纳米技术、信息技术、生物技术是 21 世纪科技创新发展的 3 大动力。中国科学院白春礼院士给出了纳米技术的定义：纳米技术(nanotechnology)是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸在 1～ 100 nm 材料的性质和应用[1]。纳米技术包括纳米材料设计、制造及纳米测量等，已在电子、生物、医疗、航空、军事及能源领域得到了广泛应用。而纳米材料因尺度效应具有的独特的光、电、热、磁性能已成为学术界和工业界的研究热点，并已逐渐进入传统化石能源及新能源研究领域。预计到 21 世纪中叶，一次能源仍占主导地位[2]，但随着油气资源开发的不断深入，现有常规油气资源的品位逐渐变差、开采难度与日俱增;非常规油气资源受限于现有技术，开发效率较低。在当前油气资源勘探开发日趋困难的背景下，纳米技术的持续创新和应用深化将促进传统石油开发技术的快速发展，并已经获得了阶段性研究成果[3-5]：①纳米精细表征技术实现有效储集空间评价[6-9];②纳米传感与纳米显影技术提高了油藏特征参数监控水平与描述精度[10-13];③纳米分子模拟技术准确揭示了油气吸附、脱附机理及非达西模型下油气的运移规律[5-6];④纳米新材料为钻井、致密油气储集层改造及提高采收率等领域提供了有效的技术支持。
本文广泛调研现有纳米技术在石油勘探开发领域的研究现状，结合油气勘探开发的实际需求，阐述纳米表征、纳米传感、微纳米多孔介质中流体运移数值模拟及纳米材料 4 方面在石油勘探开发领域的研究进展与应用情况，探讨并展望未来纳米技术的应用关键与发展方向。
1 纳米表征技术
纳米技术的基础是纳米材料，纳米材料独特的特性源于其纳米尺度效应，因此，对纳米材料精确表征是纳米研究的根本，而表征技术的创新又不断推动着纳米新技术的发展。储集层是由不同矿物颗粒组成的具有一定结构与极强非均质性的多孔材料，其中存在大量天然的微纳米级矿物颗粒、孔隙以及有机质团簇等，从微观的角度可视为复杂天然纳米材料的集合体。对储集层的研究通常关注储集空间、残余流体赋存情况及固体有机质的分布等。纳米表征技术是指针对纳米尺度分析对象的物质组成、结构与性质进行的有关分析、测试，也包括测试工具与方法的研发，主要包含以下 5 个方面。
1.1 矿物组成矿物组成是指构成储集层矿物颗粒的晶体结构与成分，对应分析设备如：用于矿物颗粒形貌研究的如扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)等，用于微观晶体结构分析的 X 射线衍射分析仪(XRD)、超高分辨透射电镜(TEM)等，用于元素分析的 X 射线能谱仪(EDS)、X 射线波谱仪(WDS)、X 射线荧光光谱分析仪(XRF)、X 射线光电子能谱分析(XPS)、原子吸收分光光度计(AAS)、电感耦合等离子光谱(ICP)等。其中，SEM、EDS、WDS、XRF、ICP 等已被大量用于石油地质研究，包括通过元素分析鉴别矿物的种类，研究矿物在成岩、流体作用过程中的转化规律等。
1.2 微观孔隙结构近年来，纳米表征技术被广泛应用于储集层微观孔隙结构表征，尤其是非常规油气储集层的研究，已实现从宏观到微观，从二维到三维，从静态到动态的跨越式发展[10-13]。对应的分析设备如：用于二维成像的氩离子抛光-场发射扫描电镜(FESEM)、环境扫描电镜(ESEM)，用于三维成像的微米 CT、纳米 CT、聚焦离子束扫描电镜(FIB-SEM)等。三维结构分析技术可将孔隙及基质提取后获取微纳米孔喉结构三维空间展布特征，这种数字岩心技术的发展有力地推动了非常规油气流动机理的研究[14-17]，未来经过发展也将对油气开发起到预测作用。
1.3 有机质成分分析储集层中的有机质主要包括固态有机质(如干酪根)以及液态可动有机质(如沥青质、原油等)。有机质成分分析设备主要有：用于有机质元素组成分析的气相色谱(GC)、液相色谱(LC)、质谱(MS)，用于有机质分子结构分析的紫外-可见光谱(UV)、红外光谱(IR)、拉曼光谱(Raman)、核磁共振仪(NMR)等。此外，显微微区红外、扫描隧道显微镜(STM)、超高分辨率荧光显微镜、原子探针等超微区分析方法也将被引入石油行业。
1.4 岩石物理性质岩石物理性质研究指对岩石力学、热学、光学、电学、磁学等物理及化学性质的表征分析，涉及多种方法、技术与装备。石油勘探开发等领域均开展了针对储集层岩石物理性质的研究，例如，岩石的声学研究对应于地震测井，岩石的电学研究对应于电测井，热学研究对应于火烧油层等热力储集层改造等。由于开采对象尺度问题，纳米技术尚未大量应用，但随着非常规油气资源相关研究的不断深入，大量微观尺度下的物理性质测试研究将与日俱增。
2 纳米传感技术
在工业领域，人类对微型多功能设备的研究从未停止。在石油工业，人们希望制造专门针对油藏描述的纳米传感器，并提出了油藏纳米机器人的构想。 2.1 储集层纳米传感器 20 世纪 80 年代中后期，微机电系统有效地结合了电子工程、材料工程、机械工程、信息工程等多项科学技术工程，制作了集微型机构、微型传感器、微型执行器及信号处理和控制电路、接口、通信电源等于一体的微型器件及系统，但器件尺寸仍较大，多在厘米—微米量级。随着科技的进一步发展，纳机电系统得以实现，特征尺寸只有 1～100 nm，构成以机电结合为主要特征、基于纳米级结构新效应的器件和系统[18]。纳机电系统是真正基于纳米材料及其特殊效应的微器件，它集成纳米材料的优异性能，纳米级的尺寸使注入储集层微小孔隙成为可能。
2.2 油藏纳米机器人油藏纳米机器人是集油藏传感器、微动力系统、微信号传输系统为一体的微型油藏探测设备。沙特阿拉伯阿美石油公司提出并研发了一种基于化学分子系统和机械系统有机结合的油藏纳米机器人，并于 2010 年 6 月首次成功地进行了现场测试[20]。在获得较高回收率的同时，携带纳米机器人的流体也具有很好的稳定性和流动性。理想的油藏纳米机器人是尺寸不到人类发丝直径 1/100 的功能性纳米器件，可以随注入水进入地层，沿途感知并实时记录油藏及流体信息，包括油藏温压、孔隙形态及流体类型、黏度等，并将这些信息存储起来或实时传送到地面，在生产井中随原油产出并回收循环使用。油藏纳米机器人探测技术的空间分辨率远高于地震、测井和岩心三维扫描分析，可对整个油藏及流体针对性地定量分析。由纳米机器人获取的数据经分析后可用于辅助圈定油藏范围，绘制油藏裂缝和断层特征图，识别和确定高渗流通道，准确描述油、气、水空间分布以及剩余油气位置及品位等信息，确定并优化井位设计和建立有效的地质模型。目前送入油藏的纳米机器人尚无多功能探测及运动能力，预计下一代油藏纳米机器人在 5～10 年内投入油藏，将拥有多参数识别传输功能，甚至具备驱油能力。
3 微纳米多孔介质中油气运移模拟技术
随着非常规油气储集层中油气流动规律研究的不断深入，数值模拟不再仅局限于毫米、微米级的渗流模拟，而是拓展到微小孔隙中油气分子、原子层面的运动模拟，并涉及矿物、有机质与油气水之间相互作用。储集层样品强烈非均质性导致影响流体、岩石相互作用的因素众多，国内外常规物理实验通常直接获得多个因素影响下的某一宏观参数，再根据数据作出各因素的影响趋势图，然后讨论某个因素的影响。但以上方法获得的趋势结果无法从机理上明确温度、压力、矿物或有机质表面润湿性等各主控因素的影响分量。另外，高温、高压以及复杂流体等条件共同参与的苛刻地层条件严重影响了实验室物理实验分析检测设备的在线搭建。微纳米多孔介质数值模拟能从根本上解决以上问题，如用于微观渗流模拟的格子玻尔兹曼模拟[22]，通过控制初始流体类型、结构模型与温度压力条件，利用可控变量法单独研究某一主控因素对流体渗流或气体-矿物间相互作用规律的影响，能深入到微观层面更直观地反映油气在不同尺度多孔介质中的运移机理。该模拟技术将在储集层研究中发挥重要的作用[23-29]。
4 纳米材料
纳米技术最直接的应用就是在油田开发各阶段加入具有纳米尺度或其他纳米特性的颗粒或乳液，统称为纳米化学剂。由于纳米化学剂颗粒尺寸小、比表面积大，所以纳米颗粒表面活性原子数、表面自由能和界面张力随粒径下降急剧增大，使其流变性、润湿性、表面效应、微粒运移等方面表现出异于常规化学剂的特性。本文结合油气田开发过程中对化学助剂的实际需求，从以下几个方面综述国内外近年来有关纳米材料在石油开发各领域的应用状况及发展方向。
4.1 尺寸与表面效应随着非常规油气资源开发的不断深入，越来越多的常规化学剂难以满足储集层的注入要求。纳米材料不仅能有效解决注入性问题，而且还表现出特有的穿透能力，特别是对于非常规油气资源，只有具备小尺寸效应才能大幅度提高化学剂在地层的扩散率，才可能将纳米流体注入储集层指定区域，从而达到显著提高采收率的目的[35]。纳米颗粒也具有很强的表面效应，纳米级粒子的比表面积大，使其与其他介质(矿物质表面、金属盐等)之间化学键的结合强度增强。所有纳米材料(硅、钒、钼、钨等氧化物)表面均富含端氧、桥氧等活性修饰位点，这为纳米材料表面稳定修饰与改性提供了基础，表面修饰改性后形成的纳米化学剂才可具备润湿性改变、抑制微粒运移、纳米过滤、剪切增稠等特殊性能，从而满足油田开发各阶段实际需求。
4.2 润湿特性在提高原油采收率的过程中，岩石润湿性是影响驱油效果的重要因素，对于流体分层及其在孔隙中的分布起到重要作用。现有化学剂也具有一定改变油藏润湿性的功效，可根据岩石表面带电效果适量吸附不同类型阴、阳离子表面活性剂，调节表面活性剂亲水、亲油特性实现岩石润湿性转化。但总体来说，常规表面活性剂分子尺寸受限，注入困难，难以用于非常规油气资源的高效开发。在地层条件下，表面活性剂耐温、耐盐性能较差，且单一分子均含有亲油、亲水基团，大规模制备及应用成本较高。
4.3 抑制微粒运移特性油田开发过程中矿物微粒会发生不同程度的运移，导致多孔介质的渗透率降低，对储集层造成一定伤害。通过纳米材料或乳液可寻找不同的解决方案：含有纳米粒子(氧化镁、二氧化硅和三氧化二铝)的纳米流体具有较低的油水界面张力及很强的吸附倾向，一方面，纳米流体可以进入不同孔隙的储集层单元;另一方面，由于纳米流体与岩石矿物的相互作用，大量的纳米粒子吸附在岩石或黏土表面，利用纳米粒子与岩石矿物之间的双电层排斥力固定微粒位置，防止微粒运移，有效抑制黏土膨胀和分散。
4.4 剪切增稠特性现有堵水、调剖材料均以凝胶、体膨颗粒及聚合物微球为主，材料自身无法变形，材料的物理化学性能不随外界条件发生变化。纳米材料的剪切增稠特性为此提供了一种可选择的技术手段。剪切增稠流体(Shear thickening fluid，STF)包括剪切增稠液和剪切增稠凝胶等，Bender 等[39]报导了这类纳米材料的剪切增稠机理。Raghavan 等[40]提出了剪切增稠过程中的应变增加情况及流变特性产生的条件和区域。Hoffman [41] 研究了剪切增稠现象的成因及微观结构的变化过程，并讨论了在稳态剪切流动、摆动流动和重合流动中粒子间的相互影响。同时指出二氧化硅的含量越高，液体体系的初始黏度越大，剪切增稠阶段的增稠效果越强，且初始剪切变稀效果也越明显。
4.5 纳米光催化特性纳米光催化技术基于纳米光催化剂在紫外线照射下具有的氧化还原能力而净化污染物，该技术特别适合有机物的净化，在油田污水的深度净化方面显示出了巨大的潜力[42]。纳米光催化剂通常为 TiO2，只能在紫外光(波长小于 385 nm)激发下进行光催化反应[43]。目前，提高可见光催化效率的方法有离子掺杂、半导体复合、表面光敏化催化降解以及 TiO2 表面无定形化。 Wang 等[44]发现石墨烯状碳氮化合物具有光催化分解水的性能，将 TiO2 负载化、制成微/纳分级结构以及负载磁性物质等，可解决催化剂分离回收难题[45]。TiO2光催化技术比较适合去除水中痕量的有机物，因此将该技术同其他处理技术联用可极大扩大其应用领域。如将光催化和电化学联用的新型深度氧化技术可提高污水处理程度;光催化技术同 Feton 试剂结合可加速光催化反应速度;反渗透技术同光催化技术结合可改进净化效率等[46]。纳米光催化技术日趋完善，有望用于油田污水中聚合物和表面活性剂体系的处理。
5 总结与展望
以纳米技术为核心的创新研究已广泛出现在油气勘探开发的多个领域，并可能突破油气开发技术的瓶颈。结合油气田勘探开发需求及纳米技术研究现状，比较现实的应用发展方向主要包括以下 3 方面。 ①纳米表征及数值模拟技术优势明显。随着页岩油气和致密油气资源的有效勘探和合理动用，纳米表征及分析手段将为储集层精细描述、岩石物性分析、流体运移规律研究、油气信息捕捉等方面提供决策参考和技术支撑。 ②纳米传感技术破译油藏“黑匣子”。纳米机器人已经为油藏解释、剩余油气分布及评价提供了技术思路。纳米微电子、纳米传感、纳米识别等技术有望成为实时探测油藏属性、寻找油气资源的终极手段。 ③纳米材料的应用可大幅提升石油天然气的开采效率。未来油田开发技术必须具备“目标导向”与“复合功能”，纳米材料为此提供了技术可行性。例如：纳米分子沉积膜可用于低渗透油藏降压增注;纳米智能流体可用于堵水调剖;纳米颗粒可用于提高钻井液性能，纳米催化剂与纳米滤膜可用于油藏原位改质与后期水处理;纳米涂层可用于工程领域防腐等。此外，由于纳米材料普遍具有大量可用于化学修饰的活性位点，未来油田开发将以纳米材料为基础，以化学改性为手段，在同一纳米材料上集成多种功能，真正赋予纳米材料“目标性”与“智能性”，将“一剂多能”、“一剂多用”变为现实。如可通过纳米材料化学修饰方法将普通驱油剂“扩大波及体积”与“提高洗油能力”的两大特性赋于同一纳米材料上，真正实现“智能化”驱替，大幅度提高油田采收率。
随着纳米技术的高速发展，预计未来会陆续涌现颠覆性新技术。纳米催化剂原位改质难动用原油技术有望实现有机质的原地转化和开采，将高能耗、高污染的“地上炼油厂”模式发展到优质清洁的“地下原位炼油厂”模式。此技术不可逆地将未成熟的有机质转化成为高品质的轻质原油，或将低品质的原油转化为高品质的轻质原油。如能实现，将大幅度降低原油开采难度、提高油品质量，同时也将提升原油附加值;实现环保和节能，不需要大型水力压裂，减少了用水量，减轻了地层和地面的环保压力;为利用太阳能、风能等清洁能源进行不连续加热提供了可能;降低了成本，减少了二氧化碳的排放量。另外，人工模拟纳米光合作用技术也逐渐崭露头角，一系列革命性的“太阳能 -化学能转换和人工光合作用”研究成果正在形成[50-51]。该技术可利用纳米光催化在太阳光下将水分解成氢和氧，氢可直接用作汽车燃料或者被存储用于发电，还可利用新型纳米催化材料或微生物使氢与二氧化碳结合形成甲烷等清洁能源。未来，人类可利用“人工纳米光合作用系统”简便地产出可再生的清洁燃料，在化解深度挖掘化石类能源资源潜力难题的同时，有效缓解二氧化碳的处理难题，从根本上颠覆传统化石能源。
综上所述，纳米技术已应用于油田勘探开发的各个领域，并显示出巨大潜力。虽然近些年取得了长足进步，但纳米技术涉及多学科交叉，在机理解释、物性评价、产品研发等方面仍有待完善。另外，纳米材料降本增效任务仍很艰巨，现有纳米材料的高成本直接导致多数新材料停留在室内研究阶段，如何有效地降低纳米材料制备与修饰工艺成本，将最终决定纳米技术的应用效果。
参考文献：
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《纳米技术在石油勘探开发领域的应用》来源;《石油勘探与开发》，作者：刘合，金旭，丁彬