0 引言
随着易采油气资源的逐渐减少和全球经济对油气资源需求的逐步增加，钻井活动正不断向复杂地质区域、深水、极端高温高压等高风险和极具挑战性的钻井环境转移。从直井向斜井、水平井和大位移井钻井，从单分支井向多分支井钻井，从钻杆向连续管或套管钻井，从旋转向钻井马达钻井等的转换日益增多。由于常规工具与设备的材料特性限制，高温高压钻井、深水钻井、水平井和大位移井钻井、连续管或套管钻井等都会对常规工具与设备造成不利影响。因此，极端环境钻井作业需要综合稳定性强、具有自动防故障装置的地面和井下工具与设备，以克服常规工具与设备的技术局限性。
纳米技术已证实，与具有相同化学和材料成分的常规材料相比，纳米材料和纳米复合材料不仅密度低，而且还展现出更高的强度、硬度、韧性、耐腐蚀性、延展性、弹性、热稳定性和导热性[1-4]。因此，单独使用专门定制的纳米材料或纳米复合材料，或与其他宏观、微米或纳米材料相结合可为具有更高力学、热、化学和摩擦特性的轻型钻采工具与设备的设计与研发提供选择，以适应极具挑战性的极端钻采环境。
1 常规钻采工具与设备极限图 1显示了各种常规钻采工具与设备的热稳定性极限。由图可以看出，大多数工具与装备的工作温度几乎不会超过232.22℃。图 2为全球正常和极端钻井环境下可能遇到的压力和温度范围。当前全球钻井报告和活动分析结果表明，在一些陆地井和海上井的极端钻井环境下，压力和温度分别超过172.375 MPa和260 ℃。
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| 图 1 各种常规钻采工具与设备的热稳定性极限 Fig.1 Thermal stability limits of various conventional drilling and production tools and equipment |
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| 图 2 全球正常和极端钻井环境下可能遇到的压力和温度范围 Fig.2 The pressure and temperature range of global normal and extreme drilling environment |
除了压力和温度，井身剖面、原地应力状态以及地质复杂性等因素对极端环境下工具与设备的性能和稳定性都会产生极大的影响。现场经验显示，工具与设备的稳定性和性能常常受上述因素的综合控制，有时，其极限甚至低于出厂指标。
当钻采工具与设备所承受的压力和温度等超过稳定性极限时，就会由于快速分解、永久变形以及快速磨损等原因造成工具和设备损坏严重、故障频发，从而丧失功能。特别是在富酸性气体的极端钻井环境下，工具与装备的腐蚀和磨蚀会急剧缩短其使用寿命。
当前的微米复合材料基工具与设备在超高温高压和极端高温高压、深水和超深水、水平井和大位移井、富酸性气体以及复杂地质等极端钻井环境下常常性能低下。由于材料技术限制，高反应性和粘性页岩、构造活动带、滑移地层以及磨蚀性岩石通常会对工具和设备造成严重损害[5]。
2 纳米影响分析纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1~100 nm)或由它们作为基本单元构成的材料。而纳米复合材料是以树脂、橡胶、陶瓷和金属等材料作为基体材料，以纳米尺寸的金属、半导体、刚性粒子和其他无机粒子、纤维、纳米碳管等改性剂作为增强材料，通过适当的制备方法将改性剂均匀性地分散于基体材料中，形成含有纳米尺寸材料的复合体系，这一体系材料称之为纳米复合材料。在对比单壁碳纳米管(SWCNT)和多壁碳纳米管(MWCNT)与常规材料在密度、拉伸强度、弹性模量等物理和力学特性的基础上，根据混合法则理论和公式，沙特阿拉伯国家石油公司的J.RAMASAMY理论计算分析了CNT不同质量分数情况下对CNT-钢纳米复合材料的质量、强度和刚度的影响[5]。
2.1 质量SWCNT和MWCNT 2种纳米材料与几种常规材料的密度对比见图 3。
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| 图 3 纳米材料与几种常规材料的密度对比 Fig.3 Density contrast of nanomaterials with several conventional materials |
由图 3可以看出，MWCNT和SWCNT的密度远低于钢的密度，而SWCNT的密度又低于MWCNT的密度。与纯钢相比，不同质量分数的SWCNT与钢混合形成的纳米复合材料的质量减轻百分比理论计算结果见图 4。
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| 图 4 不同质量分数的SWCNT与钢混合形成的纳米复合材料的质量减轻百分比 Fig.4 Weight reduction of nanocomposite mixed by different mass fraction of SWCNT with steel |
从图 4可以看出，与纯钢相比，SWCNT-钢纳米复合材料的质量明显减轻，即使在SWCNT质量分数仅为5%的情况下，SWCNT-钢纳米复合材料的质量都减轻14%以上，随着SWCNT质量分数的增大，SWCNT-钢纳米复合材料的质量减轻百分比也逐渐增大。
2.2 强度SWCNT和MWCNT 2种纳米材料与几种常规材料的拉伸强度对比见图 5。从图可以看出，MWCNT和SWCNT的拉伸强度最高，都大于30 GPa，而钢的拉伸强度仅为0.4GPa。与纯钢相比，不同质量分数的CNT与钢混合形成的纳米复合材料的拉伸强度提高百分比理论计算结果见图 6。
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| 图 5 纳米材料与几种常规材料的拉伸强度对比比 Fig.5 Tensile strength contrast of nanomaterials with several conventional materials |
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| 图 6 不同质量分数的CNT与钢混合形成的纳米复合材料的拉伸强度提高百分比 Fig.6 Tensile strength improvement of nanocomposite mixed by different mass fraction of CNT with steel |
从图 6可以看出，与纯钢相比，CNT-钢纳米复合材料的拉伸强度明显提高，即使在CNT质量分数仅为5%的情况下，CNT-钢纳米复合材料的拉伸强度都提高1 000%以上，随着CNT质量分数的增加，CNT-钢纳米复合材料的拉伸强度提高百分比也逐渐增大。
2.3 刚度SWCNT和MWCNT 2种纳米材料与几种常规材料的弹性模量对比见图 7。从图可以看出，MWCNT和SWCNT的弹性模量几乎是钢的4倍。与纯钢相比，不同质量分数的CNT与钢混合形成的纳米复合材料的刚度提高百分比理论计算结果见图 8。
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| 图 7 纳米材料与几种常规材料的弹性模量对比 Fig.7 Elastic modulus contrast of nanomaterials with several conventional materials |
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| 图 8 不同质量分数的CNT与钢混合形成的纳米复合材料的刚度提高百分比 Fig.8 Stiffness improvement of nanocomposite mixed by different mass fraction of CNT with steel |
从图 8可以看出，与纯钢相比，CNT-钢纳米复合材料的刚度明显提高，即使在CNT质量分数仅为5%的情况下，CNT-钢纳米复合材料的刚度都提高50%以上。随着CNT质量分数的增大，CNT-钢纳米复合材料的刚度提高百分比也逐渐增大。
除了密度、强度和刚度等物理和力学特性以外，纳米复合材料的减振性、耐磨性、智能响应、耐热性、耐化学性和摩擦特性也显著增强。A.MANJUNATH和J.M.WU等人分别研究了MWCNT-金属和纳米尺寸TiO2/SiO2-聚氨酯弹性体纳米复合材料的硬度、阻燃与力学性能，而A.MISRA和M.A.SAYYADNEJAD等人分别研究了纳米尺寸聚合物-CNT组合和ZnO的吸振性能和中和H2S能力。
2.4 MWCNT-金属的硬度A.MANJUNATH等[5]试验研究了金属中混入不同质量分数的MWCNT后的布氏硬度变化，结果见图 9。从图可以看出，与纯金属相比，MWCNT-金属纳米复合材料的布氏硬度值明显增大，耐磨性显著增强。
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| 图 9 金属中混入不同质量分数的MWCNT后的布氏硬度变化 Fig.9 Brinell hardness change of metal mixed with different mass fraction of MWCNT |
2.5 纳米尺寸TiO2/SiO2-聚氨酯弹性体的阻燃和力学性能
J.M.WU等人[6]对聚氨酯弹性体混入TiO2/SiO2纳米颗粒后形成的纳米复合材料的阻燃和力学性能进行了研究。结果表明，与纯聚氨酯弹性体相比，纳米尺寸TiO2/SiO2-聚氨酯弹性体纳米复合材料的热和阻燃性能明显提高。力学性能研究结果见图 10。由图可以看出，与纯聚氨酯弹性体相比，纳米尺寸TiO2/SiO2-聚氨酯弹性体纳米复合材料的拉伸强度和抗撕强度都得到提高。
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| 图 10 纯聚氨酯弹性体与纳米尺寸TiO2/SiO2-聚氨酯弹性体纳米复合材料力学性能对比 Fig.10 The mechanical performance comparison of pure polyurethane elastomer with nano-sizedTiO2/SiO2-polyurethane elastomer nanocomposite |
2.6 纳米尺寸多层聚合物-CNT的吸振性
A.MISRA等人[7]研究了纳米尺寸多层聚合物-CNT组合吸振CNT的作用，结果见图 11。A.MISRA等人认为，纳米尺寸多层聚合物-CNT组合的吸振能力比密度相当的天然和合成泡沫材料大3倍。除了CNT，纳米尺寸的无机富勒烯、硼富勒烯和碳化硅都可用作吸振材料。
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| 图 11 纳米尺寸多层聚合物-CNT组合 Fig.11 The nano-sized multi-layer polymer-CNT composition |
2.7 纳米尺寸ZnO中和H2S能力
M.A.SAYYADNEJAD等人[8]试验研究对比了纳米尺寸ZnO和常规(微米尺寸)ZnO中和H2S所需要的时间，见图 12。从图可以看出，常规(微米尺寸)ZnO在90 min内只能中和体积占比为2.5%的H2S，而纳米尺寸ZnO在15 min内却能中和全部的H2S，这是因为在体积相同的条件下，纳米尺寸ZnO比表面积高。
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| 图 12 纳米尺寸ZnO和常规(微米尺寸)ZnO中和H2S所需时间对比 Fig.12 The time required for H2S neutralization with nano-sized ZnO and conventional (micron-sized) ZnO |
3 应用前景
与常规材料相比，纳米材料和纳米复合材料的力学、电子、热、物理、化学以及摩擦等性能明显提高，在工具与设备领域的潜在应用极其广泛，可为极端环境下优质工具与设备的设计与研发提供选择。应用纳米材料和纳米复合材料设计研发的钻采工具与设备比其他钻机/作业机配件的稳定性明显增强，安全作业极限得到大幅提高，从而可克服极端环境下常规工具与设备遇到的挑战，同时降低风险，实现安全作业[5]。纳米技术在钻采工具与设备中的应用前景如下。
(1) 钻井过程中，使用钢-CNT纳米复合材料钻杆具有以下优势：①扭矩和摩阻小，有利于提高机械钻速；②显著消除或减少钻柱断裂、扭断和弯曲，避免复杂事故；③有利于钻压传递至钻头。
(2) 轻型工具与设备有助于组装和拆卸，且仅需要能耗低的小型钻机和作业机就能满足施工要求。
(3) 钢-CNT纳米复合材料连续管刚度大。优势如下：①抗弯性好，压缩力作用下不易发生屈曲破坏；②正常钻进时有利于推动BHA向井下移动，遇卡时也能够承受更高的拉力而不会损坏连续管。另外，在纯钢中混入2种纳米材料(如硼纤维和CNT)，由于连续管抗压和抗拉刚度的同时增大，可极大提高连续管的稳定性。
(4) 高耐磨工具与设备设计。钻遇研磨性地层或在极端钻井环境下，由于快速磨损导致钻头、扶正器、扩眼器、钻杆等工具与设备更换频繁，从而极大降低了钻井性能。金属-MWCNT纳米复合材料硬度高，耐磨性强，钻头、扶正器、扩眼器以及钻杆等工具与设备的设计中使用该材料可有效解决快速磨损问题。
(5) 提高橡胶、密封件和弹性体质量。高温高压环境下，由于热、物理、力学和化学稳定性差，常规橡胶、密封件和弹性体会出现永久变形、结构扭曲、延展性降低和脆性增大等现象，导致使用寿命缩短。纳米尺寸TiO2/SiO2-聚氨酯弹性体纳米复合材料可用来生产工具与设备中的橡胶、密封件和弹性体组件，从而延长其使用寿命。
(6) 高减振工具与设备设计。极端钻井环境下，由于常规工具与设备减振性能差，钻柱的轴向扭转或横向振动都会导致钻柱失效。工具与设备设计中使用纳米尺寸多层聚合物-CNT组合会极大提高这些工具与设备的减振性能。
(7) 耐腐蚀工具与设备设计。腐蚀对工具与设备的耐用性会造成极大的影响。富含H2S酸性气体环境下，常规工具与设备极易腐蚀，导致工作寿命缩短以及功能性能力下降。工具与设备设计中使用纳米尺寸ZnO会极大提高这些工具与设备的耐H2S腐蚀性能。
4 结论及建议(1) 纳米技术的快速发展推动了油气行业工具与设备的持续创新，可克服极具挑战性钻采环境中的关键复杂问题，减少意外事故，降低作业风险，节约成本。
(2) 目前，纳米技术在钻采工具与设备领域的研究仅处于起步阶段，但为智能钻采工具与设备的设计和研发提供了选材的途径，建议针对纳米技术开展大规模的理论和试验研究，为现场试验和推广应用奠定良好的基础。
(3) 钻采工具与设备总的发展趋势是从人工干预向自动化和智能化转变，随着井工厂和远程作业模式的不断发展和成熟，以及智能工具与设备的研发成功，在不远的将来，极端环境中地面与地下工具与设备的远程操作将成为现实。
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