1 概 述

    進(jìn)入21 世紀(jì)以來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，全球能源需求不斷增長(zhǎng)。為了滿足能源需求，世界各國(guó)大力開(kāi)發(fā)石油和天然氣。這促進(jìn)了全球石油工程技術(shù)的進(jìn)步。從近年石油工程技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)可以看出，相關(guān)學(xué)科發(fā)展對(duì)石油工程技術(shù)促動(dòng)作用日益受到重視。無(wú)論是石油工程技術(shù)的智能化、實(shí)時(shí)化、自動(dòng)化，還是非常規(guī)油氣、深水油氣以及地?zé)岬刃履茉吹馗咝ч_(kāi)發(fā)，交叉學(xué)科的特點(diǎn)日益凸顯，許多其他領(lǐng)域的新技術(shù)被改造和移植運(yùn)用于油氣及新能源勘探開(kāi)發(fā)，并見(jiàn)到良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。正是基于這些認(rèn)識(shí)，國(guó)際知名的油公司和服務(wù)公司都通過(guò)與研究機(jī)構(gòu)合作或組織專門的技術(shù)人員對(duì)非油氣領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行跟蹤研究和評(píng)估，積極儲(chǔ)備新一代石油工程新技術(shù)。

    2 近年石油工程技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)

    2.1 智能化、實(shí)時(shí)化、自動(dòng)化是主要趨勢(shì)

     目前，國(guó)際石油工程技術(shù)總體呈現(xiàn)智能化、實(shí)時(shí)化和自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)，特別是智能化將主導(dǎo)石油工程技術(shù)的發(fā)展。高性能的機(jī)、電、液一體化技術(shù)促進(jìn)石油鉆機(jī)的功能進(jìn)一步完善，大量增加自動(dòng)化工具儀器，采用智能信息技術(shù)，減輕鉆井操作者勞動(dòng)強(qiáng)度，為提高勞動(dòng)生產(chǎn)率創(chuàng)造了良好的條件。地質(zhì)導(dǎo)向和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)大幅提高了儲(chǔ)層鉆遇率，也為井下閉環(huán)控制奠定了基礎(chǔ)。依托隨鉆測(cè)井和隨鉆地震技術(shù)的無(wú)風(fēng)險(xiǎn)鉆井技術(shù)（NDS），實(shí)現(xiàn)了窄密度窗口復(fù)雜壓力條件下優(yōu)快安全鉆井的目的。欠平衡鉆井技術(shù)朝精確控制井筒壓力方向發(fā)展，提出了多技術(shù)一體化管理鉆井理念，解決井漏、井塌等鉆井復(fù)雜問(wèn)題，大幅度提高鉆井速度，降低鉆井成本。智能完井技術(shù)通過(guò)對(duì)水平段或各分支進(jìn)行分段完井，封隔異常壓力及異相層位，延緩底水錐進(jìn)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)層位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，在出水、出砂后準(zhǔn)確確定層段，改進(jìn)油藏開(kāi)發(fā)管理模式，實(shí)現(xiàn)油藏開(kāi)發(fā)的合理有序。

    2.2 相關(guān)學(xué)科發(fā)展對(duì)石油工程技術(shù)促動(dòng)明顯

    石油工業(yè)的每一次大進(jìn)步都是將當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的新理論、新方法、新材料、新裝備引入的結(jié)果。全球主要的石油公司和技術(shù)服務(wù)公司都在進(jìn)行納米材料技術(shù)的研究，并極大地促進(jìn)了井筒及注入流體、納米材料反應(yīng)劑、井下工具及管材表面處理技術(shù)的發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的應(yīng)用，為各個(gè)作業(yè)單元的智能互聯(lián)、遠(yuǎn)程檢測(cè)與控制提供了實(shí)現(xiàn)手段。同時(shí)，仿生學(xué)、微生物學(xué)、化學(xué)、高能物理等領(lǐng)域的研究成果，為新一代建井技術(shù)，以及微型化、反應(yīng)型智能載體技術(shù)的研發(fā)提供了有益的借鑒。

    3 新材料在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用

    3.1 氣凝膠-相變微膠囊復(fù)合隔熱材料

    新型隔熱材料，特別是氣凝膠-相變微膠囊復(fù)合材料因其良好的耐熱性能和相對(duì)較小的空間占用率，屬于柔性材料，在航空航天領(lǐng)域取得了良好的應(yīng)用效果。

    3.1.1 基本技術(shù)原理

    二氧化硅氣凝膠是由納米級(jí)二氧化硅微粒相互連結(jié)而成的具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的一種納米多孔材料，其所含基本粒子和孔的直徑均在納米級(jí)， 具有極低的熱導(dǎo)率， 是一種新型輕質(zhì)保溫隔熱的理想材料。雖然具有優(yōu)異的隔熱特性，但是長(zhǎng)時(shí)間高溫使用時(shí)，仍會(huì)有熱累積效應(yīng)，導(dǎo)致內(nèi)部器件溫度升高。相變微膠囊材料是利用微膠囊化技術(shù)使化學(xué)惰性的外殼材料包裹于固-液相變材料微球外面，形成一種復(fù)合相變材料。通過(guò)相變微膠囊材料的核殼化，能夠克服相變微膠囊易于相分離、泄漏以及腐蝕性等問(wèn)題，有效改善了相變材料的應(yīng)用局限性。因在相變過(guò)程中能夠吸收和釋放大量的熱量，相變材料主要用于溫度控制領(lǐng)域，而通過(guò)將相變材料微膠囊化，使得應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)寬到熱防護(hù)等方面，具有更廣闊的應(yīng)用前景。通過(guò)將氣凝膠和相變微膠囊同時(shí)使用得到復(fù)合隔熱材料，能夠很好地保護(hù)內(nèi)部需要隔熱保護(hù)的器件。這一復(fù)合材料已應(yīng)用于導(dǎo)彈導(dǎo)流罩內(nèi)的隔熱層，保護(hù)導(dǎo)彈頭部的雷達(dá)等精密設(shè)備。

    3.1.2 氣凝膠復(fù)合隔熱材料的特點(diǎn)

    氣凝膠是一種分散介質(zhì)為氣體的凝膠材料，是由膠體粒子或高聚物相互聚積構(gòu)成的一種具有互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的納米多孔性固體材料。該材料內(nèi)部孔隙的尺寸在納米數(shù)量級(jí)，孔隙率高達(dá)80%~99.8%，孔隙的典型直徑為1~100nm，比表面積為200~1 000m2/g，密度可低至3 kg/m3，室溫導(dǎo)熱系數(shù)低至0.012W/（m·K）。二氧化硅氣凝膠是目前技術(shù)最成熟、工程化應(yīng)用最廣泛的氣凝膠材料，因其極低的導(dǎo)熱系數(shù)被稱之為超級(jí)絕熱材料。相變微膠囊，常溫下為白色粉末，平均粒徑0.5~20 μm，一般采用正二十烷等作為芯材，其裝載率可達(dá)70%以上。相變溫度可按需調(diào)節(jié)，相變熱達(dá)到160 J/g 以上，耐熱溫度可達(dá)150 ℃，若采用雙層壁材耐熱溫度可達(dá)到180 ℃以上。相變微膠囊在相變過(guò)程中能吸收和釋放巨大潛熱，而相變過(guò)程中溫度幾乎保持不變，即相變材料具有能量?jī)?chǔ)存和溫度控制功能。

    3.1.3 氣凝膠-相變微膠囊復(fù)合隔熱材料在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用前景

    在石油工程領(lǐng)域?qū)τ诟魺岵牧系囊笤絹?lái)越高，特別是深井、超深井和地?zé)峋你@井過(guò)程中，各種隨鉆測(cè)量電子設(shè)備均需要隔熱保護(hù)。但同時(shí)，井下設(shè)備受作業(yè)空間小的限制，無(wú)法通過(guò)增加隔熱層厚度的方法進(jìn)一步提高隔熱性能。氣凝膠-相變微膠囊復(fù)合材料，結(jié)合了氣凝膠的隔熱和相變微膠囊的吸熱不升溫的特點(diǎn)，將二者多層復(fù)合使用作為隔熱材料，進(jìn)一步提高隔熱性能，同時(shí)二者單層最薄均可達(dá)到2 mm，能夠?qū)崿F(xiàn)薄而隔熱。選用氣凝膠-相變微膠囊復(fù)合材料，無(wú)需改變?cè)泄ぜY(jié)構(gòu)，可通過(guò)傳統(tǒng)工藝，直接用于蒸汽管線保溫、地?zé)峁芫€保溫層；還可以制成特殊形狀，用于保護(hù)井下控制器件免受地層高溫影響。

    3.2 功能梯度材料

    功能梯度材料能夠同時(shí)具有兩種材料的特性，內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般實(shí)現(xiàn)兩種材料的梯度變化，最初應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域中的極端條件下。功能梯度材料的形態(tài)也從顆粒狀粉末擴(kuò)大到薄膜、纖維、泡沫等。通過(guò)使用功能梯度材料，能夠大量減少開(kāi)發(fā)全新材料的時(shí)間和成本。

    3.2.1 基本技術(shù)原理

    功能梯度材料（Functionally Graded Materials，以下簡(jiǎn)稱FGM）是為了適應(yīng)功能材料在航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域的需要，滿足在外太空等極限環(huán)境下能夠持續(xù)正常工作而研發(fā)的一種復(fù)合功能材料。FGM是指由多種材料復(fù)合組成，材料的某一項(xiàng)性能或者多項(xiàng)性能沿某一方向（一般為厚度方向）連續(xù)梯度變化的復(fù)合材料。

    3.2.2 功能梯度材料的特點(diǎn)

    FGM 由兩種或多種材料組成，組分、結(jié)構(gòu)均呈連續(xù)梯度。它要求功能、性能隨內(nèi)部位置的變化而變化，實(shí)現(xiàn)功能梯度的材料。FGM 與混雜材料、復(fù)合材料在設(shè)計(jì)思想、組織結(jié)構(gòu)、宏觀組成等方面有本質(zhì)不同，具體如表1 所示。

    3.2.3 功能梯度材料在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用前景

    通過(guò)調(diào)節(jié)梯度材料的結(jié)構(gòu)、組成、配比等，能夠制備硬度更高、抗磨蝕性能更好的材料，可用于制造超強(qiáng)鉆頭，提高鉆頭硬度和耐磨性能；可用于鉆桿節(jié)頭耐磨處理，提高使用壽命和潤(rùn)滑性；可用于泥漿泵缸套、抽油泵活塞等易磨損部位的耐磨處理；可用于射孔彈表面設(shè)計(jì)，提高射孔彈性能，通過(guò)延長(zhǎng)壽命，降低成本。

    3.3 自愈合聚合物材料

    3.3.1 基本技術(shù)原理

    聚合物材料在長(zhǎng)期使用過(guò)程中極易受到外力、熱和光、化學(xué)腐蝕等的作用，形成細(xì)小裂紋，從而影響其使用壽命。為了提高聚合物材料的長(zhǎng)期使用穩(wěn)定性，需要修復(fù)聚合物材料當(dāng)中形成裂紋，使材料的力學(xué)性能得到恢復(fù)。傳統(tǒng)的修復(fù)方法無(wú)法對(duì)其內(nèi)部的微裂紋進(jìn)行修復(fù)，因此提出了自愈合聚合物概念，即利用材料的自我感知能力，對(duì)材料中的微裂紋產(chǎn)生響應(yīng)，進(jìn)而引發(fā)自我修復(fù)，延長(zhǎng)使用壽命。對(duì)于聚合物材料的自愈合，通常是將愈合劑用某種方式埋植在聚合物基質(zhì)中，當(dāng)聚合物材料產(chǎn)生破裂時(shí)愈合劑流出，修復(fù)裂紋；或者利用聚合物與單體之間的可逆反應(yīng)，或通過(guò)加熱、光、電磁等引發(fā)單體聚合生成聚合物以修復(fù)裂紋。按照不同的修復(fù)方法，現(xiàn)有自愈合聚合物主要分為微膠囊法、空芯纖維法、仿人體毛細(xì)血管叢法等。其中，毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和微膠囊以及液芯纖維比起來(lái)具有較大的優(yōu)勢(shì)，基體內(nèi)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠?qū)Σ牧媳旧砥鸬綇?qiáng)韌的作用， 并且毛細(xì)管內(nèi)源源不斷的修復(fù)劑能夠起到對(duì)材料多次修復(fù)的作用， 這將使毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)成為自愈合聚合物復(fù)合材料的首選， 并將成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

    3.3.2 技術(shù)特點(diǎn)

    自愈合聚合物的特點(diǎn)在于其自我修復(fù)特性。該材料能夠修復(fù)材料內(nèi)部出現(xiàn)的微裂紋。一般需要外接條件（熱、電磁等）引發(fā)催化劑和修復(fù)劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

    3.3.3 自愈合聚合物材料在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用前景

    自愈合聚合物屬于功能聚合物中的一種，能夠根據(jù)環(huán)境變化（裂痕、酸堿度等）做出反應(yīng)，已經(jīng)作為醫(yī)用植入材料、建筑修補(bǔ)材料等得到應(yīng)用。在石油工程領(lǐng)域可實(shí)現(xiàn)兩大類應(yīng)用。一是作為井下流體的化學(xué)添加劑，可用于自愈合固井水泥、自愈合封堵材料、自反應(yīng)鉆井液等，根據(jù)井下條件的變化發(fā)生反應(yīng)或者變形，從而實(shí)現(xiàn)凝固或者封堵作用。二是作為封隔器等工件的構(gòu)成材料，不但能通過(guò)自愈合反應(yīng)增加自膨脹封隔器的強(qiáng)度和使用壽命，而且能夠根據(jù)不同井段環(huán)境膨脹或者收縮實(shí)現(xiàn)智能封堵。

    4 結(jié) 論

    通過(guò)原理分析、信息映射、應(yīng)用環(huán)境對(duì)比等手段，把相關(guān)學(xué)科成熟的知識(shí)、技術(shù)和方法應(yīng)用到石油工程領(lǐng)域，已經(jīng)成為技術(shù)創(chuàng)新的一種主要手段。許多其他領(lǐng)域的新技術(shù)被改造和移植運(yùn)用于油氣及新能源勘探開(kāi)發(fā)，并見(jiàn)到良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。因此，國(guó)內(nèi)外油公司和技術(shù)服務(wù)公司都非常重視相關(guān)學(xué)科的技術(shù)進(jìn)步。通過(guò)對(duì)技術(shù)進(jìn)行特征分析、成熟度分析、適用范圍分析等，得益于氣凝膠-相變微膠囊復(fù)合隔熱材料、功能梯度材料和自愈合聚合物各自具有的技術(shù)特點(diǎn)，完全能夠用于包覆材料、鉆井液處理劑、隔熱材料等，具有良好的應(yīng)用前景，需進(jìn)一步結(jié)合石油工程領(lǐng)域的技術(shù)需求進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)。