劉合，金旭, ，周德開，楊清海，李隆球

（1. 中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2. 國家能源致密油氣研發(fā)中心，北京 100083；3. 哈爾濱工業(yè)大學，哈爾濱 150001）

1 概述

1.1 研究背景

近年來，老油田剩余潛力挖潛、非常規(guī)資源高效開發(fā)和采油工程裝備更新換代等領域新技術不斷取得突破，對資源劣質化加劇難題的緩解起到重要作用。然而，現有石油開采技術尤其是極端井況下的防護、傳感、檢測與控制技術等方面難以滿足新興采油技術的發(fā)展需求。同時，由于開采難度增大，石油污染等環(huán)境問題也逐年嚴重，制約石油經濟的可持續(xù)發(fā)展[1-4]。因此，必須大力開展新興技術在石油領域的研究，才能促進石油開采的可持續(xù)發(fā)展。近年來，以功能微納結構等為代表的新興技術由于表現出與宏觀尺度下不同的材料特性和功能特征，已經成為全球科技發(fā)展的重要方向，其可為目前石油領域存在的問題提供新的解決方法與思路。

1.2 功能微納結構簡介

功能微納結構可以定義為：為實現特定目標所制備的具有特殊功能的微納結構與器件。功能微納結構由于其尺寸在微米量級甚至納米量級，表現出與宏觀尺度下不同的材料屬性，結合優(yōu)化設計與智能調控，可以實現大比表面積、高推重比、機械波/電磁波傳輸智能控制等特殊性質或功能。根據功能微納結構的作用屬性和特征，新型功能微納結構可分為以微納馬達為代表的運動型微納結構，以及以超材料為代表的固定型微納結構。

1.3 功能微納結構潛在應用

功能微納結構因其作用屬性及特征不同，其典型應用領域也存在差異。目前，運動型功能微納結構——微納馬達的典型應用主要集中在微納尺度的藥物輸送與手術、環(huán)境修復、傳感檢測、微納加工等領域，結合石油領域發(fā)展需求，運動型微納結構在油質檢測、微孔隙驅油、石油污染清理、石油勘探及石油運輸管道清潔等領域具有極大的潛在應用價值（見表1）。另一方面，固定型功能微納結構——超材料的典型應用則集中在電磁、熱、聲、光等特征的調控方面，包括減振降噪、隱身、傳播路徑調控、超分辨成像等，結合石油裝備需求，未來將在井下設備隔振、特殊傳感元件、管道防護等領域具有突出的應用潛力（見表1）。

表1 典型微納結構及應用

本文以微納馬達與超材料為典型代表，介紹功能微納結構的研究現狀，同時對復雜三維微納結構的重要制造方法——3D打印技術進行介紹，并對相關技術在石油領域的應用前景進行展望。

2 功能微納結構研究現狀

2.1 運動型功能微納結構——微納馬達

2.1.1 驅動機理

微納馬達是一種微米—納米尺度的動力裝置，它能將介質環(huán)境中的光能、電能、磁能以及化學能等轉化成機械能，從而實現直線、圓圈以及螺旋等特定的運動[5]。根據驅動能量來源的不同，微納馬達可細分為化學驅動微納馬達、外物理場驅動微納馬達以及混合動力驅動微納馬達[6]：①化學驅動微納馬達主要以過氧化氫、水溶液或酸溶液作為化學燃料，能夠將化學能轉化為機械能驅動微納馬達運動，常見的化學驅動方式主要有濃度梯度驅動、自電泳驅動以及氣泡驅動[7-14]?；瘜W驅動微納馬達由于原理簡單、驅動力強、易于制備等優(yōu)點，已廣泛應用于環(huán)境修復、粒子組裝以及檢測傳感等領域。②外物理場驅動微納馬達能將光源、磁場、超聲場等外界能量轉換為機械能驅動微納馬達運動[15-19]。外物理場驅動微納馬達運動過程不需要額外提供化學燃料，因此具有較好的生物兼容性，在生物醫(yī)療領域具有廣闊的應用前景。③混合動力驅動微納馬達是將化學驅動微納馬達以及外物理場驅動微納馬達的驅動機理中任意 2種相結合進行馬達驅動，該馬達能夠在多種驅動力作用下運動，因此應用范圍相對其他2種驅動方式更加廣泛[20-23]。

2.1.2 發(fā)展現狀

目前，針對微納馬達的研究主要集中在以下幾個方面：①微納馬達驅動機理，探索微納馬達新的驅動方式，提高微納馬達的環(huán)境適應性，擴展微納馬達的應用前景；②微納馬達集群行為，針對微納馬達單體間相互作用及集群機理開展研究，并探索集群體微納馬達的應用前景；③微納馬達的潛在應用，探索微納馬達在生物醫(yī)療、微納傳感、環(huán)境保護等領域的潛在應用，并研究微納馬達在微納加工、微操作等方面的應用前景。

2.2 固定型功能微納結構——超材料

超材料是21世紀新興發(fā)展方向之一，通過在材料關鍵物理尺寸上的結構有序設計，可以突破某些表觀自然規(guī)律的限制，獲得超出自然界原有普通物理特性的微納結構，可實現熱隱身、聲波及光波定向-定頻傳輸，滿足特殊環(huán)境下的材料需求。將超材料應用于石油領域，將為采油技術及高端裝備的發(fā)展提供新的研究方向。超材料根據其調控對象，主要分為電磁超材料、熱學超材料、聲學超材料 3大主要方向，以及部分力學或機械超材料。

2.2.1 電磁超材料

電磁超材料是指一些具有天然材料所不具備的超常電磁性質的復合材料或結構。電磁超材料基于電磁學定律，用遠小于特征波長的空間結構設計，讓整體材料表現出天然材料所不具備的超常性質。例如介電常數和磁導率同時為負的左手材料、磁導率為負并和空氣達到阻抗匹配的吸波超材料、基于電磁波相位變化調控出射波電場分布的超透鏡等。

電磁超材料的潛在應用主要集中在以下幾個方面：①超材料天線，具有高增益及高靈敏度特征，可以捕捉微弱的電磁信號變化，其在高增益天線、小型化天線、雷達以及漏波天線寬角度掃描等領域具有廣泛應用[24]；②電磁隱身，通過結構設計達到和特定頻段電磁波的諧振進而耗散掉電磁波的能量，從而實現電磁波隱身[25]；③吸波材料，通過結構設計讓超材料的阻抗和周圍環(huán)境介質的阻抗匹配（如空氣），盡量減少入射波的反射和透射，增大吸收率，從而實現對電磁波的吸收[26-27]；④可調電磁能量聚集，通過將超材料與計算機相結合，可制備出可編程電磁超材料，實現對微波能量的可控按需調節(jié)，有望應用于未來太赫茲射線（THz）成像、地下礦物探測、雷達器件設計等領域[28]；⑤異常反射表面，通過結構設計使光照入射角與反射角不相等，相關超材料光學器件未來有望應用于太陽能接收裝置[29]；⑥超分辨率成像超透鏡，通過結構設計，該超材料可突破衍射極限的聚焦，實現可見光頻段的超透鏡，未來將廣泛應用于多個成像領域[30-31]；⑦全息成像超表面，通過結構設計，該超材料可以解決傳統全息照片無法動態(tài)顯示、分辨率低等缺點，有望應用于裸眼3D成像及全息動態(tài)顯示等方面[32-33]。

2.2.2 熱學超材料

熱學超材料是指一些具有天然材料所不具備的超常熱學性質的復合材料或結構[34-35]。熱學超材料的設計基于潘德利的變換光學理論，即在各個坐標空間中熱學物理定律具有形式不變性的原理，通過扭曲空間來讓熱場的通量按照設計的線路前行，設計出對應的導熱系數非均勻的熱學結構，再制造出相應功能器件。

熱學超材料的潛在應用主要集中在以下幾個方面：①熱隱身衣[36-41]，研究者將光學隱身衣的概念推廣到無源穩(wěn)態(tài)熱學領域，提出熱隱身衣的設計原理及理論模型，研究結果將廣泛應用于防隔熱材料及結構中；②熱學聚集器[40-43]，研究者基于溫度相關的非線性變換熱學，提出了一種能同時匯聚電/熱流并且不擾亂外部場分布的雙功能聚集器，該研究結果將廣泛應用于熱流調控、芯片散熱等領域。

2.2.3 聲學超材料

聲學超材料是指一些具有天然材料所不具備的超常聲學性質的復合材料或結構。聲學超材料設計是根據聲波在介質中傳播的基本原理，針對特定的聲學應用設計特定結構，實現對聲波的超常調控。

聲學超材料的潛在應用主要集中在以下幾個方面：①減振降噪，等效質量或者等效彈性模量為負的聲學超材料可以實現對特定頻段聲波的隔離，從而實現減振降噪，可應用于軍事或民用等領域；②聲隱身，通過坐標變換可以實現聲波的繞射，從而實現聲隱身，該特性可在潛艇等水下武器裝備的反探測領域發(fā)揮重要作用；③超分辨率成像，通過聲學結構的設計，可以將倏逝波轉換為傳遞波，突破衍射極限，實現超分辨率成像，該特性可應用于醫(yī)用聲學成像、材料結構缺陷檢測等領域；④聲波傳播路徑調控，通過聲學超表面結構設計，可以實現對聲波傳播路徑的任意調控，包括超常折射、超常反射、聲波聚焦、傳遞波轉化為倏逝波等，該特性可應用于新型聲學元器件開發(fā)等；⑤聲單向傳播，通過聲學結構設計，可以實現聲能沿單一方向的流動，該特性可用于聲二極管、聲單透玻璃等器件制作[44-48]。

2.3 功能微納結構制造方法

2.3.1 微納結構傳統制造方法

生物醫(yī)療、能源裝備等技術的高度智能化、信息化要求，促使其系統核心器件向微型化、高精度、高可靠性與多功能集成等一體化方向發(fā)展。例如，電磁/聲學/熱學隱身超材料、微納機器人、微納傳感器與執(zhí)行器等，是目前國際學術前沿和研究的熱點方向，也是世界各國高度重視的戰(zhàn)略技術。然而，由于功能的高度集成，結構的復雜化、三維化，尺寸的小型化，給微納制造技術帶來新的技術挑戰(zhàn)。傳統微尺度制造技術如光學光刻、X光深刻精密電鑄模造成形（LIGA)技術、鍵合技術，以及納米尺度制造技術如納米壓印、刻蝕、原子操縱等，雖能在一定程度上滿足功能微納結構的跨尺度制造需求，但在微納尺度復雜三維結構制造方面只能實現2維或2.5維特征的制造，無法實現對微螺旋、微空腔、微桁架等特征結構的加工制造，難以滿足材料多樣性、生產效率、加工成本等方面的實際需求，且存在制造成本高、周期長、制造環(huán)境要求高、裝配困難等問題[49-51]。因此，傳統制造方式在復雜三維結構跨尺度制造方面的局限，已成為制約高新技術發(fā)展的瓶頸，迫切需要探索新型制造方法實現對復雜三維微納結構的加工制造。

2.3.2 微納結構新興制造方法——3D打印

3D打印是近年來快速發(fā)展的先進制造技術，又稱增材制造、快速原型、分層制造、實體自由制造等[49]。不同于傳統的材料去除加工技術，3D打印以數字化模型為基礎對材料進行逐層疊加，最終實現“自下而上”的材料累加制造。3D打印技術在復雜三維結構、高深寬比結構和復合（多材料）材料結構制造方面具有無可比擬的技術優(yōu)勢，且具備成本低、效率高、材料種類多、直接成形等優(yōu)點，在航空航天、生物醫(yī)療、柔性傳感、微納機電系統、超材料等技術領域極具發(fā)展前景[45]。美國《時代》周刊將3D打印列為“美國10大增長最快的工業(yè)”，英國《經濟學人》認為3D打印將“與其他數字化生產模式一起推動實現第 3次工業(yè)革命”，2012年奧巴馬將3D打印列為美國制造業(yè)發(fā)展的11項重要技術之一，2013年麥肯錫發(fā)布報告《展望2025：決定未來經濟的12大顛覆技術》將3D打印排在第9位，2015年國務院印發(fā)的《中國制造2025》中明確提出重點支持3D打印等前沿技術與裝備的發(fā)展[49-51]。

近年來3D打印技術發(fā)展迅速，已發(fā)展出以立體光刻、雙光子聚合激光直寫、熔融沉積、選擇性激光燒結、粉末層噴頭3D打印等為代表的一系列較為成熟技術，對3D打印技術的研究重點，也逐漸從制造原理、工藝與裝備研究轉移到對3D打印應用技術的研究。

2.3.3 微納3D打印的典型應用

利用微納尺度的光固化、多材料池光固化、雙光子直寫等3D打印技術可以實現復雜微納結構的制備。

①超材料。結合單固化層多重拼接以及物理氣相沉積技術，利用3D技術打印的超硬超輕超材料，可以承受至少16萬倍于自身重量的負荷[52]。利用3D技術打印的具有受壓扭轉等特殊性能的超材料[53]，在航空航天、軌道交通、高端裝備等領域具有重要應用前景。

②微型機械零部件。利用3D技術打印的具有復雜三維結構的微尺度機械零件，或一體化打印微型機械傳動零件，在微納機械系統制造領域將發(fā)揮重要作用[54]。

③生物支架。利用3D技術打印的細胞培養(yǎng)框架、定制化可降解血管支架等生物功能器件[55]，在生命科學、個性化醫(yī)療等領域具有重要應用潛力。

④一體化機電器件。采用光固化3D技術打印機電器件結構框架，采用直寫 3D技術打印金屬電路、嵌入電源、處理器等電路元件，實現復雜三維機電器件的一體化制造[56]，在機器人、高端機電裝備等領域具有重要應用前景。

⑤微納機器人。利用3D打印對微納尺度復雜三維結構微納機器人進行一體化制造[57]，對推動微納機器人技術發(fā)展、促進相關技術在精準醫(yī)療/智能裝備等領域的應用具有重要意義。

⑥新型光學器件。對光子晶體、光學透鏡、超材料超分辨率透鏡等新型光學器件進行三維結構一體化制造[58]，解決傳統制造方式在上述結構制造中結構復雜性、尺度跨越性、制造過程高效性、個體結構差異性等方面的不足，對推動光學、成像等領域新興技術發(fā)展具有重要意義。

⑦4D打印新型傳感器與驅動器。通過結構-材料一體化有序設計，在實現多材料、復合材料二維或復雜三維傳感器件3D打印的基礎上[59]，使3D打印結構具備隨外界環(huán)境變化或隨時間變化的能力，實現4D打印結構的構建[60-61]，并以此為基礎研制新型傳感器、驅動器，在航空航天、軍事國防、生物醫(yī)療、高端裝備等領域具有重要價值。

3 微納結構設計與制造技術在石油領域應用前景

微納馬達、超材料等功能微納結構是近年來國際學術前沿與熱點，研究正逐漸從基本理論向優(yōu)化設計、智能控制與應用技術深入。微納結構在石油領域的應用研究目前還相對較少，但現有科學理論和研究成果表明，功能微納結構在石油領域具有重要的應用潛力與價值。

3.1 采油工程技術與裝備領域

采油工程技術與裝備伴隨油氣田開發(fā)的整個生命周期，涵蓋完井、注入、采出、舉升、修井、地面作業(yè)等諸多領域，是實現油氣資源高效開發(fā)的核心。全面提升采油工程技術與裝備水平是解決中國資源供需矛盾的重要途徑，而微納結構超材料和仿生工程技術將有望實現關鍵技術裝備和井下儀器的升級換代，并大幅降低能耗及開發(fā)管理成本，為石油工業(yè)可持續(xù)發(fā)展儲備新型技術。

采油工程作業(yè)中，裝備表面防腐、流體與管道內壁減阻、裝備自清潔能力等已成為采油裝備與管柱防腐和加工領域的重要課題，也是亟待解決的關鍵問題。大自然是科學家和工程師無限靈感的源泉，一直不斷啟發(fā)著人類不斷地進行創(chuàng)造發(fā)明和開拓設計新型的材料和器件。比如可以通過直接簡單的化學法，實現對金屬表面微納米復合結構的仿生構筑，形成類似荷葉表面的不同尺度微納米突起[62]，并通過低表面能物質修飾，獲得疏水甚至超疏水、超疏油的特殊潤濕性金屬表面（靜態(tài)油水接觸角大于 150°、滾動接觸角小于2°），能夠實現防油污、防蠟、耐酸堿腐蝕、流體減阻及表面自清潔等功能，可有效提高采油裝備及管柱的表面耐腐蝕性能、實現金屬表面的自清潔作用、減小流體與管道內壁的摩擦阻力[63-64]。另外，通過優(yōu)選有機-無機材料的復合摻雜改性方法可實現仿貝殼復合結構防腐涂層的構筑，彌補有機質對一些腐蝕介質防御能力較弱的劣勢；仿貝殼層狀垛堞結構的合成，可極大增強復合材料的力學強度，提高耐摩擦性能等力學特性；化學修飾調控每一層物質的組成，在保證層與層之間良好結合力的同時，還可對不同物質產生不同耐腐蝕能力，建立適應不同地區(qū)腐蝕工況條件的智能防腐涂層體系。這種構筑裝備表面特殊潤濕性的技術將在眾多領域有重要的應用前景，例如在管道輸運系統、微流控體系、油水分離裝備和液體定向傳輸運動及深海油氣開發(fā)等方面均有巨大的應用潛力和廣闊的應用前景。

超材料可通過微納特征結構的有序設計得到，并獲得傳統材料所不具備的特殊性質，實現對電磁波、聲波等的智能控制，在采油工程領域具有廣闊的應用前景。如電磁超材料可以應用于復雜環(huán)境下信號的傳輸與處理，以及對環(huán)境的檢測；聲學超材料可應用于石油裝備的隔振、降噪；熱學超材料可應用于井下裝備核心機電器件的防隔熱、提高系統穩(wěn)定性與可靠性等。3D打印技術在采油裝備領域可應用于裝備、管道原位修復，以及零部件快速制造等傳統領域，同時也是微納馬達、超材料等復雜三維微納結構的重要制造方法，在未來微納結構有望應用于石油領域，為目前石油領域所面臨的技術難題提供全新的解決思路。

3.2 提高采收率新材料開發(fā)領域

中國老油田含水已超過 90%，剩余油分布十分復雜，注水驅油的開發(fā)難度越來越大。聚合物驅后檢查井資料表明油層中仍有大量高度分散的剩余可動油，未波及油層巖石孔隙通道半徑小、迂曲度大、內壁粗糙、毛細管力作用顯著，水驅、聚合物驅均難以有效波及，開發(fā)難度不斷增加，而微納米材料合成及功能化技術為低滲透、超低滲透以及非常規(guī)油氣開發(fā)提高采收率新技術提供了思路和可能性。

微納米材料制備技術不僅代表一種尺寸，更重要的是一種設計理念、性能上的突變提升及新材料智能化程度。將納米材料有序組裝成各種尺度的有序結構將會使材料產生更優(yōu)異的整體協同性能，并可對分級結構材料進行表面修飾等功能化調控，這對于以納米材料為基礎來制備特殊功能提高采收率微納新材料具有重要的意義。

針對目前驅油技術難以波及到的剩余油問題，可以通過微納米級基礎顆?；蛉橐旱闹苽洌⒗没瘜W或物理手段對基礎顆粒表面進行智能化修飾或改性，使其具有環(huán)境敏感、減弱毛細管力等多種功能，高效分散水、聚并油，獲得具有廣泛應用前景的微納米功能性驅油材料[65]。另外，還可通過微納結構設計，制備一種具有外場響應驅動功能的井下高效吸油微球材料，實現在惡劣環(huán)境下高效、可重復使用、具備外場驅動能力的操作。如通過微納米新材料制備技術實現智能吸油微球材料的開發(fā)，有望成為油藏納米機器人的超前儲備基材。

微納馬達是油藏納米機器人的核心器件，具有低成本、高效率、生物兼容性強等優(yōu)點，在環(huán)境監(jiān)測、水質修復、油污清除以及環(huán)境傳感領域具有巨大的應用前景。微納馬達由于能夠將化學能、光能、電能等能量轉化成動能或驅動力，有望應用于石油領域的油藏資源探測及原油驅動。微納馬達可隨注入水進入地層，根據自身材料的物理化學特性，在地層運動過程中沿途感知并實時記錄油藏及流體信息，包括油藏溫度和壓力、孔隙形態(tài)及油水分布等，并將這些信息通過自身材料特性變化記錄并隨采出液回收。另外，還可以根據流體流動情況，通過多種物理場驅動使其在剩余油富集區(qū)域內跟隨流體運動；通過表面吸附、負載催化劑等方法在油藏中進行原位吸附和催化分解；同時利用表面特殊潤濕性將油水分離，與油滴高效結合并實現定向運輸，實現對剩余油的實時監(jiān)測和高效開采，有效提高稠油、頁巖油等資源的開發(fā)效率。

3.3 儲集層流體微流動研究領域

非常規(guī)油氣儲集層具有孔隙小、結構復雜、比表面積大、黏土礦物類型豐富等特點，致使流體在儲集層狹小空間內流動時產生強烈的微流動效應，包括稀薄效應、表面張力效應、低雷諾數效應、多尺度多相態(tài)效應等，以達西公式為基礎的滲流理論已經難以滿足研究需求和開發(fā)預測，因此亟待開發(fā)孔徑參數可調、重復可控的物理模擬模型，來開展流體在儲集層復雜微孔道中的滲流規(guī)律研究，3D打印技術是針對此需求最合適的工具。

利用CT、聚焦離子束掃描電鏡等實驗手段，可獲取真實巖心微觀孔隙結構并建立納米級分辨率的三維數字巖心模型，通過高精度3D打印設備打印出微納米尺度的巖心實物模型，應用打印巖心進行微觀流動模擬實驗的同時，又能實現微觀孔隙結構的重復打印，為實驗提供標準的可重復樣品，進行系統性實驗操作和理論分析。同時，還可以應用3D技術打印不同尺度的巖心微觀實驗模型來實現微觀流動機理研究的可能性，探索吸附效應和擴散效應影響下的滲透率計算公式，更真實地描述非常規(guī)油氣儲集層多尺度流動特征，建立考慮非常規(guī)油氣儲集層特征的試井分析模型和產能評價模型，為開發(fā)方案的制定和調整提供實驗條件，也為測試資料解釋提供有效的理論基礎。另外，還可利用3D打印技術和表面修飾技術來控制打印巖心的孔壁潤濕性，可以很好地屏蔽非均質潤濕性的干擾，從而探索單一主控因素對流體在微納米孔隙結構中流動的影響，甚至可以對不同類型驅油劑的有效性進行定量評估，解決缺乏驅油劑性能評價實驗室手段的難題，大幅減少現場實驗成本并提前預判新研制驅油劑效果及改進方案，對指導礦井驅油劑選擇及提高開采效率具有巨大作用。

4 總結與展望

功能微納結構技術是為實現特定目標所制備的具有特殊功能的微納結構與器件，由于其尺寸為微米—納米量級，表現出與宏觀尺度下不同的材料屬性。結合油氣田勘探開發(fā)需求及智能微納結構研究現狀，潛在的應用方向包括以下 3個方面：①以超材料、智能涂層為代表的功能微納結構有望應用于采油工程技術與裝備領域。通過微納特征結構的有序設計，獲得傳統材料所不具備的特殊性質，從而提高石油裝備在防護、傳感、抗腐蝕等方面的能力，提高石油裝備的穩(wěn)定性與可靠性，為目前石油領域所面臨的技術難題提供全新的解決思路。②以微納馬達、智能微球材料為代表的功能微納機器人有望應用于提高采收率新材料開發(fā)領域。通過微納結構特殊設計，可對狹小空間內的剩余油進行有效開采，并能根據自身物理化學特征，感知記錄地層信息，實現剩余油的實時監(jiān)測和高效開采，有效提高稠油、頁巖油等資源的開發(fā)效率。③以3D打印技術為代表的功能結構制造技術有望應用于儲集層流體微流動研究領域。通過3D打印技術制備標準巖心，可為實驗提供標準的可重復樣品，進行系統性實驗操作和理論分析。結合CT、聚焦離子束掃描電鏡等實驗手段，可對微納孔隙內地層流動進行定量評估，大幅減少現場實驗成本，對指導礦井驅油劑選擇及提高開采效率具有巨大作用。

綜上所述，以微納馬達、超材料等為代表的功能微納結構技術，以及面向微納結構制造的 3D打印技術，目前尚處于由基礎技術開發(fā)向綜合發(fā)展應用邁進的過渡階段，但已在石油領域表現出了巨大的科學價值和應用潛力。對其基礎理論與應用技術的研究，將為目前石油領域所面臨的技術難題提供全新的解決思路，對推動中國石油技術發(fā)展具有重要的意義。