碳纳米管在提高采收率方面的应用

马海程，宋景杨

（东北石油大学 提高采收率教育部重点实验室，黑龙江大庆 163318）

碳纳米管在提高采收率方面的应用

马海程，宋景杨

（东北石油大学 提高采收率教育部重点实验室，黑龙江大庆 163318）

开发了一种以CNT橡胶为基础，复合而成的新型密封性材料，它可以用于在深储层和热储层中生产原油。充分的分散和更好的键结是提高其力学性质的两个关键性因素。作者解决了关键性的问题并使用实验数据阐明了纳米网络加固的机制。得到的密封方案在世界范围内经历了现场测试，它标志着纳米技术在油田上应用的成功。

CNT橡胶；纳米技术；提高采收率

烃类，如石油和天然气，是人类社会发展的关键资源。现如今，由于容易开采的储层日益减少，石油与天然气工业不得不在更加难以触及的储层和恶劣的环境下进行勘探和开发。开发这些新储层的关键问题包括高温、高压和与此相关的密封问题[1-4]。本论文阐述了一个重要的成就：将纳米技术引入密封方案中，以能够在恶劣的储层环境下萃取烃类。最近的纳米技术已经能够使橡胶复合材料与多壁碳纳米管（MWNT）相结合，生产能够符合密封方案的材料。本文阐述了纳米技术，包括其机制、能够带来的根本上的改变以及在能够允许在恶劣的储层环境和高温下新的密封方案发展的材料的性质上的显著提高。

目的和方法

1 应用目标

大多数传统的密封技术将操作条件限制在175℃和140MPa下，这种操作条件只能允许在非典型的浅储层中进行开采。为了在更深更热的储层中采收石油和天然气，工业上需要更可靠的密封方案，这种方案要有能承受超过260℃和240MPa的能力。在当前的技术下，世界范围内石油与天然气的采收率大约为35%[5]。这就意味着在传统的技术下，还有65%的探明储量不能够被开采。通过创新和新技术的发展，采收率有可能提升到35%到70%甚至更多，这意味着油和气的采收率有潜力翻倍。高压高温（HPHT）技术是进入更深更热的储层的关键。可靠的密封是在这些条件下操作的关键。另一个密封挑战来自位于近海和深海区域的储层。对于这样的区域的操作，密封必须在平均温度为4℃的冰冷的海底很好的被执行，同时还能在HPHT条件的储层中保持完整性。因此，密封技术的关键在于能够同时在高温和低温下进行处理。

了解密封材料的发展简史以及相关的局限性是有帮助的。氟橡胶（FKM）在1957年首先被DuPont提出并进行商业化推广，时至今日仍然在全世界被广泛使用。在接下来的半个世纪里，开发商制造了全氟橡胶（FFKM）以用作高温应用。FFKMs在高温下执行的很好，但是在低温下，例如0℃左右的环境温度下，它的性能就降低了。它们的价格也比FKM昂贵。出于这些原因，FFKM没有在油田得到广泛的应用，尤其是在一些冰冷的区域，例如加拿大，阿拉斯加，俄罗斯和挪威。

2 背景

Endo等人在1976年发现了碳纳米管并于1988年发明了大规模生产多壁碳纳米管（MWNT）的方法。从那时开始，使用MWNT来显著提高高聚合物材料的性能的一些努力已经被评估[6-7]。这些努力已经确定了两个严峻的挑战，分别是MWNT在聚合物基体中的分散和MWNT与聚合物基体之间的联结。为了解决这些关键性的问题，我们已经开发了两种关键性技术：cellulation均匀分布在MWNT中以及优化MWNT表面条件使其与基体最佳结合的处理过程。使用这两项技术，我们从MWNT和FKM橡胶中开发了一种新材料，这种新材料具有优异的密封性能。对新材料的测试在模拟的HPHT环境下进行，它的密封性能在世界很多领域都做过测试，包括北海，非洲，东南亚和墨西哥湾。在该研究中，测试证明MWNT-FKM复合材料在高温和低温下都具有优异的密封能力。

3 结果与讨论

对于高温应用，我们对材料的选择进行了限制，只选择那些玻璃转换温度较高的材料。这些材料在低温下的密封性能很差，在很多方面上的应用都有局限。我们评估了各种聚合物，然后选择了一种具有特殊用途的FKM，通过cellulation技术合成了MWNT-FKM复合材料。作为比较，我们给出了两个参考材料：Control-1，FKM；Control-2，FFKM。Control-1是在油田上广泛应用的密封材料。结果表明它的适用温度不能超过175℃。260℃下的FKM化合物的测量强度和伸长率都很低。Control-2是在高温下应用的商用材料。拉伸强度以及三种化合物的伸长率都和在25℃下差不多；然而，在260℃下却有很大差异。结果表明，新MWNT-FKM化合物对压缩性应用（cs）具有非常好的性质，比两种Control化合物接近低40%，因此比两种Control化合物都要好。CS性质对于密封寿命非常重要。新的MWNT-FKM复合物在260℃下还有很低的Tg值以及很高的拉伸强度性能。我们在各种材料参数上的改进已经导致各种密封复合物在应用上有了更广的温度域。另一方面，典型的FKM极限温度为175℃，它不能进入高温高压储层。在不久的将来，只有所提出的新复合物能够满足要求。

[1]M.L.Payne，P.D.PattilloII，R.A.Miller，C.K.Jonson，International Petroleum Technology Conference，IPTC，11463，2007.

Improve Application of Carbon Nanotubes in Terms of Recovery

Ma Hai-cheng，Song Jing-yang

Developed a rubber with CNT-based composite made of new sealing material，which can be used in the production of crude oil in the deep reservoir and heat reservoirs.Sufficient dispersion and better bonding are two key factors to improve its mechanical properties.OF solve critical issues and to use experimental data to clarify the mechanism of nano-network reinforcement.Sealing solutions obtained in the world has undergone field tests，it marks the success of nanotechnology in oilfield applications.

CNT rubber；nano technique；Enhanced oil recovery

TE357.4

A

1003–6490（2016）04–0179–01

2016–04–15

马海程（1990—），男，吉林扶余人，硕士在读，主要研究方向为提高稠油油藏采收率。