新材料在石油工程中的应用

摘 要：日益复杂的勘探对象对石油工程技术提出了更高的要求，国内外油公司和油服公司对石油工程新技术研发与应用的力度都在不断加强。近年，石油工程技术的主要趋势是智能化、实时化，同时相关学科发展有利促进了石油工程技术进步。

关键词：新材料；石油工程；应用

从近年石油工程技术发展的特点可以看出，相关学科发展对石油工程技术促动作用日益受到重视。无论是石油工程技术的智能化、实时化、自动化，还是非常规油气、深水油气以及地热等新能源地高效开发，交叉学科的特点日益凸显，许多其他领域的新技术被改造和移植运用于油气及新能源勘探开发，并见到良好的经济和社会效益。

1 近年石油工程技术的发展

1.1 智能化、实时化、自动化是主要趋势

目前，国际石油工程技术总体呈现智能化、实时化和自动化的发展趋势，特别是智能化将主导石油工程技术的发展。高性能的机、电、液一体化技术促进石油钻机的功能进一步完善，大量增加自动化工具仪器，采用智能信息技术，减轻钻井操作者劳动强度，为提高劳动生产率创造了良好的条件。地质导向和旋转导向钻井技术大幅提高了储层钻遇率，也为井下闭环控制奠定了基础。

1.2 相关学科发展对石油工程技术促动明显

石油工业的每一次大进步都是将当代科学技术的新理论、新方法、新材料、新装备引入的结果。全球主要的石油公司和技术服务公司都在进行纳米材料技术的研究，并极大地促进了井筒及注入流体、纳米材料反应剂、井下工具及管材表面处理技术的发展。物联网、云计算、增强现实等技术的应用，为各个作业单元的智能互联、远程检测与控制提供了实现手段。同时，仿生学、微生物学、化学、高能物理等领域的研究成果，为新一代建井技术，以及微型化、反应型智能载体技术的研发提供了有益的借鉴。

2 新材料在石油工程领域的应用

2.1 纳米材料在石油化工助剂及添加剂中的应用

纳米材料核壳微粒增韧聚苯乙烯材料，既具有一般聚苯乙烯的透光性，同时抗冲击强度比纯聚苯乙烯提高了近一倍，可用于塑料工业中。该材料的生产工艺为：首先向苯乙烯中加入水及平均粒径为60～150nm的核壳共聚微粒，然后再加入分散剂和引发剂，并搅拌，在85～90℃条件下发生聚合反应，再经分离、水洗和干燥而得到成品。北京三聚环保新材料有限公司开发的纳米材料脱硫剂，可应用于各种气态、液态物中高效地将硫醇转化为二硫化物。纳米材料可以作润滑油添加剂，用脂肪酸修饰的ZrO2及MoS2的纳米微粒具有非常好的润滑性及抗磨性；也有人在研究用高分子纳米微球作新的润滑油添加剂，纳米材料可用作助燃剂。用氢电弧等离子体制备的纳米钯作一氧化碳助燃剂，有非常好的助燃效果，烟气中CO含量始终为0。

2.2 气凝胶-相变微胶囊复合隔热材料在石油工程领域的应用

在石油工程领域对于隔热材料的要求越来越高，特别是深井、超深井和地热井的钻井过程中，各种随钻测量电子设备均需要隔热保护。但同时，井下设备受作业空间小的限制，无法通过增加隔热层厚度的方法进一步提高隔热性能。气凝胶-相变微胶囊复合材料，结合了气凝胶的隔热和相变微胶囊的吸热不升温的特点，将二者多层复合使用作为隔热材料，进一步提高隔热性能，同时二者单层最薄均可达到2mm，能够实现薄而隔热。选用气凝胶-相变微胶囊复合材料，无需改变原有工件结构，可通过传统工艺，直接用于蒸汽管线保温、地热管线保温层；还可以制成特殊形状，用于保护井下控制器件免受地层高温影响。

2.3 功能梯度材料在石油工程领域的应用

功能梯度材料能够同时具有两种材料的特性，内部结构一般实现两种材料的梯度变化，最初应用于航空航天领域中的极端条件下。功能梯度材料的形态也从颗粒状粉末扩大到薄膜、纤维、泡沫等。通过使用功能梯度材料，能够大量减少开发全新材料的时间和成本。

通过调节梯度材料的结构、组成、配比等，能够制备硬度更高、抗磨蚀性能更好的材料，可用于制造超强钻头，提高钻头硬度和耐磨性能；可用于钻杆节头耐磨处理，提高使用寿命和润滑性；可用于泥浆泵缸套、抽油泵活塞等易磨损部位的耐磨处理；可用于射孔弹表面设计，提高射孔弹性能，通过延长寿命，降低成本。

2.4 自愈合聚合物材料在石油工程领域的应用

自愈合聚合物屬于功能聚合物中的一种，能够根据环境变化（裂痕、酸碱度等）做出反应，已经作为医用植入材料、建筑修补材料等得到应用。在石油工程领域可实现两大类应用。一是作为井下流体的化学添加剂，可用于自愈合固井水泥、自愈合封堵材料、自反应钻井液等，根据井下条件的变化发生反应或者变形，从而实现凝固或者封堵作用。二是作为封隔器等工件的构成材料，不但能通过自愈合反应增加自膨胀封隔器的强度和使用寿命，而且能够根据不同井段环境膨胀或者收缩实现智能封堵。

3 结语

通过先进的技术手段，把相关学科成熟的知识、技术和方法应用到石油工程领域，已经成为技术创新的一种主要手段。许多其他领域的新技术被改造和移植运用于油气及新能源勘探开发，并见到良好的经济和社会效益。因此，国内外油公司和技术服务公司都非常重视相关学科的技术进步。

参考文献：

[1]王经逸，贾红兵，房尔园，蒋静，蒋琪.高分子聚合物复合材料的自愈合研究进展[J].合成橡胶工业，2012（4）：247-253.

[2]蔡雷，姜子晗，汪涛.自愈合聚合物复合材料的研究进展[J].宇航材料工艺，2010（3）：1-4.