油气增产背后的新材料力量

  油气行业的每一次飞跃，不能离开技术与材料的双重驱动。在新时代的浪潮中，新材料以其独特的性能和广泛的应用前景，成为推动油气勘探开发工程技术创新的关键力量。从增强型纤维的坚韧不拔到可降解聚合物的绿色智慧，每一种新材料在上游领域的应用，都是对油气生产极限的一次有力挑战，不仅提升了勘探开发的效率与效益，而且在保障生产安全、促进环境友好方面展现出了巨大的潜力。这是一场材料科学与油气工程的深层次地融合，更是一场未来能源发展的深刻变革。

  本版文图除署名外由 尹慧博 马兰荣 刘 奔 任丽丽 王佳麟 潘亚男 柏诗哲 提供

  PGA（聚乙醇酸）是一种可完全生物降解的新材料，能够在自然环境中分解为二氧化碳和水，可有实际效果的减少对地层的伤害，而且具有绝佳的气体阻隔性、优良的机械性能和耐热性，可承受油气开采过程中高温度高压力等复杂的地质条件，有助于减少油气资源流失、提高开采效率。

  ●PGA暂堵剂、暂堵球和可溶桥塞能满足页岩油气井压裂承压、降解速度可控的需求，适用于非常规油气井的分段压裂和老井重复改造的暂堵转向压裂施工。目前，中国石化石油工程技术研究院生产的各类PGA压裂暂堵产品已在江汉、西南、中原等油气田公司近百口井推广使用。

  “普陆页1HF井结合设计采用了缝口、缝内双暂堵这一特殊工艺，在压力窗口受限的条件下，仍然成功完成了23段施工，且综合砂液比提高到8.2%。”提到PGA暂堵剂、暂堵球在普陆页1HF井的成功应用，石油工程技术研究院油层改造技术研究所压裂工艺主管石恒毅打开了话匣子。

  随着油气开发逐渐向非常规油气储层延伸，新的问题也随之而来。“非常规油气储层具有深层、致密、难开采等特点，传统的压裂技术难以胜任。”石恒毅说。

  由于地下储层较为致密，孔道之间几乎不连通，如果不通过压裂的方式压开地层，油气将会以一座座“孤岛”的形式储存在地下，难以被开采出来。而常规压裂技术一般在地层中只能形成简单的双翼裂缝，缝与缝之间没有渠道。

  “也就是说，常规压裂技术没办法完全打碎地层，油气不能被充分开采出来。现在常用的大型非常规体积压裂技术可充分‘压碎’地层，形成蜘蛛网状的缝网结构，为油气的运移提供各种大小不一的‘通道’。” 石恒毅介绍。

  然而，通道多了，也不完全是“好事”。有些通道不是最优选择，在施工中常常需要将其临时封堵住，以免压裂液不按目的路线流动，因此，暂堵技术成为不可或缺的手段。而面对慢慢的升高的环保要求，怎么样才可以实现绿色施工？由石油工程技术研究院研制的PGA暂堵剂、暂堵球进入技术人员的视野。

  PGA暂堵技术是通过向压裂液中添加暂堵材料（暂堵球封堵孔眼，暂堵剂随压裂液封堵裂缝端部），从而改变原有液体的流入方向。通俗地说，就是暂堵剂、暂堵球在孔眼处形成临时封堵的“南墙”，压裂液“撞”了墙，自然也就改变了方向，“拐个弯儿”朝着目的层流动，促使其他射孔簇或地层开启新裂缝，最终形成多条新的分支裂缝，达到对储层精细改造的目的。

  “PGA暂堵剂、暂堵球具有短时封堵、自降解功能，也就是说，需要时会发挥作用暂时封堵，不需要时便会失去封堵效果，使裂缝重新打开。这是改造非常规油气资源储层、形成复杂裂缝网络的重要技术方法。”油气田化学品专家李健介绍。

  PGA绳结暂堵球、暂堵剂在普陆页1HF井、1-1井应用，均见到了较好的效果，压力最高增长10.8兆帕，两井的裂缝复杂度均高于同层同类型储层压裂水平井，说明PGA缝内暂堵转向工艺整体效果良好。

  此外，针对目标区块储层特征，石油工程技术研究院以裂缝均匀起裂及体积改造为目标，开展了“缝口-缝内”双暂堵工艺研究。数值模拟分析表明，采用PGA材料双暂堵工艺，改造体积较常规暂堵压裂提升了160%。

  “在现场施工中，采用‘PGA绳结暂堵球+暂堵剂’的方式，配合排量提升，能有效提升净压力，确保压裂作业安全、环保、高效。随着压裂作业要求慢慢的升高，PGA暂堵产品将会得到更广泛的应用。”李健说。

  碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量新型纤维材料。碳纤维力学性能优异，直径只有头发的1/15，比重不到钢的1/4，强度却是钢的7~9倍，还具有耐腐蚀、高模量的特性，被称为“新材料之王”，在各行业存在广泛的应用前景。

  ●碳纤维抽油杆最长可达5000米，成功克服了过去抽油杆需要套杆连接、起下上班时间长，金属杆易腐蚀、常规使用的寿命短，运行中耗电量大等缺点，而且下井千米也不易变形，采油时每千米吨油耗电量可下降三成左右，有助于油田企业降低生产成本。

  ●碳纤维复合材料扶正器耐腐蚀、强度高、摩擦系数低，可有效解决井下腐蚀与偏磨问题，在降低杆管报废率、延长油井免修期、提高生产时效等方面起到重要作用。

  ●碳纤维布适用于油罐的浮顶、罐顶加固补强，特别是曲面、受弯构件等复杂部位的施工作业，操作简单便捷，有助于缩短工期、减少实际工程造价。

  从制作抽油杆到修复集输管道，近年来，碳纤维复合材料以其独特的性能优势，有效解决了传统金属材料存在的诸多问题，提升了油田生产的安全性、效率和经济效益。

  早在2016年，胜利油田就设立了碳纤维抽油杆项目，开启了碳纤维的应用之旅，并在扁带形碳纤维抽油杆基础上研制出了第一代圆形截面纯碳纤维抽油杆。碳纤维抽油杆克服了传统钢制抽油杆易腐蚀、寿命短、下深受限、能耗高、起下上班时间长等缺点，防腐延寿、深抽提液、节能降耗等效果显著。

  胜利油田技术检验测试中心作为项目的核心研发团队之一，针对评价指标和方法体系缺失等问题，经过刻苦攻关，建立了碳纤维复合材料抽油杆检测评价指标和方法体系，实现了碳纤维抽油杆连续在线全截面检测，为抽油杆的现场应用提供了技术保障。

  围绕碳纤维抽油杆应用中遇到的杆体断、裂等问题，研发团队从碳纤维固化时间、拉挤速度等生产工艺入手，全面测试分析了各项参数对杆体综合性能的影响规律，通过调整杆体结构、优化固化工艺等措施，不断提升产品性能，断、裂失效率由36%降为0。

  碳纤维复合材料虽然抗腐蚀能力强，但是在井下高温、高压、高矿化油水介质环境与交变载荷的共同作用下，也存在老化、损伤现象。为此，胜利油田技术检验测试中心通过仿真模拟试验，研究出碳纤维抽油杆的力学性能演化规律，确定了其在不同油井工况和环境中的应用界限，为碳纤维抽油杆的设计、选型及维护提供了科学依据。

  据统计，目前已有112万余米碳纤维抽油杆在胜利、西北、中原等油田的961口井实现了工业化应用，累计增油超17万吨、节电超1300万千瓦时，最长生产周期1526天，腐蚀井平均检泵周期延长1.5倍，直接经济效益超3亿元。

  随着研究不断深入，碳纤维的应用领域也得到了进一步拓展。经过持续攻关，研发团队创新形成了碳纤维补强工艺、3D复合材料罐顶结构设计技术、原位修复增强一体化施工工艺等，突破了树脂体系在水下等潮湿环境中无法固化的技术难题，使碳纤维在集输管道及容器的修复中大显身手。新材料的应用不仅大幅降低了“跑冒滴漏”等安全环保事件发生的概率，而且有效减少了材料消耗、节省了作业费用，与传统修复工艺相比，无须停输，修复效率提升两倍以上。

  今后，随着碳纤维复合材料在油田生产中的深入应用，其在提高能源开采效率、降低运营成本、促进环境保护等方面展现出的巨大潜力，将进一步推动我国油气行业向更加智能、高效、绿色的方向发展。

  对于油气勘探开发过程中的极端环境，如高温、高压、高腐蚀等，哪些新材料具备出色的适应性和性能表现？

  吕明福：油气勘探开发经常面临高温、高压、油气混合高腐蚀等极端环境，对应用材料的耐热、耐磨、耐腐蚀及长期服役性能都有很高要求。其中，碳纤维复合材料具备优异的耐腐蚀性和耐高温性，以及出色的力学性能和长期服役能力，在油田领域的应用日益广泛，不仅在油气管道、储罐、阀门等关键设备的制造和油井桥塞的强化修复中发挥着重要作用，而且在抽油杆、连续油管等油气开采的核心部件制备中显示出独特的优势。特别值得一提的是，碳纤维复合材料轻质、高强和出色的耐海水侵蚀的能力，使其成为海上平台和海洋油气田开发的理想选择。随着碳纤维复合材料应用技术不断进步，井下工具和部件的耐温性能有望得到显著提升，预计耐温能力将达到300摄氏度，能极大地提高深层超深层油气勘探开发能力，也为高温地热开发提供强有力的技术支持。

  生物可降解材料聚乙醇酸（PGA），具有优异的力学性能、耐热性和可降解性。采用PGA制备的暂堵球、暂堵剂和井下工具在一定的高温环境中仍具有良好的抗压强度，且使用后能在地层环境中自行降解，无须酸化解堵，对地层结构影响小、施工成本低。

  沙 鸥：新材料的使用能有效提升油气勘探开发效率，并使开发模式发生根本改变。在钻完井工程中，碳纤维材料的应用使抽油杆抗拉强度达到1800兆帕以上（是钢杆的两倍，但密度仅为钢杆的1/4），克服了过去抽油杆需要套杆连接、起下工作时间长，金属杆易腐蚀、使用寿命短，运行中耗电量大等缺点。在驱油过程中，低渗透油藏普遍存在聚合物注不进的问题，黏弹性表面活性剂或聚表剂由于分子尺度匹配，具有驱油和调剖一体化优势，具备替代二元复合驱的潜力；稠油原位改质水热裂解催化材料的突破，可以革命性地解决稠油开采的诸多难题。在油气集输和后处理中，无机有机复合分离膜可实现采出井井口的快速分离回注，能有效提升油气开采效率和环保效果；高效油气田采出水处理膜能高效去除采出水中的COD（化学需氧量）、BOD（生化需氧量），减少环境污染，促进水资源循环利用；高效破乳纳米磁性材料的应用，可以高效低成本实现油水分离。

  吕明福：油气上游领域多为资本和技术密集型的行业，需要大量的资金投入和先进的技术支持。近年来，随着高新技术的快速发展及各类新材料的更新迭代，油气上游领域的作业效率和安全性不断提高，同时对环境产生的影响也在逐步降低。轻质高强合金及高性能复合材料等轻量化材料的开发，有助于减轻设备重量，降低运输和安装成本，同时提高作业效率。纳米驱油技术利用新型纳米材料强憎水和强亲油的特性，使油层注水到达传统水驱难以触及的低渗透区域，可大幅增加可采储量、提高油气采收率。环境友好型材料，如可降解材料和低毒性材料等，能有效减少油气勘探开发过程对环境的影响。

  与此同时，科研团队仍在不懈攻关，持续拓展、提升材料性能，以满足油气上游领域快速发展的需求。超耐磨、耐腐蚀、耐高温材料的开发，将显著提高井下采油装备的耐腐蚀性能，延长设备寿命和检泵周期，减少维护成本。智能材料，如形状记忆合金、自修复材料等的应用，将提高油气设备的自适应性和自修复能力，减少维护需求。

  未来，随着研究不断深入，新材料在油气上游领域的应用将呈现多样化、智能化和可持续化的趋势，推动油气勘探开发技术快速迭代，为行业带来更多创新和发展机遇。

  沙 鸥：一是由于新材料研发涉及化学化工、高分子材料、油气藏工程等多专业交叉学科，基础研究滞后，亟待建立完善的创新机制和人才配套激励政策；二是需建立以市场为导向的产学研深度融合平台，满足客户差异化、个性化需求，以市场引导研发，以研发升级市场；三是油气上游板块与下游化工研究院应结合自身优势，从材料科学与工程问题出发，梳理研究目标，强化材料研发与人工智能等数字化技术的结合，缩短研发周期，通过技术创新，深耕细分赛道，增强新材料在油气上游领域的核心竞争力。

  纳米材料因具有独特的高分散性能，特殊的表面性能、粒径及分布特性等，已逐渐成为解决油气田勘探开发各环节技术难题的关键材料，拥有巨大的应用潜力。合理使用合适的纳米材料，可有效提高各种油田化学工作液，如钻井液、固井水泥浆、压裂液等的工作效率，从而大幅增加油气井产量、提高油气采收率，具有极大的社会效益和经济效益。

  ●纳米驱油剂可利用纳米材料的高表面积、高扩散率、高渗透性和更好的吸附作用，在油藏中促进油气流动提高采收率，还可增强水与油之间的亲和力，减少水油界面张力，实现更高效的油藏开发。

  ●纳米封堵剂是一种能在井壁裂隙和孔隙中定向聚集并形成一层密封屏障以阻止油气流动的微纳米颗粒，常被添加在钻井液中，为井壁封堵提供技术手段。

  7月30日，在江苏油田采油二厂阳6-1井现场，装满纳米乳液的药剂通过设备正缓缓流入注水井。

  纳米乳液并非传统意义上的纳米材料，而是一种包含了表面活性剂、有机相等多元组分的稳定乳液体系。2019年以来，该技术已规模应用于16个区块54个井组，累计增油3.52万吨，为江苏油田难动用储量高质量开发提供了有力支撑。

  如何实现中低渗油藏的高效开发，一直是老油田增产稳产的难题。江苏油田中低渗油藏储量占比超过80%，孔喉直径大多小于4微米，常规水驱注水困难，且“表面活性剂+聚合物”等传统驱油体系存在注入困难、易造成储层堵塞等问题。

  为提高老区采收率，探寻适合江苏油田低渗油藏的驱油技术势在必行。江苏油田工程院科研人员从2017年起就着手开展纳米乳液驱油体系研究，经过多年攻关，研发出了一种“尺寸足够小、分散油聚并”纳米乳液驱油体系。

  相较常规表面活性剂，纳米乳液体系活力更高，能把吸附在岩石孔隙里的原油驱出来。“就像洗衣服上的污渍，用水洗不干净，用洗衣液洗就干净了。”江苏油田工程院油化室主任钱志鸿说。

  由于界面张力的作用，表面活性剂会有一部分吸附在岩石孔隙口。因此，科研人员又想方设法降低其界面张力，使驱油液能够“钻进”孔隙内部，增强洗油效果。

  经过多次实验，科研人员认为，改变分子间力的作用方式，采用离子型和非离子型分子构型及组对改性等手段，可大幅度降低吸附程度，将驱油体系的油水界面张力降低1~2个数量级。这就意味着，纳米乳液可快速使油膜从岩石表面剥离，驱出来更多隐藏在孔隙深处的原油。

  同时，科研人员还在纳米乳液中引入“锁水、携油”功能。进入地层后，纳米乳液通过亲水基团束缚水分子，给水分子绑上“沙袋”，让水跑得慢；通过亲油基团携带油，给油分子加上“引擎”，让油跑得快，从而减少水窜。

  为达到更好的驱油目的，科研人员创新思路，将纳米乳液直径降到70纳米，相当于头发丝的千分之一，可进入更多纳米、微米级的孔隙中，大幅扩大驱油剂的波及体积。

  石5块是典型的低孔低渗油藏，平均渗透率仅为7毫达西。石5-5井组在纳米乳液注入前，采油速度仅0.38%。技术人员根据基岩低渗、压裂缝水窜的双重渗流特点，有针对性地采用“调+驱”的工艺设计，延长了乳液的作用时间。目前，该井组日增油2.1吨。

  室内实验显示，通过大幅增强分子活力，纳米乳液洗油效率较水驱提高14个百分点以上。为方便现场使用，院厂通过配合，在配套工艺上开发了低成本在线注入，形成了模块化、橇装化、标准化、智能化的“四化”注入模式，以及调、驱、洗一体化全生命周期注入工艺，实现了现场快速、精确注入，有效保证了驱油效果。

  近日，江苏油田工程院还在纳米乳液体系的基础上强化渗吸置换原油能力，开发形成了适应致密、非常规储层的渗吸洗油剂，已在现场应用并取得良好反馈，进一步拓宽了纳米乳液系列技术的应用范围。

  经过几十年的开发，胜利油区面临注采压力体系不平衡、层间距小、固井后管外油水窜流严重等挑战，常用的补救措施效果差、费用高。而固井过程中所使用的水泥属于脆性材料，在井下温度、压力、酸化等复杂条件影响下，易产生微裂缝与微环隙，导致水泥石完整性被破坏，严重影响油气井产能、寿命和生产安全。同时，致密性油藏、全井套管大型压裂、薄隔层、密集层位的多炮眼开采方式等也对水泥环完整性提出了更高要求。

  为此，胜利石油工程固井技术服务中心自主研发了纳米高致密防窜水泥浆体系，采用水泥与新组分活性矿物颗粒级配，在水泥浆体系中加入粒径更小的纳米级颗粒材料起到填充作用，能有效提高水泥石的致密度、抗渗性、抗腐蚀性和抗射孔冲击能力，降低渗透率，有利于改善水泥环与套管、地层的界面胶结，保证水泥环的完整性。

  为进一步提高井筒完整性、保护套管、延长油气井寿命，固井技术服务中心针对胜利油田规模效益稳产需求，采用接枝剂对二氧化硅纳米颗粒进行表面改性，并通过专业仪器对改性二氧化硅纳米颗粒的化学组成、粒径分布、分散稳定性、水泥水化放热等进行表征分析，解决了纳米级增强剂的团聚问题。经过水泥浆体系配伍试验验证，在不降低材料原始性能的前提下，该中心形成了兼具高致密性、高强度、耐腐蚀的固井水泥浆体系，可满足大型压裂、层间封隔、高压防窜等不同井况的要求，对于高压层、密集型层位、薄隔层等油藏类型固井质量提升效果明显。截至目前，该体系已在胜利油区现场应用451井次，固井二界面质量提高了30.7%。

  梁115-斜1井是胜利油田纯梁采油厂部署的一口油藏评价井，完钻井深3628米，钻进至2983米时发生油气侵、3375米时发现沥青层，完钻时钻井液密度1.68克/立方厘米，油气活跃，固井质量难以保证。应用高致密纳米防窜水泥浆体系后，该井比同区块固井二界面质量提升了60%。牛871区块的4口井应用该体系后，压裂投产至今含水率均处于较低水平，首月累计产油406吨，开发效果明显。

  现代材料科学的不断进步，推动着石油工具向着信息化、智能化、精细化方向发展，可溶材料在油气钻完井中的成功应用就是重要体现之一。可溶材料是一种在特定环境中通过物理化学反应或生物同化作用，在一定时间内可实现自行降解，甚至完全消失的多相复合材料，主要包括可溶金属和可溶聚合物。

  以铝镁合金为代表的可溶金属材料具有稳定的力学特性和良好的机械加工性能，能在生产结束后快速分解，在油气开采过程中起到及其重要的作用。哈里伯顿、斯伦贝谢、威德福等油田技术服务公司纷纷投入大量资金对井下工具用可溶性材料进行研究，相继研发可溶金属压裂球、可溶桥塞等产品并成功开展了现场应用。

  斯伦贝谢Frac-Ball可溶性球是一种铝基合金压裂球，密度约为2.6克/立方厘米，溶解速率主要受井内浸泡液体温度影响，如在水基流体或瓜胶凝胶体系环境、120摄氏度条件下，能承受70兆帕压差，稳压至少8小时，3～5天可实现完全溶解。贝克休斯SPECTRE可溶桥塞是一种金属复合材料桥塞，桥塞本体由高强度的电解纳米金属材料制成，压裂时耐压性能稳定，暴露于返排液后溶解性能优良，溶解速率受返排液盐度和温度影响。桥塞溶解后本体完全消失，胶筒和卡瓦涂层呈细小碎片，可返排出井筒。中国石化石油工程技术研究院、石油工程公司、华鼎鸿基等均开展了可溶桥塞的研究，百勤石油、一龙石油等油服公司也通过引进国外技术进行国产化自主开发，研制的可溶桥塞均在现场进行了一定规模的推广应用。

  目前，可溶压裂球及可溶桥塞技术已经比较成熟，适用于多种井下环境，与不同的完井工艺相结合，工作性能稳定，溶解速率可调可控。但是，基于镁铝合金的可溶桥塞受井筒温度、矿化度、井眼轨迹及焖井时长等影响，大多会出现溶解不彻底的现象，压后放喷时往往会堵塞井筒或者放喷油嘴，增加现场处理费用，而未完全溶解的金属粉末残留物也会造成井筒堵塞。

  可溶高分子材料是一种绿色、轻质的生物聚合物，广泛应用于农业、建筑、医药卫生、环境保护及石油化工等方面。可溶树脂具有很高的强度和硬度，能满足压裂球的使用性能。贝克休斯最早提出了用可溶树脂制备可溶工具的构想，但由于使用时需要特殊介质而受限，未得到广泛推广。可溶橡胶是一种采用传统聚合物为基体改性制造的可降解弹性体，能实现吸水降解，而且随着井下地层温度升高，降解作用会进一步增强。这种橡胶材料实现了在井筒流体中可控降解，并能保持较高的弹性和强度，主要制成胶筒，用于酸化压裂及完井修井用的裸眼封隔器中，坐封后能有效保证封隔器的密封性能，后期可根据需要将其完全溶解，去除管柱卡点，提高修井作业质量。

  随着绿色化学品进一步发展，清洁、环境友好、对地层伤害小的绿色环保材料越来越受到青睐，也是未来发展的一个重要方向。以PGA为代表的高分子材料通过改性调控材料强度、降解速率，具有接近镁铝合金的强度和力学性能，在液体环境及一定温度条件下发生水解反应，最终降解为二氧化碳和水，可满足油气田现场应用需求。目前，PGA暂堵剂、暂堵球已应用于多级暂堵压裂技术中，可实现对储层的均匀充分改造，解决现有暂堵球（剂）密度高、有残留、降低地层渗透率的问题。

  石油工程领域对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隔热和相变微胶囊吸热不升温的特点，将二者多层复合使用作为隔热材料，可进一步提高隔热性能，而且二者单层最薄为两毫米，能实现薄且隔热。选用气凝胶-相变微胶囊复合材料，无须改变原有工件结构，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。

  自愈合聚合材料是一类能够进行自我修复的新材料，有助于延长井下工具、设备材料的寿命，以及提高安全性。其原理是，一旦包含某种自愈合聚合材料微粒的物质出现了破损，这些微容器便会破裂，释放出愈合剂。愈合剂一般是相应的未经硫化的聚合物，会渗入破损处，发挥聚合作用，修复破损区域。目前，自愈合材料已开始在油田应用，斯伦贝谢研发了可自动愈合水泥环中微小裂缝的水泥体系。该体系的泵入和充填方式与普通水泥相同，体系中的一些成分在接触油气之前一直处于休眠状态，与油气接触后会被激活，使水泥环在数小时内不经人工干预便自动愈合。这一特性会在水泥固化后避免许多不利情况，如套管外层间流体的窜流、持续的井口套压、表层套管泄漏及交叉流动等。

  可膨胀聚合物被用于膨胀式封隔器，用来进行层间封隔和井筒控水。在层间封隔应用中，先将一系列未经膨胀的油敏型封隔器下入井中，遇到油后，这些封隔器便会膨胀，从而封隔住地层，形成相互隔离的层段。控水应用时，要在井内下入一个未经膨胀的水敏型聚合物封隔器，当水侵入井筒时，封隔器便会发生膨胀封住井筒，由此减少涌入的水量，提高油气产量。膨胀式封隔器一般成本较低，没有活动的部件，并且不需要机械或液压传动装置，与常规封隔器相比具有明显优势。