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納米技術展望 與在石油工業(yè)中的應用,1,目 錄,一、納米技術概況 二、納米技術的應用 三、納米技術在石油工業(yè)上的應用前 景預測 四、納米技術在油田上的研究與應用,2,一、納米技術概況,愛因斯坦預言： 未來科學的發(fā)展無非是 繼續(xù)向宏觀世界和微觀世界進軍。,3,定義 納米是一個長度單位，把 10-9 m 的長度定為 1 nanometer . 納米科技 是指在納米尺度上研究物質的特性和相互作用，以及利用這些特性的科學和技術.,4,納米(Nanometer),數(shù)千納米 (生物細胞,如紅細胞),百萬納米 (大頭針頭),數(shù)十億納米 (2米高為 20億納米 ),納米尺度 10個氫原子為1納米 DNA分子約為2.5納米,小于1納米 (原子的直徑為十分之幾納米),5,什么是納米技術？ 納米技術是在納米尺度內 通過對原子、分子的操縱 通過對物質反應、傳輸和轉變的控制 ? 實現(xiàn)創(chuàng)造新的材料、器件 ? 充分利用它們的特殊的性能,6,納米技術—新工業(yè)革命的主導技術 納米技術是21世紀科技發(fā)展的制高點,是新工業(yè)革命的主導技術。,7,8,中國占 多少份額,9,投資情況 1997年 2000年 美國 1.93 4.98 日本 1.98 4.2 德國 1.91 3.7 印度：加大投入發(fā)展納米產業(yè) 單位：億美元,10,名人預測 喬納森.斯彭斯--美國耶魯大學中國現(xiàn)代史教授 中國在21世紀魔術般的成為超級先進國家， 納米技術是可選擇的重要途徑。 羅雷爾--諾貝爾物理獎獲得者 七十年度重視微米技術的國家都已成為發(fā)達國家， 現(xiàn)在重視納米技術的國家有可能成為下一世紀的 先進國家,11,環(huán) 境 納米技術能消除水中小于200納米和空氣中 小于20納米的污染物。 環(huán)境探測器 納米結構反應器,12,拉 脹 基 元 國內拉脹材料的研究現(xiàn)狀： 北京大學（合成、復合） 洛陽工學院（復合） 鄭州大學（合成） 成都科技大學（共混）,13,拉脹基元的分子設計 σxy= –0.4492 σyx= –0.0731 σxz= – 0.0009 σzx= –0.0042 σyz= 0.0096 σzy= 0.2835,14,近期可能的突破： 1.基于“拉脹基元”概念合成的拉脹聚合物 2.拉脹性分子復合材料（拉脹基元+非拉 脹聚合物）,15,拉張材料研究 北大、鄭大等,16,2.國外納米技術的研究水平,1959年查德·費曼提提出分子、原子基礎上加工材料。 80－90年代STM掃描隧道、ATM原子顯微鏡的出現(xiàn)為納米的研究提供了最直觀的手段，加速了納米技術的研究和發(fā)展。,17,◆美國在納米結構組裝體系，高比表面納米顆粒制備與合成、納米生物學方面均處于領先地位。 ◆歐洲主要在納米器件、納米儀器、陶瓷和其它結構材料方面的研究中處于領先。日本在納米復合材料方面具有優(yōu)勢。 ◆美國在納米技術研究開發(fā)上每年投入5億美元，參與該計劃研究的有國防、能源、航天等有關部門。現(xiàn)在，歐、日都建立了各自的研究中心開展納米技術的研究。,18,我國每年投入納米技術的經費約700萬美元，主要集中在納米材料的合成與制備方面。盡管在納米碳管、材料方面都取得了很大的成績，但與歐美、 日在納米器件的研究方面差距很大。,3.國內納米技術的現(xiàn)狀,19,4.納米科技涉及的領域 ①納米材料 ②納米器件 ③納米結構的檢測與表征,20,納米技術的研究，通過改變微觀世界的結構從而使宏觀表現(xiàn)出不同的特性，利用這些特性，應用于工業(yè)、農業(yè)、電子、軍事、醫(yī)學等領域、制造出特殊功能的產品為人類服務，納米技術將對當今世界的科技發(fā)展帶來革命性的飛躍。,5.納米技術的意義,21,,二、納米技術的應用,民用:超小型高速計算機、民用建筑材料、納米醫(yī)學等研究方面都有廣闊的應用前景。 工業(yè):納米陶瓷發(fā)動機、納米液體磁性密封材料等方面等在工業(yè)上應用廣泛。 軍事:隱形飛機、麻雀衛(wèi)星、針尖炸彈、“蒼蠅”飛機、“螞蟻士兵”,22,納米技術三大關鍵,納米技術的應用進展取決于以下三個關鍵技術的突破 ⑴超精度納米檢測與加工方法 ⑵納米材料 ⑶納米電機系統(tǒng),23,三、納米技術在石油工業(yè)上的應用前景預測,1.在壓裂技術方面的應用 ◆ 降低摩阻 通過納米材料改進壓裂液性能，使流體內摩阻大大降低，提高泵的實際排量，壓裂出更長更寬的裂縫，提高壓裂措施的有效率和增產幅度。 ◆ 改變壓裂液的剪切性－粘度關系 若納米材料加入壓裂液中，使壓裂液剪切粘度性能指標變好，則可在相同地面粘度下提高砂比。,24,◆改變支撐劑的性能 好的支撐劑應具有高彈性、高粘度、低破碎率和低密度。 通過納米材料的應用，改變分子內部相互之間的性質，若使支撐劑密度降低到1左右，可采用清水或鹽水壓裂，可大大降低壓裂液對地層的傷害并降低壓裂成本。,25,目前支撐劑陶粒主要成分為Al2O3、SiO2、Fe2O3、 TiO2，通過納米材料對其結構性能改善，提高強度降低破碎率，可以提高支撐裂縫導流能力，并延長支撐裂縫的有效期。目前納米材料在陶瓷性能改善上已取得了很大進展，支撐劑成份與陶瓷成份相似，通過納米技術改善支撐劑的性能是完全可行的。,26,2.在石油管道防腐上的應用,設備與容器的腐蝕都是從點蝕開始的，納米材料具有超細結構，可以均勻滲透到防腐設備的每個細微之處。因此我們可以利用納米材料的超精細性能，在石油管道、設備、容器上形成一層致密的防腐膜，起到有效防腐的作用。,27,利用納米材料的雙疏性，把雙疏納米材料均勻處理分散到機采設備等的表面，這樣可使其既不粘油又不粘水，減少每次作業(yè)對管柱設備的清洗工作量，達到機采設備的自清洗，同時也可以利用這種特性制出免清洗作業(yè)服。目前已經制造出了自清潔領帶和自清潔瓷磚。,3.管、桿、泵、容器及機采設備自清潔,28,在輸水管道內涂上疏水納米材料，可大大降低水流阻力，同樣在輸送高粘稠油管道內壁上的疏油納米材料，可減少油流粘滯阻力，降低摩阻，減小輸送壓力，因此納米材料這些性質在管道流體輸送方面有著重要應用價值。,4.在管道流體輸送方面的應用,29,5.在聯(lián)合站油水分離方面的應用,目前聯(lián)合站的油水分離是采用機械物理與化學破乳劑破乳相結合的方法進行油水分離的，由于破乳劑性能受油水性質影響較大，有時不能穩(wěn)定有效地分離油水，造成分離效果差，若利用納米的超界面性質，進行油水分離技術研究，可能取得意想不到的效果。,30,6.用納米材料改善提高油田常用橡膠件性能,目前油田常用橡膠件普遍存在耐溫性差，易老化等問題，通過納米材料的改性，提高橡膠件的質量，特別對封隔器膠筒既要有硬度和彈性，又要具有耐溫、耐油的特點。,31,7．在油田污水凈化處理方面的應用,可利用納米材料的高比表面的性質，對污水進行快速有效的凈化處理。,32,8. 在石油化工煉制中的應用,◆ 催化劑是石油化工煉制中最重要的添加劑，它有三方的作用： ⑴ 提高反映速度，增加反應效率 ⑵ 決定反應路徑，有優(yōu)良的選擇性 ⑶ 降低反應溫度,33,由于納米顆粒尺寸小，表面所占的百分比大，表面的鍵態(tài)和電子態(tài)與顆粒內部不同，表面原子配伍不全等導致表面的活性位置增加，這就使它具有了 作為催化劑的基本條件。納米粒子的表面形態(tài)研究指出粒徑越小，表面光華度變越差，形成了凸凹不平的原子臺階，增加了化學反應的接觸面，在石油化工上通過使用新型的納米催化劑，可降低反應條件并有利于合成新的化學物質。,34,9.納米技術在提高采收率方面的前景,◆ 作為添加劑極大改善調剖堵水劑的性能 ◆ 在三次采油中，改變聚合物性能，發(fā)揮表界面活性作用提高采收率。 ◆ 遠景設想制成納米工業(yè)機器人，進入油層去采油。,35,四、納米技術在油田礦場研究應用,我們研制出了一種粉體納米二氧化硅，顆粒直徑在10－30nm，比表面在640－900㎡/g，這種納米級的粉體具有超強的疏水性質，利用這些性質，用于油水井增產增注中。,36,㈠ 室內試驗部分,⑴ 對SiO2表面的性質改變研究： 砂巖的組成以SiO2 為主，一般砂巖中SiO2 含量在80％左右。為了便于實驗，以玻璃代替砂巖進行實驗，測定表面潤濕性變化，發(fā)現(xiàn)經過納米材料處理后潤濕性發(fā)生了很大變化。潤濕性變化如演示所示。 （演示） 可以看出：潤濕角 39.0°轉變?yōu)?40°，表面潤濕性由親水轉變?yōu)樵魉?37,⑵ 下圖是1mm和0.5mm兩組毛細玻璃管進行毛細現(xiàn)象的對比實驗。 （演示） 從實驗中可以發(fā)現(xiàn)，處理后的毛細管力變?yōu)樗髯枇?，因此可以將上述原理用于油井堵水?38,㈡ 動態(tài)實驗,人造砂巖巖心在不同驅替驅替液滲透率變化曲線,,39,㈢ 現(xiàn)場應用,◆ 油井堵水 堵水原理 納米粉體材料可以破解油水膜，擴大滲流通道，另一方面吸附在孔喉表面的粉體可以對水的流動產生毛細管阻力，從而起到堵水作用。 堵水井例 樁11井油井堵水，措施前日產液33.5m3，含水98.5％，日產油0.5t，2000.10.8采用粉體納米二氧化硅材料進行堵水施工，措施后日產液日產液30.6m3，含水78.6％，日產油6.5t，截至目前，該井日產液28.1m3，含水89％，日產油3.0t，堵水效果顯著。,40,◆ 水井增注 增注原理 納米粉體材料可以破解喉道水膜，增大滲流通道，從而起到增注的作用。 增注井例 W92-113井屬文東油田鹽上開發(fā)單元，注水層位S3上5，3075.1-3098.0m,在36.2MPa注水壓力下日注水32 m3/d。 2001.4.1采用粉體納米二氧化硅材料進行增注施工，措施后注水壓力36.2MPa降至35.9MPa，日注水量由47 m3/d升至113 m3/d；在注水壓力下降0.3MPa的情況下，日增注66 m3/d。增注效果明顯。,41,匯報完畢 謝謝！,歡迎納米專家把最新技術應用于油田開發(fā),42,