牟紹艷，史勝龍，房 堃，溫慶志

（1.南方科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東深圳518055；2.武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，湖北武漢430000；3.青島大地新能源技術(shù)研究院，山東青島266199；4.北京大學(xué)工學(xué)院高精尖研究中心，北京100871）

納米材料通常指尺寸在1數(shù)100 nm范圍內(nèi)的超細(xì)材料。由于尺寸小，納米材料具有獨(dú)特的表面效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等，在光、熱、電、磁、力學(xué)和化學(xué)等方面顯示出獨(dú)特的性能。納米材料的應(yīng)用目前已廣泛出現(xiàn)在人類日常衣食住行用中的很多方面，如采用納米碳纖維制作超薄保暖衣、化妝品中添加納米增白顆粒、納米自清潔防污涂層材料、納米機(jī)器人、納米靶向藥劑等等。在石油勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，面對(duì)傳統(tǒng)油氣深度開(kāi)采和非常規(guī)油氣高效開(kāi)采的新技術(shù)要求，納米材料的作用日益體現(xiàn)，應(yīng)用也日漸廣泛，并帶來(lái)很多技術(shù)革新。本文通過(guò)梳理納米材料在描述地層參數(shù)、壓裂過(guò)程、油田廢水處理等幾個(gè)方面的作用，分析展望其在油氣開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的發(fā)展方向。

1 納米材料和技術(shù)在描述地層參數(shù)方面的應(yīng)用

地層參數(shù)諸如裂縫、巖層、油藏、流體等數(shù)據(jù)采集對(duì)于地質(zhì)、能源行業(yè)尤其是采油領(lǐng)域具有重要意義。在20世紀(jì)80年代后期，人們就結(jié)合信息工程、材料工程、電子機(jī)械工程等多學(xué)科，研制出集微型傳感器、執(zhí)行器和處理器為一體的微型器械，但尺寸較大，難以進(jìn)入儲(chǔ)層。納米材料具有獨(dú)特的物理、化學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)，生物相容性、化學(xué)活性和磁響應(yīng)性優(yōu)異，在生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)催化、污水處理、能源開(kāi)采和利用等領(lǐng)域均有研發(fā)和應(yīng)用。在石油勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，有望用于制備納米傳感器、磁性示蹤劑、新型驅(qū)油劑等，提高采收率。2003 年，斯倫貝謝公司Stephenson等［1］使用納米顆粒對(duì)傳感器基質(zhì)材料表面進(jìn)行接枝改性，加強(qiáng)材料表面的拉曼光譜強(qiáng)度，將納米技術(shù)用于油氣藏檢測(cè)。2009年出現(xiàn)可以探測(cè)裂縫參數(shù)的納米顆粒［2］，同時(shí)進(jìn)行磁性納米傳感器原理及信息處理的研究。之后近十年來(lái)，納米材料和納米技術(shù)在探測(cè)油藏和流體性質(zhì)等方面得到進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用，開(kāi)發(fā)出一系列納米傳感器、納米機(jī)器人等新型材料，極大拓展了納米材料在描述地層參數(shù)方面的應(yīng)用空間。

1.1 納米傳感器

納米傳感器是具有溫度或壓力響應(yīng)特性的納米尺寸的器件或材料，可以很容易隨流體注入油氣儲(chǔ)層中，均勻吸附或分散，配用相應(yīng)的探測(cè)或檢測(cè)手段，將井口附近或儲(chǔ)層中壓力或溫度數(shù)據(jù)輸送傳回，用于描述井口或儲(chǔ)層地層的參數(shù)。

納米顯影劑、納米信號(hào)增強(qiáng)劑等進(jìn)入儲(chǔ)集層孔隙，可以改變儲(chǔ)集層局部電、磁、聲學(xué)特征，使油層、水層在電測(cè)井、核磁測(cè)井、微地震測(cè)井等曲線上區(qū)分度更高，獲得更多有關(guān)儲(chǔ)集層孔隙度、滲透率、含油飽和度等參數(shù)信息。Ryoo 等［3］制備了順磁納米流體，并模擬了磁性顆粒在多孔介質(zhì)中的運(yùn)移規(guī)律。Agenet 等［4］制備了熒光納米顆粒，用于流體的智能示蹤劑。Alaskar等［5］用銀納米線、鉍化錫納米顆粒等采集石油儲(chǔ)層的溫度和壓力數(shù)據(jù)，研究了納米傳感材料在砂巖孔隙中的流動(dòng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)納米顆粒尺寸大小及分布、形狀、表面特性等都會(huì)對(duì)其運(yùn)移產(chǎn)生影響；與銀納米線和銀納米顆粒相比，棒狀顆粒作為溫度傳感器更具優(yōu)勢(shì)；赤鐵礦作為納米傳感器的核材料，表面包覆改性后的效果更好；將200 nm及更小的鉍化錫納米顆粒注入砂巖時(shí)，存在最佳納米傳感器尺寸范圍。

1.2 納米機(jī)器人

納米機(jī)器人是具有一定智能響應(yīng)特性的納米尺寸的機(jī)器探測(cè)設(shè)備。油藏納米機(jī)器人沿流體進(jìn)入地層后，沿途感知并記錄諸如油藏溫度、孔喉孔隙形態(tài)及大小、流體黏度、油氣類型、潤(rùn)濕性等數(shù)據(jù)，并可根據(jù)這些信息得到油氣分布、裂縫形態(tài)及分布等。納米機(jī)器人可根據(jù)不同的需求，定向設(shè)計(jì)功用，如：可輔助圈定油藏范圍，繪制油藏裂縫和斷層特征圖，識(shí)別高滲流通道，描述油、氣、水空間分布、剩余油氣位置及品位等信息，提高采收率。油藏納米傳感器（機(jī)器人）的概念最早于2007年，由沙特阿拉伯阿美石油公司提出［6］。該公司研發(fā)了一種將化學(xué)分子系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的油藏納米機(jī)器人，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果顯示攜帶納米機(jī)器人的流體具有很好的穩(wěn)定性和流動(dòng)性。Shiau 等［7］研究了碳納米管-氧化硅納米復(fù)合顆粒懸浮液的穩(wěn)定性及其穿過(guò)多孔介質(zhì)的能力，為納米機(jī)器人在地層條件下作用的可靠性提供理論依據(jù)。油藏納米機(jī)器人的應(yīng)用前景十分廣闊，對(duì)于非常規(guī)油氣田開(kāi)發(fā)及難以采用常規(guī)方法開(kāi)采的能源方面具有較大的應(yīng)用潛力。但就目前而言，油藏納米機(jī)器人的應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如：抗干擾能力弱、智能響應(yīng)及可控性操作低、數(shù)據(jù)采集不全面、回收分離及重復(fù)使用難等。但隨著科技發(fā)展和能源開(kāi)采的深度和精細(xì)化技術(shù)要求，納米機(jī)器人的發(fā)展和應(yīng)用將成為必然趨勢(shì)，最終實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。

2 納米材料在壓裂過(guò)程中的應(yīng)用

2.1 前置液納米添加劑

在壓裂作業(yè)中，為了減少壓裂液濾失量、提高壓裂效率，通常會(huì)在前置液中添加一定量的細(xì)砂用來(lái)封堵地層微裂縫。然而這些細(xì)砂顆粒粒徑較大，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)裂縫的有效封堵，降濾失效果并不明顯。針對(duì)這一問(wèn)題，部分科研人員將納米粒子作為添加劑隨前置液進(jìn)入地層，由于納米粒子具有高表面能，可在巖石表面吸附，改變巖石表面潤(rùn)濕性，從而改變油水的相對(duì)滲透率，達(dá)到降低壓裂液濾失量的效果。

王佳等［8］在壓裂液前置液中加入表面修飾改性后的親油SiO2納米粒子。SiO2納米粒子在儲(chǔ)層巖石表面附著后，形成一層疏水屏障，改變巖石表面的接觸角，降低親水性，增強(qiáng)親油性，顯著降低壓裂液前置液的濾失。在石油開(kāi)采過(guò)程中，由于相似相溶原理，親油的SiO2納米粒子溶解在原油中，被攜帶出地層，油藏巖石表面恢復(fù)親水性，利于原油的正常采出。Cai［9］和 Ehtesabi［10］等也做了相似的研究。Cai通過(guò)添加5數(shù)22 nm的表面改性SiO2納米粒子，使阿托卡頁(yè)巖的滲透率降至1%。Ehtesabi 則用表面修飾改性的TiO2納米粒子改變了巖石表面接觸角和潤(rùn)濕性，從而提高砂巖孔隙中重油的采收率。Wang 等［11］研究了納米 SiO2粒子改變巖石潤(rùn)濕性的機(jī)理，認(rèn)為改性納米SiO2粒子進(jìn)入地層后，由于表面的高表面能和疏水特性，SiO2粒子將會(huì)突破巖石表面的水化層，通過(guò)與巖石的多氫鍵作用吸附在巖石表面，形成一層親油性的超疏水顆粒薄膜，使巖石潤(rùn)濕性發(fā)生反轉(zhuǎn)，由親水轉(zhuǎn)為親油，并起到降低濾失的作用。

此外，納米粒子隨前置液注入地層，吸附于巖石表面，還可以起到穩(wěn)定巖石礦物微粒，防止碎屑微粒運(yùn)移的作用。在油氣開(kāi)采過(guò)程中，碎屑顆粒運(yùn)移容易導(dǎo)致孔隙堵塞，極大降低采收率。Habibi等［12］將含MgO 納米粒子的流體作為黏土穩(wěn)定劑注入水敏地層，發(fā)現(xiàn)地層滲透率無(wú)明顯降低，MgO 納米粒子可以有效固定碎屑，降低碎屑顆粒的運(yùn)移，抑制黏土水化膨脹，從而保護(hù)水敏地層。

2.2 壓裂液納米交聯(lián)劑

交聯(lián)劑是常用壓裂液的主要添加劑之一。交聯(lián)劑使壓裂液中聚合物形成高黏凝膠，提高壓裂液的造縫和攜砂能力。常用硼交聯(lián)劑中胍膠的價(jià)格持續(xù)上漲，以及環(huán)保對(duì)交聯(lián)劑使用量的要求，使硼交聯(lián)劑的使用受到了限制。如何在減少胍膠使用量的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)油氣的有效開(kāi)發(fā)是目前面臨的一個(gè)難題。鑒于此，Lalitte等［13］采用微乳液聚合法，用納米顆粒作為載體，在粒子表面進(jìn)行修飾接枝，制備得到表面具有多個(gè)交聯(lián)位點(diǎn)的硼酸功能化納米顆粒。該聚合物納米顆粒粒徑為15 nm，約為硼酸根粒子直徑的100倍。這種大粒徑的納米粒子可以與不同的胍膠分子在更低的濃度下發(fā)生交聯(lián)，形成高黏度、高強(qiáng)度的凍膠，所需的最佳硼酸量只是普通硼酸交聯(lián)壓裂液的1/20，大大降低了胍膠的使用量，提高了壓裂操作的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

但是，納米交聯(lián)劑一般合成過(guò)程復(fù)雜且精細(xì)，成本高。為優(yōu)化此問(wèn)題，需同時(shí)對(duì)含有納米交聯(lián)劑的壓裂液進(jìn)行研究評(píng)價(jià)。賈文峰等［14］用stober法自制納米二氧化硅，用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)納米二氧化硅進(jìn)行表面氨基化改性后，與硼酸酯反應(yīng)制得納米有機(jī)硼交聯(lián)劑，將其加入壓裂液中即可形成凍膠。此方法制備的納米交聯(lián)劑可對(duì)0.25% 羥丙基胍膠（HPG）實(shí)現(xiàn)有效交聯(lián)，形成的壓裂液體系表現(xiàn)出良好的耐溫耐剪切、濾失、破膠性能。研究人員研究了HPG 與基于納米粒子的交聯(lián)劑的交聯(lián)機(jī)理。Hurnaus等［15］就HPG與基于鋯的交聯(lián)劑的交聯(lián)機(jī)理進(jìn)行了研究。在pH 為9 的條件下，通過(guò)紅外光譜、動(dòng)態(tài)光散射、透射電鏡等方法，發(fā)現(xiàn)作為鋯交聯(lián)劑來(lái)源的乳酸鋯鈉在水解條件下釋放配體（乳酸鹽），從而確定了交聯(lián)的配體交換機(jī)制。此外，Hurnaus等測(cè)試了HPG 與無(wú)水氧化鋯納米顆粒間的交聯(lián)情況，通過(guò)對(duì)黏度的測(cè)定表明HPG與氧化鋯粒子間具有較好的交聯(lián)效果。延續(xù)之前的研究?jī)?nèi)容，Hurnaus等［16］探究了HPG 與基于鈦的交聯(lián)劑的交聯(lián)機(jī)理。他們認(rèn)為，鈦交聯(lián)劑同HPG的交聯(lián)主要源于TiO2粒子表面的羥基與HPG 的半乳甘露聚糖鏈之間的相互作用。此外，當(dāng)TiO2粒子粒徑小于10 nm時(shí)，可以與HPG形成黏彈性凝膠，交聯(lián)過(guò)程也可以通過(guò)納米顆粒的表面改性實(shí)現(xiàn)延遲可控。

2.3 壓裂液納米添加劑

納米粒子比表面積大，比表面能大。當(dāng)加入含有聚合物或表面活性劑的液體中時(shí)，納米粒子會(huì)發(fā)生團(tuán)聚，或者與聚合物和表面活性劑反應(yīng)，改變體系的流變性。在 2008 年，Huang 等［17-18］研究了 ZnO納米粒子對(duì)酰胺基胺表面活性劑流變性能的影響。與不含納米粒子的空白樣相比，在低剪切速率下（小于0.01 s-1）含納米粒子的壓裂液體系黏度明顯升高，并具有較好的懸砂能力。在121℃、100 s-1的條件下，含有納米粒子的壓裂液在一定時(shí)間內(nèi)的黏度是空白樣的5倍。在66℃下，含有2%黏彈性表面活性劑VES、密度為1.2 kg/m3納米粒子的壓裂液具有較好的造壁能力和抗濾失性能。同時(shí)，納米粒子附著在巖石表面會(huì)增加裂縫與支撐劑之間的摩擦力，增加支撐劑堆積穩(wěn)定性，減少支撐劑滑移導(dǎo)致的裂縫閉合。此外，含有ZnO納米粒子壓裂液的彈性模量達(dá)到了35 dyne/m2，而空白樣的彈性模量?jī)H為0.03 dyne/m2。

Fakoya等［19］通過(guò)向表面活性劑體系、聚合物體系以及聚合物與表面活性劑混合體系中分別加入不同比例粒徑為20 nm 的SiO2顆粒，分析了納米顆粒的加入對(duì)不同體系流變性的影響，得到加入納米顆粒的表面活性劑基液適用于非常規(guī)油氣開(kāi)采，可以降低經(jīng)濟(jì)成本，降低濾失、減少壓裂危害。Gurluk等［20］針對(duì)表面活性劑基液的高成本和無(wú)法適用于200℉以上溫度的問(wèn)題，研究了納米粒子的添加對(duì)黏彈性表面活性劑基液的交聯(lián)增黏作用，發(fā)現(xiàn)添加納米粒子可以降低成本并升高其適用溫度范圍到275℉，效果顯著。美國(guó)貝克休斯公司的Shiv等［21］也進(jìn)行了相似研究，針對(duì)黏彈性表面活性劑基液存在的高濾失問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)加入兩種不同的納米顆粒的流動(dòng)效果好于加入一種納米顆粒。兩種納米粒子之間的協(xié)同作用，可以極大增強(qiáng)表面活性劑基液的穩(wěn)定性，可以在300℉高溫條件下使用，并能實(shí)現(xiàn)用海水代替淡水，降低成本。此外，可以保證支撐劑懸浮和運(yùn)移的黏度，抗濾失性明顯。

2.4 納米顆粒改性支撐劑

使用納米粒子在支撐劑顆粒表面進(jìn)行包覆改性，也是近來(lái)研究的熱點(diǎn)之一。支撐劑在壓裂中的作用是隨壓裂液進(jìn)入壓開(kāi)的縫隙，在裂縫中堆積，使裂縫保持張開(kāi)的狀態(tài)，便于儲(chǔ)層中的油氣產(chǎn)出。Huang 等［22］使用納米顆粒，如 MgO、ZnO、Al2O3、ZrO2、TiO2、CoO、NiO 和熱電晶體等，對(duì)支撐劑顆粒進(jìn)行包覆，在油氣開(kāi)采過(guò)程中可以起到良好的穩(wěn)固支撐劑堆積層的效果。此外，合適的納米顆粒還可以使支撐劑碎屑聚集，控制碎屑運(yùn)移，防止孔隙堵塞［23］。使用六甲基二硅氮烷改性后的納米二氧化硅包覆石英砂類支撐劑可以改變支撐劑表面接觸角，獲得疏水親油性，從而提高注水效果［24］。

3 納米材料在油田廢水處理方面的應(yīng)用

油田廢水有機(jī)物含量高且種類多、成分復(fù)雜、黏度和穩(wěn)定性高，處理難度較大，目前常用的生物降解法、物理分離法、化學(xué)反應(yīng)法等普遍存在效率低等問(wèn)題。納米材料在廢水處理方面主要有兩個(gè)方向的應(yīng)用：（1）制備納濾、超濾、反滲透分離膜凈化油田廢水；（2）利用部分納米粒子的光催化特性，在光照下實(shí)現(xiàn)污染物的氧化分解，從而達(dá)到廢水凈化的目的。目前，單一功能的分離膜存在分離效率較差且痕量污染物難以去除等問(wèn)題，而單獨(dú)的光催化技術(shù)則存在催化劑回收困難的問(wèn)題。將光催化技術(shù)和膜分離技術(shù)結(jié)合，將二者優(yōu)勢(shì)協(xié)同，制備光催化分離膜，不僅可以提高有機(jī)物的分離分解效率，還可以實(shí)現(xiàn)膜的重復(fù)利用，降低成本，減少對(duì)環(huán)境的污染。

納米粒子的光催化特性是指部分納米粒子在光照下可以實(shí)現(xiàn)電子躍遷，產(chǎn)生具有氧化能力的空穴和具有還原能力的光生電子，從而氧化還原污染物。目前，光催化分離膜主要有無(wú)機(jī)光催化分離膜和有機(jī)光催化分離膜兩種。無(wú)機(jī)光催化分離膜是由無(wú)機(jī)納米粒子制備得到的具有光催化特性的分離膜，主要制備方法有溶膠-凝膠法、分子沉積法、過(guò)濾法等。Lu 等［25］以Zr（NO3）4、Ti（OC4H9）4和C3H8O3為原料，利用改性的溶膠凝膠法，用制得的TiO2摻雜涂覆ZrO2微孔材料制備納米滲透膜，熱穩(wěn)定性高，孔隙均勻，具有高比表面、高吸水性、高強(qiáng)度，工業(yè)化應(yīng)用潛力大。Song 等［26］用新型分子層沉積法制備納米二氧化鈦滲透膜，相比傳統(tǒng)溶膠凝膠法優(yōu)勢(shì)明顯，有望實(shí)現(xiàn)膜組成、厚度、孔隙大小等可控，該復(fù)合膜具有較好的分離性能和抗污染性能。Gui等［27］通過(guò)反相法用納米二氧化硅的聚多巴胺復(fù)合物對(duì)聚偏二氟乙烯PVDF 膜改性，制得的納米復(fù)合膜對(duì)油水混合物有高效的分離能力，該法易操作實(shí)施，有望用于大規(guī)模工業(yè)化制備。Zangeneh等［28］通過(guò)反相法用B-TiO2-SiO2/CoFe2O4納米粒子改性聚醚砜制備具有可見(jiàn)光催化效果的新型親水性、防垢、自清潔納米滲透膜。親水性納米顆粒的加入改變了聚醚砜的疏水性，極大拓寬了聚醚砜膜的使用范圍，效果對(duì)比明顯。針對(duì)超濾聚合物膜目前存在的親水性、防垢性差，成本高、難重復(fù)利用等問(wèn)題，Zhang等［29］用改性二氧化鈦功能性納米粒子等對(duì)聚偏二氟乙烯膜進(jìn)行改性，制備出低成本、可重復(fù)利用的自組裝膜。Chen 等［30］以氧化石墨烯層狀材料作為基材，通過(guò)電子噴霧和電子固定的方法，將親水性納米顆粒二氧化碳、二氧化硅、四氮化三硅等與基材進(jìn)行插層復(fù)合改性，與聚酰胺-6進(jìn)行層層組裝，制備類似三明治的夾層結(jié)構(gòu)納濾膜，該方法為有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合膜材料的制備提供借鑒。

此外，王松等［31］采用光催化廢水處理技術(shù)對(duì)河南油田廢水進(jìn)行了處理。先采用混凝的方法去除未能破膠的胍膠及其他膠體顆粒，然后采用氧化法去除對(duì)化學(xué)需氧量（COD）構(gòu)成貢獻(xiàn)較大的物質(zhì)，最后采用光催化進(jìn)行深度處理。經(jīng)TiO2光催化處理后的廢水中常規(guī)處理難以去除的含鐵及含硫污染物的含量均已達(dá)標(biāo)，處理后的廢水達(dá)到回注要求。在油田礦場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中，TiO2光催化處理廢水效果良好。

4 納米材料作為鉆井液添加劑使用

有機(jī)高分子材料和無(wú)機(jī)納米材料常在鉆井過(guò)程中配合使用，以解決鉆井過(guò)程中鉆井液抗濾失，改善流變性、保護(hù)儲(chǔ)層、穩(wěn)定井壁等問(wèn)題。Amin等［32］研制的聚乙二醇包覆的多層氧化碳納米管復(fù)合物可有效改善水基鉆井液的流變性，包括屈服應(yīng)力、黏度和凝膠強(qiáng)度等，降低濾失性和儲(chǔ)層傷害。該新型復(fù)合物兼具無(wú)機(jī)碳納米管的增強(qiáng)性和樹(shù)脂的柔韌性，濾餅可以形成智能網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有高溶脹性。并且Herschel-Bulkley 方法可以很好地?cái)M合該新型納米鉆井液的流變行為。Saffari等［33］合成了幾種納米結(jié)構(gòu)的硼酸鹽，如鎂、鋅、鋁，以及硼酸鈦，可改善水基鉆井液的摩擦性能。納米添加劑可以降低鉆井液摩擦系數(shù)，在接觸表面形成保護(hù)膜，耐較高壓力和溫度，穩(wěn)定性強(qiáng)，納米添加劑的耐極壓性能高于商業(yè)潤(rùn)滑劑添加劑至少5倍。幾種納米硼酸鹽顆粒中，可生物降解的硼酸鈦能顯著改善摩擦學(xué)性能；納米硼酸銅在生產(chǎn)高質(zhì)量的薄膜強(qiáng)度和降低摩擦系數(shù)方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。此外，王佩平等［34］研究的正電膠/聚合醇/納米乳液鉆井液用于易發(fā)生坍塌油氣藏勘探開(kāi)發(fā)，具有較好的防垮塌效果。

5 納米材料的其他應(yīng)用

5.1 設(shè)備涂層添加劑

在油田鉆井領(lǐng)域，地面及地下工具都存在著磨損、腐蝕等問(wèn)題。設(shè)備腐蝕不僅增加了成本、降低了產(chǎn)量，還容易造成環(huán)境污染。特種無(wú)機(jī)納米粒子，如復(fù)合納米晶陶瓷材料，由于具有高硬度和良好的耐磨、耐腐蝕性能，對(duì)鉆井作業(yè)設(shè)備進(jìn)行涂層改性后，可以滿足設(shè)備表面對(duì)耐高溫、耐磨等性能的需求。將用鈦白粉制得的高科技防腐涂料應(yīng)用到油氣管道中，能有效解決管道腐蝕、結(jié)蠟、濾失等問(wèn)題。除了作為鉆井設(shè)備涂層外，納米粒子還可以應(yīng)用于日常涂料以提高涂料性能。比如納米SiO2粒子可以提高涂料的抗老化性能、光潔度和強(qiáng)度；納米TiO2粒子添加到涂料中可以起到抗菌、抗污染、除臭、自潔等作用；納米SiO2和TiO2粒子共同添加到涂料中可以起到防紫外線的作用。

5.2 泡沫穩(wěn)定劑

泡沫流體具有密度低、對(duì)地層傷害較小、易排出等優(yōu)點(diǎn)，在油氣勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力較大。但泡沫流體是熱力學(xué)不穩(wěn)定系統(tǒng)，非常容易消泡，這嚴(yán)重限制了泡沫流體在石油開(kāi)采行業(yè)的應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中泡沫易受地層高溫、高鹽、高壓等環(huán)境影響，導(dǎo)致泡沫穩(wěn)定性大大降低［35］。針對(duì)此問(wèn)題，Du 等［36］早在 2003 年將部分疏水型納米粒子吸附于氣液表面形成單層膜來(lái)穩(wěn)定泡沫。之后，Sun等［37］發(fā)現(xiàn)納米粒子可以同表面活性劑發(fā)生相互作用，并研究了納米SiO2粒子和陰離子表面活性劑SDS 的協(xié)同穩(wěn)泡機(jī)理。在靜電相互作用下，SDS 吸附于SiO2粒子表面，而被吸附的SiO2粒子又會(huì)吸附于氣液表面形成空間阻隔層，這種雙吸附方式使得氣泡彈性顯著增加。Yu 等［38］研究了納米粒子在泡沫驅(qū)油劑中的穩(wěn)泡作用。此外，納米材料作為驅(qū)替驅(qū)油劑，在特低/超低滲油藏余油驅(qū)替中也起到重要作用［39］。研究表明，納米聚合物微球可以實(shí)現(xiàn)油層深部液流轉(zhuǎn)向，解決調(diào)堵地層深部大孔喉的技術(shù)難題，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)復(fù)雜非均質(zhì)高含水油藏提供一種全新的方法［40］。

綜上，納米顆粒在油氣開(kāi)采過(guò)程中有很大的應(yīng)用空間［41］，尤其針對(duì)非常規(guī)頁(yè)巖納米孔隙油氣開(kāi)采［42-43］。據(jù)推測(cè)，以納米技術(shù)為核心的創(chuàng)新研究可能突破油氣開(kāi)發(fā)技術(shù)的瓶頸［44］。

6 總結(jié)與展望

納米技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石油勘探開(kāi)采的諸多方向，并能為目前非常規(guī)能源提供低成本開(kāi)采的可行性，進(jìn)一步提升常規(guī)油氣能源的采收率。根據(jù)目前納米材料在采油領(lǐng)域的研究進(jìn)展，納米材料發(fā)展?jié)摿^大且比較切合實(shí)際需求的主要有以下幾個(gè)方面：（1）納米傳感器和納米機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)油氣能源的可靠圈定，并實(shí)現(xiàn)地層參數(shù)的收集和分析，對(duì)于實(shí)現(xiàn)油氣資源的有效開(kāi)采具有重要意義。此外，納米傳感器和機(jī)器人的進(jìn)一步發(fā)展還有望打破非常規(guī)能源開(kāi)采的壁壘，對(duì)整個(gè)能源、地質(zhì)勘探有著重要意義；（2）納米材料作為添加劑可以顯著提高壓裂液性能，如改善巖石潤(rùn)濕性、提高壓裂液耐溫耐壓性能，在保護(hù)地層的情況下實(shí)現(xiàn)原油的有效開(kāi)采，并能顯著減少壓裂液濾失量，提高經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益；（3）由納米粒子制備得到的光催化分離膜可以實(shí)現(xiàn)光催化和膜分離的有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)油田廢水污染物的清潔高效去除。目前而言，最經(jīng)濟(jì)高效的水處理方式為將光催化膜分離技術(shù)同氧化技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)常規(guī)處理技術(shù)預(yù)先除去大顆粒污染物，然后采用光催化分離技術(shù)對(duì)水質(zhì)進(jìn)行深層凈化；（4）作為鉆井液添加劑、納米涂層、穩(wěn)泡劑等。納米粒子添加到鉆井液中可以達(dá)到降濾失效果，作為涂層添加劑可以顯著增強(qiáng)設(shè)備耐腐蝕能力，這可以顯著提高經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。納米粒子添加到泡沫流體中可以顯著提高泡沫穩(wěn)定性，這對(duì)于清潔無(wú)污染的泡沫流體在壓裂液、驅(qū)油劑等方向的廣泛應(yīng)用提供可靠保障。

納米材料目前正廣泛應(yīng)用于社會(huì)的方方面面?；诩{米材料的清潔能源及油田開(kāi)采方面的智能流體，必然會(huì)在不久將來(lái)得以實(shí)現(xiàn)，并開(kāi)啟新的篇章。就目前而言，納米材料應(yīng)用推廣方面面臨的主要是經(jīng)濟(jì)效益問(wèn)題，納米材料造價(jià)普遍較高?，F(xiàn)在部分納米粒子如氧化鋯、鐵酸鉍等已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，但高品質(zhì)的納米粒子在市場(chǎng)上仍然匱乏。如何有效降低納米材料的生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)更大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，是下一步的研究重點(diǎn)。