北京 100101）

日益復(fù)雜的勘探對(duì)象對(duì)石油工程技術(shù)提出了更高的要求，國(guó)內(nèi)外油公司和油服公司對(duì)石油工程新技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用的力度都在不斷加強(qiáng)。近年，石油工程技術(shù)的主要趨勢(shì)是智能化、實(shí)時(shí)化，同時(shí)相關(guān)學(xué)科發(fā)展有利促進(jìn)了石油工程技術(shù)進(jìn)步?；趯?duì)石油工程技術(shù)特點(diǎn)的分析，主要對(duì)新型隔熱材料、功能梯度材料、自愈合聚合物等新材料進(jìn)行了分析研究，并根據(jù)其特點(diǎn)，移植應(yīng)用于石油工程領(lǐng)域。

新材料；石油工程；技術(shù)移植

1 概 述

進(jìn)入 21世紀(jì)以來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，全球能源需求不斷增長(zhǎng)。為了滿足能源需求，世界各國(guó)大力開發(fā)石油和天然氣。這促進(jìn)了全球石油工程技術(shù)的進(jìn)步。從近年石油工程技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)可以看出，相關(guān)學(xué)科發(fā)展對(duì)石油工程技術(shù)促動(dòng)作用日益受到重視。無(wú)論是石油工程技術(shù)的智能化、實(shí)時(shí)化、自動(dòng)化，還是非常規(guī)油氣、深水油氣以及地?zé)岬刃履茉吹馗咝ч_發(fā)，交叉學(xué)科的特點(diǎn)日益凸顯，許多其他領(lǐng)域的新技術(shù)被改造和移植運(yùn)用于油氣及新能源勘探開發(fā)，并見(jiàn)到良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。正是基于這些認(rèn)識(shí)，國(guó)際知名的油公司和服務(wù)公司都通過(guò)與研究機(jī)構(gòu)合作或組織專門的技術(shù)人員對(duì)非油氣領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行跟蹤研究和評(píng)估，積極儲(chǔ)備新一代石油工程新技術(shù)。

2 近年石油工程技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)

2.1 智能化、實(shí)時(shí)化、自動(dòng)化是主要趨勢(shì)

目前，國(guó)際石油工程技術(shù)總體呈現(xiàn)智能化、實(shí)時(shí)化和自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)，特別是智能化將主導(dǎo)石油工程技術(shù)的發(fā)展。高性能的機(jī)、電、液一體化技術(shù)促進(jìn)石油鉆機(jī)的功能進(jìn)一步完善，大量增加自動(dòng)化工具儀器，采用智能信息技術(shù)，減輕鉆井操作者勞動(dòng)強(qiáng)度，為提高勞動(dòng)生產(chǎn)率創(chuàng)造了良好的條件[1,2]。地質(zhì)導(dǎo)向和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)大幅提高了儲(chǔ)層鉆遇率，也為井下閉環(huán)控制奠定了基礎(chǔ)。依托隨鉆測(cè)井和隨鉆地震技術(shù)的無(wú)風(fēng)險(xiǎn)鉆井技術(shù)（NDS），實(shí)現(xiàn)了窄密度窗口復(fù)雜壓力條件下優(yōu)快安全鉆井的目的。欠平衡鉆井技術(shù)朝精確控制井筒壓力方向發(fā)展，提出了多技術(shù)一體化管理鉆井理念，解決井漏、井塌等鉆井復(fù)雜問(wèn)題，大幅度提高鉆井速度，降低鉆井成本[1,2]。智能完井技術(shù)通過(guò)對(duì)水平段 或各分支進(jìn)行分段完井，封隔異常壓力及異相層位，延緩底水錐進(jìn)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)層位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，在出水、出砂后準(zhǔn)確確定層段，改進(jìn)油藏開發(fā)管理模式，實(shí)現(xiàn)油藏開發(fā)的合理有序。

2.2 相關(guān)學(xué)科發(fā)展對(duì)石油工程技術(shù)促動(dòng)明顯

石油工業(yè)的每一次大進(jìn)步都是將當(dāng)代科學(xué)技術(shù)全球主要的石油公司和技術(shù)服務(wù)公司都在進(jìn)行納米材料技術(shù)的研究，并極大地促進(jìn)了井筒及注入流體、納米材料反應(yīng)劑、井下工具及管材表面處理技術(shù)的發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的應(yīng)用，為各個(gè)作業(yè)單元的智能互聯(lián)、遠(yuǎn)程檢測(cè)與控制提供了實(shí)現(xiàn)手段。同時(shí)，仿生學(xué)、微生物學(xué)、化學(xué)、高能物理等領(lǐng)域的研究成果，為新一代建井技術(shù)，以及微型化、反應(yīng)型智能載體技術(shù)的研發(fā)提供了有益的借鑒。

3 新材料在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 氣凝膠-相變微膠囊復(fù)合隔熱材料

新型隔熱材料，特別是氣凝膠-相變微膠囊復(fù)合材料因其良好的耐熱性能和相對(duì)較小的空間占用率，屬于柔性材料，在航空航天領(lǐng)域取得了良好的應(yīng)用效果[3,4]。

3.1.1 基本技術(shù)原理

二氧化硅氣凝膠是由納米級(jí)二氧化硅微粒相互連結(jié)而成的具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的一種納米多孔材料，其所含基本粒子和孔的直徑均在納米級(jí), 具有極低的熱導(dǎo)率, 是一種新型輕質(zhì)保溫隔熱的理想材料。雖然具有優(yōu)異的隔熱特性，但是長(zhǎng)時(shí)間高溫使用時(shí)，仍會(huì)有熱累積效應(yīng)，導(dǎo)致內(nèi)部器件溫度升高。

相變微膠囊材料是利用微膠囊化技術(shù)使化學(xué)惰性的外殼材料包裹于固-液相變材料微球外面，形成一種復(fù)合相變材料。通過(guò)相變微膠囊材料的核殼化，能夠克服相變微膠囊易于相分離、泄漏以及腐蝕性等問(wèn)題，有效改善了相變材料的應(yīng)用局限性。因在相變過(guò)程中能夠吸收和釋放大量的熱量，相變材料主要用于溫度控制領(lǐng)域，而通過(guò)將相變材料微膠囊化，使得應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)寬到熱防護(hù)等方面，具有更廣闊的應(yīng)用前景。

通過(guò)將氣凝膠和相變微膠囊同時(shí)使用得到復(fù)合隔熱材料，能夠很好地保護(hù)內(nèi)部需要隔熱保護(hù)的器件。這一復(fù)合材料已應(yīng)用于導(dǎo)彈導(dǎo)流罩內(nèi)的隔熱層，保護(hù)導(dǎo)彈頭部的雷達(dá)等精密設(shè)備。

3.1.2 氣凝膠復(fù)合隔熱材料的特點(diǎn)

氣凝膠是一種分散介質(zhì)為氣體的凝膠材料，是由膠體粒子或高聚物相互聚積構(gòu)成的一種具有互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的納米多孔性固體材料。該材料內(nèi)部孔隙的尺寸在納米數(shù)量級(jí)，孔隙率高達(dá) 80%～99.8%，孔隙的典型直徑為 1～100 nm，比表面積為 200～1000 m2/g，密度可低至 3 kg/m3，室溫導(dǎo)熱系數(shù)低至 0.012 W/(m K)。二氧化硅氣凝膠是目前技術(shù)最成熟、工程化應(yīng)用最廣泛的氣凝膠材料，因其極低的導(dǎo)熱系

相變微膠囊，常溫下為白色粉末，平均粒徑0.5～20 μm，一般采用正二十烷等作為芯材，其裝載率可達(dá) 70%以上。相變溫度可按需調(diào)節(jié)，相變熱達(dá)到 160 J/g 以上，耐熱溫度可達(dá) 150 ℃，若采用雙層壁材耐熱溫度可達(dá)到 180 ℃以上。相變微膠囊在相變過(guò)程中能吸收和釋放巨大潛熱，而相變過(guò)程中溫度幾乎保持不變，即相變材料具有能量?jī)?chǔ)存和溫度控制功能。

3.1.3 氣凝膠-相變微膠囊復(fù)合隔熱材料在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用前景

在石油工程領(lǐng)域?qū)τ诟魺岵牧系囊笤絹?lái)越高，特別是深井、超深井和地?zé)峋你@井過(guò)程中，各種隨鉆測(cè)量電子設(shè)備均需要隔熱保護(hù)。但同時(shí)，井下設(shè)備受作業(yè)空間小的限制，無(wú)法通過(guò)增加隔熱層厚度的方法進(jìn)一步提高隔熱性能。氣凝膠-相變微膠囊復(fù)合材料，結(jié)合了氣凝膠的隔熱和相變微膠囊的吸熱不升溫的特點(diǎn)，將二者多層復(fù)合使用作為隔熱材料，進(jìn)一步提高隔熱性能，同時(shí)二者單層最薄均可達(dá)到 2 mm，能夠?qū)崿F(xiàn)薄而隔熱。選用氣凝膠-相變微膠囊復(fù)合材料，無(wú)需改變?cè)泄ぜY(jié)構(gòu)，可通過(guò)傳統(tǒng)工藝，直接用于蒸汽管線保溫、地?zé)峁芫€保溫層；還可以制成特殊形狀，用于保護(hù)井下控制器件免受地層高溫影響。

3.2 功能梯度材料

功能梯度材料能夠同時(shí)具有兩種材料的特性，內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般實(shí)現(xiàn)兩種材料的梯度變化，最初應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域中的極端條件下。功能梯度材料的形態(tài)也從顆粒狀粉末擴(kuò)大到薄膜、纖維、泡沫等。通過(guò)使用功能梯度材料，能夠大量減少開發(fā)全新材料的時(shí)間和成本[5,6]。

3.2.1 基本技術(shù)原理

功能梯度材料（Functionally Graded Materials，以下簡(jiǎn)稱 FGM）是為了適應(yīng)功能材料在航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域的需要，滿足在外太空等極限環(huán)境下能夠持續(xù)正常工作而研發(fā)的一種復(fù)合功能材料。FGM是指由多種材料復(fù)合組成，材料的某一項(xiàng)性能或者多項(xiàng)性能沿某一方向（一般為厚度方向）連續(xù)梯度變化的復(fù)合材料[7-10]。

3.2.2 功能梯度材料的特點(diǎn)

FGM由兩種或多種材料組成，組分、結(jié)構(gòu)均呈連續(xù)梯度。它要求功能、性能隨內(nèi)部位置的變化而變化，實(shí)現(xiàn)功能梯度的材料。FGM 與混雜材料、復(fù)合材料在設(shè)計(jì)思想、組織結(jié)構(gòu)、宏觀組成等方面有本質(zhì)不同[11,12]，具體如表 1所示。

表1 功能梯度材料與其他混合材料比較Table 1Comparison of FGM and other mixed materials

3.2.3 功能梯度材料在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用前景

通過(guò)調(diào)節(jié)梯度材料的結(jié)構(gòu)、組成、配比等，能夠制備硬度更高、抗磨蝕性能更好的材料，可用于制造超強(qiáng)鉆頭，提高鉆頭硬度和耐磨性能；可用于鉆桿節(jié)頭耐磨處理，提高使用壽命和潤(rùn)滑性；可用于泥漿泵缸套、抽油泵活塞等易磨損部位的耐磨處理；可用于射孔彈表面設(shè)計(jì)，提高射孔彈性能，通過(guò)延長(zhǎng)壽命，降低成本。

3.3 自愈合聚合物材料

3.3.1 基本技術(shù)原理

聚合物材料在長(zhǎng)期使用過(guò)程中極易受到外力、熱和光、化學(xué)腐蝕等的作用，形成細(xì)小裂紋，從而影響其使用壽命。為了提高聚合物材料的長(zhǎng)期使用穩(wěn)定性，需要修復(fù)聚合物材料當(dāng)中形成裂紋，使材料的力學(xué)性能得到恢復(fù)。傳統(tǒng)的修復(fù)方法無(wú)法對(duì)其內(nèi)部的微裂紋進(jìn)行修復(fù)，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，對(duì)材料中的微裂紋產(chǎn)生響應(yīng)，進(jìn)而引發(fā)自我修復(fù)，延長(zhǎng)使用壽命。對(duì)于聚合物材料的自愈合，通常是將愈合劑用某種方式埋植在聚合物基質(zhì)中，當(dāng)聚合物材料產(chǎn)生破裂時(shí)愈合劑流出，修復(fù)裂紋；或者利用聚合物與單體之間的可逆反應(yīng)，或通過(guò)加熱、光、電磁等引發(fā)單體聚合生成聚合物以修復(fù)裂紋。

按照不同的修復(fù)方法，現(xiàn)有自愈合聚合物主要分為微膠囊法、空芯纖維法、仿人體毛細(xì)血管叢法等。其中，毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和微膠囊以及液芯纖維比起來(lái)具有較大的優(yōu)勢(shì)，基體內(nèi)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠?qū)Σ牧媳旧砥鸬綇?qiáng)韌的作用, 并且毛細(xì)管內(nèi)源源不斷的修復(fù)劑能夠起到對(duì)材料多次修復(fù)的作用, 這將使毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)成為自愈合聚合物復(fù)合材料的首選, 并將成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[13-15]。

3.3.2 技術(shù)特點(diǎn)

自愈合聚合物的特點(diǎn)在于其自我修復(fù)特性。該材料能夠修復(fù)材料內(nèi)部出現(xiàn)的微裂紋。一般需要外接條件（熱、電磁等）引發(fā)催化劑和修復(fù)劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

3.3.3 自愈合聚合物材料在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用前景

自愈合聚合物屬于功能聚合物中的一種，能夠根據(jù)環(huán)境變化（裂痕、酸堿度等）做出反應(yīng)，已經(jīng)作為醫(yī)用植入材料、建筑修補(bǔ)材料等得到應(yīng)用。

在石油工程領(lǐng)域可實(shí)現(xiàn)兩大類應(yīng)用。一是作為井下流體的化學(xué)添加劑，可用于自愈合固井水泥、自愈合封堵材料、自反應(yīng)鉆井液等，根據(jù)井下條件的變化發(fā)生反應(yīng)或者變形，從而實(shí)現(xiàn)凝固或者封堵作用。二是作為封隔器等工件的構(gòu)成材料，不但能通過(guò)自愈合反應(yīng)增加自膨脹封隔器的強(qiáng)度和使用壽命，而且能夠根據(jù)不同井段環(huán)境膨脹或者收縮實(shí)現(xiàn)智能封堵。

4 結(jié) 論

通過(guò)原理分析、信息映射、應(yīng)用環(huán)境對(duì)比等手段，把相關(guān)學(xué)科成熟的知識(shí)、技術(shù)和方法應(yīng)用到石油工程領(lǐng)域，已經(jīng)成為技術(shù)創(chuàng)新的一種主要手段。許多其他領(lǐng)域的新技術(shù)被改造和移植運(yùn)用于油氣及新能源勘探開發(fā)，并見(jiàn)到良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。因此，國(guó)內(nèi)外油公司和技術(shù)服務(wù)公司都非常重視相關(guān)學(xué)科的技術(shù)進(jìn)步。

通過(guò)對(duì)技術(shù)進(jìn)行特征分析、成熟度分析、適用范圍分析等，得益于氣凝膠-相變微膠囊復(fù)合隔熱材料、功能梯度材料和自愈合聚合物各自具有的技術(shù)特點(diǎn)，完全能夠用于包覆材料、鉆井液處理劑、隔熱材料等，具有良好的應(yīng)用前景，需進(jìn)一步結(jié)合石油工程領(lǐng)域的技術(shù)需求進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)。

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Application of New Materials inpetroleum Engineering

ZHAO Gu-fan，DI Wei-na，WANG Min-sheng
（Sinopec Research Institute ofpetroleum Engineering, Beijing 100101，China）

With the background of increasing requirements on thepetroleum engineering technology from more high demanding exploration targets, global oil companies and oil service companies are making more efforts to both R&D and application of newpetroleum engineering technology. Recently, the development trends ofpetroleum engineering technology are intelligent and real-time, and meanwhile the development of relevant disciplines has favorablypromoted theprogress ofpetroleum engineering technology. Based on the analysis ofpetroleum engineering technology characteristics, new materials such as new insulation materials, functionally graded materials, self-healingpolymers were studied, and their characteristics and application inpetroleum engineering field were introduced.

New materials;petroleum engineering; Technology transplantation

TE 19

： A

： 1671-0460（2017）02-0302-03

中國(guó)石油化工股份有限公司科技項(xiàng)目“非油氣領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步調(diào)研及移植建議”，項(xiàng)目號(hào)：P13014。

2015-09-21

趙汩凡（1980-），男，北京市人，副研究員，化學(xué)博士，2002 年畢業(yè)于北京化工大學(xué)高分子材料與工程專業(yè)，研究方向：從事石油工程技術(shù)相關(guān)學(xué)科前瞻研究工作。E-mail：zhaogf.sripe@sinopec.com。