孫建孟, 李志琦, 趙鴻皓, 劉尊年

(1.中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 山東 青島 266580; 2.青島理工大學(xué)理學(xué)院, 山東 青島 266520)

0 引 言

納米技術(shù)(nanotechnology)是用單個原子、分子制造物質(zhì),研究結(jié)構(gòu)尺寸在1～100 nm材料的性質(zhì)和應(yīng)用的科學(xué)技術(shù)[1]。納米微粒是指尺寸介于1～100 nm的單質(zhì)或聚合物小粒子,由于其微小體積的特殊性,它們呈現(xiàn)出與宏觀物質(zhì)有所不同的獨特的電、磁、熱等性質(zhì)[2]。近40年內(nèi),納米科學(xué)融合物理學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等多個不同學(xué)科的理論基礎(chǔ),在信息、能源、微電子、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景。自20世紀90年代起,納米科學(xué)技術(shù)掀起研究熱潮,隨后快速發(fā)展、不斷成熟,逐漸被應(yīng)用于油氣資源勘探開發(fā)領(lǐng)域[3-5]。

納米技術(shù)被認為是21世紀創(chuàng)新發(fā)展的三大動力之一[3]。納米技術(shù)自20世紀60年代諾貝爾獎獲得者Richard Reynman提出以來,經(jīng)歷了近半個世紀的發(fā)展,廣泛運用于電子、材料、機械、化工、醫(yī)療等各個方面;自2000年逐漸拓展到石油勘探領(lǐng)域及測井方面,特別是2010年以來在改善鉆井液性能、表征測井參數(shù)等方面有了具體的應(yīng)用。

長期以來,石油工業(yè)側(cè)重于油藏的宏觀特征,為納米技術(shù)在石油領(lǐng)域交叉應(yīng)用提供了良好的發(fā)展空間[6]。伴隨納米技術(shù)在油氣資源領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展,納米表征、納米傳感、微納米多孔介質(zhì)中流體運移數(shù)值模擬及納米材料的廣泛應(yīng)用對開發(fā)非常規(guī)資源起到了良好的推動作用[3]。隨著油氣資源勘探的不斷深化,面對日趨復(fù)雜的儲層狀況,傳統(tǒng)測井技術(shù)呈現(xiàn)出微觀尺度上的局限性;同時受到高溫、高壓、地磁地電干擾等多種條件的制約。在傳統(tǒng)方法亟待發(fā)展的當(dāng)下,跨界尋求多學(xué)科交叉應(yīng)用成為測井技術(shù)發(fā)展的新趨勢,基于納米造影的測井技術(shù)因此有了更加廣闊的發(fā)展前景。

本文廣泛調(diào)研了納米技術(shù)在油田測井方面的研究現(xiàn)狀,闡述了納米技術(shù)特別是納米流體在測井方面應(yīng)用的不同階段,探討并展望了納米技術(shù)在識別低電阻率油層、精細表征測井參數(shù)、提升泥漿濾液性能改進油氣發(fā)現(xiàn)、納米材料改進裂縫檢測等方面的應(yīng)用前景。

1 納米技術(shù)在測井方面應(yīng)用發(fā)展階段

1.1 納米技術(shù)發(fā)展階段(1959—2000年)

1959年,Richard Feynman在美國物理學(xué)會年會上預(yù)言:如果可以在更小尺度上制備并控制材料的性質(zhì),將會打開一個嶄新的世界。這一預(yù)言被科學(xué)界視為納米技術(shù)萌芽的標志。1974年,Taniguchi首先將納米技術(shù)應(yīng)用于精細機械加工領(lǐng)域。20世紀70年代美國康奈爾大學(xué)C.G.Granqvist和R.A.Buhrman利用氣相凝集的手段制備了納米粒子,納米技術(shù)進入到了人工合成納米材料的階段。1982年,Gerd Bining和Heinrich Rohrer發(fā)明了研究納米的重要工具——掃描隧道顯微鏡(STM)。1989年德國Gleiter利用惰性氣體凝集的方法制備出納米粒子,從理論及性能上全面研究了相關(guān)材料的試樣,提出了納米晶體材料的概念。這一階段主要是室內(nèi)實驗室探索研究,通過人工合成制備納米材料,并對納米材料進行各方面特性評估,揭示其與傳統(tǒng)材料的差異性及特殊性能。

1990年7月,第一屆國際納米科學(xué)技術(shù)會議(NST)在美國巴爾的摩舉行,標志著納米技術(shù)的誕生,自此納米技術(shù)成為世界性熱點之一;同年,人們首次運用STM進行分子、原子級別的操作。1991年,碳納米管被發(fā)現(xiàn),為納米技術(shù)運用于材料、機械等領(lǐng)域打下了基礎(chǔ)。從1992年開始,世界納米材料會議分別在墨西哥、德國、美國夏威夷、瑞典舉行。1994年,第二屆NST會議在德國舉行,標志著納米技術(shù)已經(jīng)成為材料科學(xué)、凝聚態(tài)物理等領(lǐng)域的熱點。1995年Choi[7]提出了納米流體概念,討論了將納米粒子分散在基液中引起的熱導(dǎo)率變化。Lee等[8]利用瞬態(tài)熱絲法對氧化物納米流體進行了熱導(dǎo)率影響因素的研究,證明了熱導(dǎo)率與納米粒子大小、形狀、濃度等存在相關(guān)性。這一階段前人研究集中于如何對納米材料已經(jīng)展現(xiàn)出來的物理、化學(xué)等方面的特殊性能加以利用,并將其逐漸在材料、化學(xué)、物理學(xué)等各個領(lǐng)域進行推廣。

1.2 納米技術(shù)早期應(yīng)用階段(2000—2010年)

納米技術(shù)在2000年以后進入高速發(fā)展階段,并且隨著納米技術(shù)的成熟與完善,人們開始將納米科技運用于各個領(lǐng)域與實際生產(chǎn)中;通過導(dǎo)入納米粒子、配制納米流體、設(shè)計納米結(jié)構(gòu)、組裝納米體系,納米技術(shù)也開始運用到石油勘探開發(fā)領(lǐng)域及測井方向。Wang等[9]建立了膠態(tài)流體導(dǎo)電性方程,證明流體導(dǎo)電性受離子運動和粒子運動共同控制,為解釋和應(yīng)用納米流體特殊的導(dǎo)電性質(zhì)開創(chuàng)了先進理論。同一時期,陸先亮等[10]研究了聚硅納米材料對油水相對滲透率的影響,探明了聚硅納米材料的憎水親油特性;楊靈信等[11]利用聚硅納米材料的這一特性疏通注水井油層巖石孔隙,在文東油田取得了較好效果。此后,利用納米粒子實現(xiàn)降壓增注的技術(shù)日趨成熟,逐漸被運用于各地油田[12-15]。Kharchenko等[16]測量了聚丙烯的多壁納米管(MWNT)分散體,揭示了其對聚合物材料導(dǎo)電性能、剪切黏度和其他運輸性能的影響。Cruz等[17]厘定了氧化鋁粒子懸浮液達到穩(wěn)態(tài)所應(yīng)具備的離子強度條件。Nair[18]研究了液態(tài)晶體納米粒子(LC-GNP)的介電常數(shù)和導(dǎo)電率,并實驗證明了復(fù)合材料的各向異性導(dǎo)電性能。朱紅等[19]對納米二氧化硅進行了有機改性,探究了納米粒子-石油磺酸鹽復(fù)合體系與油水界面張力之間的關(guān)系。至此,納米粒子在影響流體導(dǎo)電性、控制油水滲透率、油水界面張力等測井相關(guān)參數(shù)方面有了實例應(yīng)用。2007年,沙特阿美公司提出油藏納米傳感器概念[6]。油藏納米傳感器是一種能夠在納米級空間操作的功能分子器件,用以收集溫度、壓力、滲透率、孔喉半徑等各種地層參數(shù),為使用納米技術(shù)收集油藏數(shù)據(jù)、采集測井參數(shù)等方面的發(fā)展提供了可能。

勝利油田2007年通過將納米粒子導(dǎo)入鉆井液順利完成了臨盤臨南洼陷街2塊街206井的鉆探[20],避免了井壁失穩(wěn)垮塌現(xiàn)象。同時勝利油田采用SLNR納米乳液鉆井液完成了高難度淺層大位移水平井(墾東405-平1井)[21]。Sayyadnejad等[22]將納米氧化鋅引入泥漿濾液中,通過實驗證明了納米氧化鋅粒子可以有效去除硫化氫,顯示了納米材料對泥漿的控制作用。Kulkarni等[23]研究了二氧化硅納米流體流變特性的主控因素,分析了溫度、濃度、粒子直徑的影響。Kau-Fui等[24]認為納米粒子的比表面積和布朗運動的影響是納米流體熱導(dǎo)率顯著增加的主要因素,通過室內(nèi)實驗研究了氧化鋁納米流體的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、黏度等方面的運輸特性。Shahwan等[25]研究了在K10膨潤土的存在下,納米鐵粒子的合成和特性描述,并用二階方程量化了Co2+的吸附作用,為納米粒子應(yīng)用于泥漿性能控制方面打下了理論基礎(chǔ)。

2008年,世界上最先進的10家石油公司和石油技術(shù)服務(wù)公司在美國休斯敦成立了先進能源聯(lián)盟(AEC),致力于納米技術(shù)在油氣勘探方面的應(yīng)用,如研發(fā)微傳感器、納米傳感器、油藏的三維空間表征。2008—2010年,沙特阿美先進研究中心(EXPEC ARC)逐漸完成了平均尺寸10 nm的油藏納米機器人地下“旅行”可行性研究及現(xiàn)場測試[6],驗證了納米粒子進入巖石孔隙的可行性,奠定了納米流體在多孔介質(zhì)中運移的基礎(chǔ)。

1.3 納米技術(shù)目前應(yīng)用階段(2010年至今)

納米粒子可以有選擇地展現(xiàn)材料某方面或多方面的特性,無論是電學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì),根據(jù)所使用合成方法的不同,可以定制出符合不同工業(yè)需求的納米粒子。如今,納米粒子幾乎可以運用到工業(yè)的任何方面。自2010年起,納米技術(shù)在油氣勘探特別是測井方面的運用進入到了快速發(fā)展階段,在提升鉆井液性能、深入微孔喉、電磁成像等方面取得了顯著成果[26-29]。

王鳴川等[26]認為納米聚合物微球具有良好注入能力及深部逐級調(diào)節(jié)能力,并在油田進行了實地驗證,為調(diào)堵地層深部大孔喉提供了解決方案,為優(yōu)化測井解釋提供了基礎(chǔ)。納米粒子對于泥漿性能具有控制及改善作用,金娜等[30]通過室內(nèi)實驗證明了納米乳液與地層水配伍性較強,納米乳液的引入可以提升鉆井液的流變性并且降低其對巖心的損壞率。Amanullah等[31]合成了具有商業(yè)價值的納米級鉆井液,可以顯著降低流體對地層的破壞,減少鉆井液的濾失,對于減小勘探過程對地層的影響具有商業(yè)層面的意義。Konakanchi等[32]測量了3種納米粒子(氧化鋁、二氧化硅和氧化鋅)溶于丙烯乙二醇和水的混合物所形成懸浮液的電導(dǎo)率,實驗溫度范圍0～90 ℃,納米流體濃度為0～10%,粒子尺寸為10～70 nm。測量結(jié)果表明,納米流體的導(dǎo)電性隨著溫度、體積濃度的升高而增大,隨粒徑增大而減小。Sikdar等[33]介紹了基于二氧化鈦納米流體導(dǎo)電性能的實驗測量結(jié)果,解釋了溫度和濃度對納米流體導(dǎo)電性的雙重影響。在不同濃度和溫度條件下,推導(dǎo)出體積濃度和溫度作為變量的回歸方程,以表示電導(dǎo)率增強因子的變化趨勢。Minea等[34]測量了12 nm水基氧化鋁納米流體的導(dǎo)電性,認為其導(dǎo)電性能優(yōu)于實驗用蒸餾水。實驗結(jié)果表明,氧化鋁納米流體的導(dǎo)電率隨溫度升高有顯著提高,在60 ℃上下,有一個巨大的躍升(390.11%)。Younes等[35]以Fe2O3和CuO納米流體為例,研究并分析了粒子排列、環(huán)境pH值、表面活性劑和溶劑對Zeta電位和導(dǎo)熱性的影響,為揭示納米流體基本性質(zhì)打開新的大門。李紅梅等[27]通過在延長油田的現(xiàn)場測試,證明了納米乳液可以改善泥漿流變性,并且具有顯著潤滑效果和抑制黏土膨脹的能力。M.Dong[36]研究了不同濃度油基氮化鋁納米流體在20 ℃～70 ℃的導(dǎo)電率,并基于傳統(tǒng)Maxwell模型建立了新的電導(dǎo)率經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。李屹同等[37]認為ZnO納米粒子的添加較大地提高了蒸餾水的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率,水基ZnO納米流體的電導(dǎo)率隨納米粒子體積分數(shù)增加呈非線性增加關(guān)系,而電導(dǎo)率隨溫度變化呈現(xiàn)出擬線性關(guān)系;納米流體的熱導(dǎo)率與納米粒子體積分數(shù)增加呈近似線性增加關(guān)系,粒子的布朗運動是納米流體熱導(dǎo)率增強的主要因素。蔡永富等[38]通過室內(nèi)實驗在膨脹性、注入性、降低水相滲透率能力等幾個方面研究了納米粒子在特低滲透油藏中的適應(yīng)性。Omeiza等[39]在室溫下用注射器將納米流體注入多孔介質(zhì)(PVC管內(nèi)未固結(jié)的細砂),通過測量殘留濃度、平衡時間和單層覆蓋參數(shù)等信息,推斷納米粒子的滯留能力。Goharshadi等[40]對蒸餾水中鈀納米粒子的導(dǎo)電性能進行了測定,觀察到溫度相較于體積濃度對導(dǎo)電性能的控制影響較小。Zakaria等[41]通過實驗建立了1套完整的基本流體配比(如水與乙二醇)的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率模型,同時給出了低濃度(0.1%、0.3%、0.5%)氧化鋁納米流體中2項性質(zhì)的變化。Ponmani等[42]的研究表明,以CuO納米流體為基礎(chǔ)的納米水基鉆井泥漿顯示了更良好的熱性能,比基于ZnO的泥漿更能抵抗高溫高壓條件。Sundar等[43]結(jié)合經(jīng)典Hamilton-Crosser和Einstein模型,對納米流體的導(dǎo)熱性和黏性的計算提出了相關(guān)建議。Hadadian、Mehrali[44-45]在不同的質(zhì)量分數(shù)和不同的溫度下,測量了石墨烯氧化物納米流體的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和流變特性。高俊等[28]研究了納米流體對乳液界面張力和黏度的影響,驗證了界面張力與納米流體濃度的正向相關(guān)性。Barry等[46]探究了納米粒子添加劑和黏土混合膨潤土鉆井液的濾失和流變特性。Adio等[47]研究影響氧化鎂-乙二醇納米流體pH值和導(dǎo)電性的因素,以溫度、體積分數(shù)、粒子大小和超聲能量為變量進行了對比試驗。孫林濤等[48]研究了礦化度、硬度、pH值、溫度對納米微球粒徑的影響,探究了納米粒徑變化的主控因素。Khdher等[49]研究了在30～80 ℃的溫度范圍內(nèi),含有Al2O3納米粒子的雙甘醇納米流體的熱導(dǎo)率、色散穩(wěn)定性和導(dǎo)電性,為導(dǎo)入納米流體控制泥漿電阻率提供了實驗證據(jù)。

2 納米技術(shù)應(yīng)用于測井領(lǐng)域的展望

2.1 納米流體在識別油水層中的應(yīng)用

低電阻率油層廣泛分布于世界上各大產(chǎn)油區(qū),如美國的墨西哥灣地區(qū)、加拿大東部近海地區(qū)、中東地區(qū)和中國的東西部油田[50]。在中國主要盆地如渤海灣盆地、松遼盆地、蘇北盆地、塔里木盆地和鄂爾多斯盆地等低電阻率油層也普遍存在。低電阻率油層在新油田勘探和老油田中后期開發(fā)中都具有重要的意義,而各油田低電阻率油層的成因受多種影響因素控制且識別方法都不相同。識別低電阻率油層,區(qū)分油水層具有重要理論和實踐意義。

低電阻率油藏油水層電阻率數(shù)據(jù)差異較小,對區(qū)分流體性質(zhì)存在較大干擾,使識別難度增大。針對這一問題,引入納米材料作為造影劑可以提供新的解決思路。納米粒子的各種應(yīng)用取決于其物理和化學(xué)性質(zhì),如粒徑分布、形狀、大小、表面狀態(tài)、晶體結(jié)構(gòu)和分散性[51]。前人針對分散在不同基液中的納米流體做了許多導(dǎo)電性研究工作,驗證了特定條件下的納米流體具備良好的減阻作用[32-37]。納米流體的作用效果受濃度、粒子直徑、表面性質(zhì)、環(huán)境溫度、地層壓力以及地層物性等多種因素影響,可以通過調(diào)節(jié)其影響因素更好地進行油水層識別。納米粒子經(jīng)過表面修飾可以展現(xiàn)出親水性,使減阻作用定向發(fā)生在水層;同時由于納米粒子在油層中運移困難,因而不會影響油層電阻率。所以,納米粒子可以作為新型造影劑引入流體,以增大油水層電阻率差異、校正電阻率,解決低電阻率油層識別困難的問題。同理,也可以利用親油性的納米粒子定向改變油層的電阻率,以達到相應(yīng)目的。但是,納米粒子及流體在油水層識別中的應(yīng)用還存在相應(yīng)的限制條件,運用的時候還需考慮對油層可能造成的污染以及操作成本問題。

2.2 納米粒子提升泥漿性能

納米粒子由于粒徑較小、比表面積大、吸附能力強等自身性質(zhì),在尺寸及表面效應(yīng)、潤濕特性、抑制微粒運移特性、納濾特性、剪切增稠特性等方面表現(xiàn)出異于常規(guī)試劑的性能[3],為導(dǎo)入納米粒子提升泥漿性能提供了可能性。

前人通過實驗及實地測試證明納米粒子的引入可以有效提升鉆井液的黏度、穩(wěn)定性、切動力、攜巖能力等多種相關(guān)性能,對于泥漿性能具有明顯的控制作用[10-11,19-21];另一方面,納米粒子可以提升泥漿整體穩(wěn)定性,對黏土膨脹和分散具有一定抑制能力,減少測井過程對于地層的損害[25-27,30-31,38,42]。親水性納米粒子的應(yīng)用將對油層產(chǎn)生保護效應(yīng)。通過導(dǎo)入納米氧化鎂懸濁液,可以減少水沖擊對于水敏地層的損害,同時保護了流體通道[52]。納米粒子能夠提升鉆井液的攜巖能力,可以作為一種增粘劑和提切劑;也可以在較大的溫壓范圍內(nèi)提升鉆井液的穩(wěn)定性,還可以減少鉆井液的濾失量。

納米流體性能受到溫度、納米粒子直徑、體積濃度、環(huán)境壓力、pH值等多種因素的控制[32-35]。納米流體的導(dǎo)電性隨著溫度、體積濃度的升高而增大,隨粒徑增大而減小,且不同種類納米粒子會有不同的表現(xiàn)。與傳統(tǒng)粒子添加劑相比,納米粒子具有較大的比表面積,能顯著提高熱傳遞能力和穩(wěn)定性。

前人利用物理機理和數(shù)學(xué)建模對納米流體進行了大量研究[9,32-35],以觀察描述并預(yù)測納米流體傳熱特性;但大多是基于各自實驗的特定條件得出的不同經(jīng)驗公式,存在相應(yīng)的限制條件和局限性,尚待深化及進一步研究。最早建立模型的學(xué)者,如Maxwell-Garnett[29]和Hamilton-Crosser等[53]并沒有將粒子運動納入影響范圍;Xuan等[54]拓展了一個動態(tài)模型,將納米粒子布朗運動的影響加入影響參數(shù)。然而,基于傳導(dǎo)機制建立的靜態(tài)和動態(tài)模型仍然存在其局限性和制約性,無法準確預(yù)測實驗數(shù)據(jù)的規(guī)模和趨勢。迄今為止,納米粒子的研究重點集中在熱學(xué)性質(zhì),特別是在有效導(dǎo)熱系數(shù)。盡管納米粒子的導(dǎo)電性具有廣泛的研究應(yīng)用前景,但是目前對于納米流體電學(xué)特性的認識不足且缺乏相應(yīng)實驗數(shù)據(jù),仍待進一步研究。納米流體的有效導(dǎo)電性除了受控于納米粒子和流體的濃度和導(dǎo)電性外,還表現(xiàn)出對偶極子層(EDL)相互作用、溶液中離子濃度和其他物理化學(xué)性質(zhì)的復(fù)雜依賴[55],而這些特性無法用Maxwell模型衡量和預(yù)測。這些存在的問題及制約條件也是納米粒子定量控制泥漿性能尚待研究的部分。

2.3 儲層測井參數(shù)納米表征

2010年以來,納米粒子及納米技術(shù)被廣泛地運用在儲集層測井參數(shù)表征方面[3],特別是微觀孔隙結(jié)構(gòu)表征、微觀多孔介質(zhì)運移表征、納米粒子孔隙顯影、納米粒子信號增強等多方面。納米粒子可以隨流體(或通過引入納米粒子懸浮液)進入儲集層孔隙,改變儲集層局部電、磁、聲學(xué)特征,以有利于油水層特性表征,強化其在電測井、核磁共振測井、微地震測井等曲線上的區(qū)分度,最終對儲層測井參數(shù)進行納米級表征,收集更微觀更細致的測井?dāng)?shù)據(jù)如儲集層孔隙度、滲透率、含油飽和度等。

常規(guī)儲集層巖石內(nèi)部孔隙直徑通常大于2 μm,其中品質(zhì)較高的宏觀孔隙或大孔隙可達到30 μm,喉道直徑往往超過10 μm[3]。較好的孔喉直徑為納米級材料進入儲集層及多孔介質(zhì)提供了可能,納米粒子可以自由進出儲集層巖石,記錄或傳輸數(shù)據(jù),并且不會堵塞孔隙及喉道。AEC組織資助的研究團隊對于納米流體在儲集層多孔介質(zhì)中粒子負載運移方面做了很多研究,制備了順磁納米流體,模擬了納米粒子在多孔介質(zhì)中的分布及運移規(guī)律[56],提供了納米流體通過儲集層微觀孔喉的理論基礎(chǔ)。沙特阿美公司在2010年對油藏納米機器人進行了現(xiàn)場測試,確認了納米機器人的尺寸上限[6],驗證了納米粒子進入巖石孔隙的可行性,奠定了納米流體在多孔介質(zhì)中運移的基礎(chǔ)?；谏鲜隼碚摷皩嶒灮A(chǔ),通過導(dǎo)入集合測井傳感器、微動力系統(tǒng)、微信號傳輸系統(tǒng)的納米級測井機器人,可以更精確地得到微觀納米級儲集層中的相應(yīng)測井參數(shù),為進一步更精確開展測井研究提供了可能。

2.4 納米流體在裂縫檢測方面的應(yīng)用

裂縫網(wǎng)絡(luò)組成了碳酸鹽巖等儲層中重要的滲流通道,并作為儲集空間聚集了大量油氣資源,對于測井解釋及油氣開采具有重要意義。目前,傳統(tǒng)的測井裂縫檢測主要是采用濾波法、邊緣檢測法,在成像測井所得圖像中裂縫斷裂不連續(xù),效果較差[57-61]。在這種背景下,納米技術(shù)在裂縫檢測方面的應(yīng)用具有巨大空間。

前人通過大量研究[32-35,37],證明了納米粒子可以影響流體導(dǎo)電性,且受控于納米粒子粒徑、濃度、粒子間相互作用等影響因素,為磁性納米粒子檢測裂縫提供了實驗證據(jù)和理論基礎(chǔ)。由于納米粒子存在粒徑小、比表面積大、吸附能力強等自身特點,可以更深入地進入微觀裂縫,用以對裂縫的產(chǎn)狀和空間分布進行統(tǒng)計。儲層監(jiān)測瞬態(tài)電磁測量系統(tǒng)(Transient Electromagnetic System,TEM)可以精準測量磁性納米流體[62]。其原理是通過在極短時間內(nèi)斷開源電流,改變磁場產(chǎn)生渦流,在對由渦流引發(fā)的次生磁場隨時間變化進行測量,從而得到納米級磁性粒子的瞬態(tài)變化。對于磁性納米粒子檢測裂縫,瞬態(tài)測量相比傳統(tǒng)的連續(xù)測量更為匹配,且具有多維儲層成像、高精度空間分別率、多區(qū)域成像等傳統(tǒng)裂縫檢測不具備的優(yōu)點。

同時,傳統(tǒng)裂縫檢測技術(shù)存在無法有效檢測裂縫長度和裂縫分布的缺陷,通過導(dǎo)入納米粒子作為裂縫支撐劑也可以有效解決這一問題。以納米粒子的電性、磁性特性為切入點,將納米導(dǎo)電支撐劑注入裂縫中,結(jié)合新型電磁測量儀器系統(tǒng)化測量地層的電磁響應(yīng),是未來裂縫檢測的發(fā)展方向。相較于傳統(tǒng)檢測方法,這種微觀層面的技術(shù)合作可以從納米尺度檢測裂縫信息,在精準度上取得躍升。目前,已有研究者提出了一種新的低頻電磁感應(yīng)方法(Low Frequency Electromagnetic Induction,LFEI),使用了1種由3組三方向發(fā)射器和接收器組成的新型測量儀器模擬了井中多種裂縫的電磁信號,并認為這種低頻三分量電磁示蹤方法不僅能估算水力壓裂裂縫的長度、高度和方位,還能計算裂縫中支撐劑,即導(dǎo)電納米粒子的垂直分布[63]。

綜上,納米粒子結(jié)合新型電磁測量方法和測量儀器將在裂縫檢測方面提供新的思路,以滿足日趨精細的測井要求。

3 結(jié)束語

(1) 納米粒子由于粒徑小、比表面積大、吸附能力強等性能,在表面效應(yīng)、潤濕特性、微粒運移、熱傳遞性、剪切黏度等方面具有常規(guī)材料所不具備的特殊性能。在地球物理測井過程中引入納米粒子及懸濁液,可以提升流體流變性、穩(wěn)定性、攜巖能力、界面張力;控制流體導(dǎo)電性、親水親油性、油水滲透率、剪切黏度;保護油層、地層,減少濾失量等。

(2) 未來納米技術(shù)在測井中的運用在于區(qū)分低電阻率油水層、表征測井參數(shù)、提升泥漿濾液性能、精準檢測裂縫等方面。納米粒子可以作為造影劑用以增強油水層電阻率差異、校正電阻率,解決低電阻率油層識別困難的問題。納米顆粒及懸濁液可以有效控制并提升鉆井液相關(guān)性能,同時保護油層,減少泥漿的濾失量。納米技術(shù)也可以運用在儲層測井參數(shù)表征方面:如微觀孔隙結(jié)構(gòu)表征、微觀多孔介質(zhì)運移表征、納米粒子孔隙顯影、納米粒子信號增強等。納米技術(shù)也可以應(yīng)用在裂縫檢測方面,結(jié)合瞬態(tài)電磁或三分量電磁測量可以連續(xù)測量裂縫、有效檢測裂縫長度,探測其在儲層中的分布情況。

(3) 納米粒子及流體的性能受到多種因素的影響,實際應(yīng)用需先進行室內(nèi)實驗研究,抓住問題的主要方面才能獲得預(yù)期的效果,此外如何將納米流體注入儲層或混入泥漿是今后研究的重要課題?？梢灶A(yù)期納米粒子特殊的多樣化電、磁、聲、熱等物理特性決定了其在新型測井方法和先進測井儀器制造方面將來會有突破性應(yīng)用和發(fā)展。

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