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4新材料驱动油气技术新变革和炼化行业转型升级
  新闻来源:石油商报 2018-07-31 10:35  

  材料是人类赖以生存和发展的物质基础。早在20世纪70年代,人们就把信息、材料和能源视为社会文明的支柱。到了80年代之后,随着高技术群的兴起,又把新材料与信息技术、生物技术并列作为新技术革命的重要标志。今天,材料已成为国民经济建设、国防建设和人民生活的重要组成部分。在漫长的历史长河中,材料一直扮演着划分时代的角色,一种新材料的问世,往往孕育着一批新技术产业的诞生,给人类社会的进步以革命性的巨大推进。

  1、材料科学突飞猛进,新材料层出不穷,市场潜力巨大

  新材料是指新出现的具有优异性能或特殊功能的材料,或是传统材料改进后性能明显提高或产生新功能的材料,呈现高性能化、多功能化、智能化、绿色化发展趋势。

  我国政府高度重视新材料的发展,在2016年11月发布的《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》中,将材料作为重点发展的七大新兴产业之一;在《中国制造2025》中,将新材料列入十大重点发展领域之一;2017年7月还专门发布了《新材料产业发展指南》。

  在航空、航天、军工、电子信息、生物、医药、冶金、化工、新能源、新能源汽车等领域,新材料层出不穷,不断更新换代,推动世界科技日新月异。新材料市场需求量大,前景广阔。我国新材料产业总产值已由2010年的0.65万亿元增至2016年的2.6万亿元,预计到2025年将增至10万亿元以上。

  2、新材料驱动油气技术新变革,助力增储上产、降本增效

  油气行业是最大的材料用户之一,每年要消耗大量的材料,比如钢材、水泥、入井液及其处理剂、催化剂等。油气行业的技术进步与材料科学的发展密切相关。

  纳米材料

  可降解压裂球

  纳米材料在油气行业已有不少应用,比如钻完井液用纳米添加剂、可降解压裂球、纳米压裂桥塞、纳米防砂材料、纳米驱油剂、纳米示踪剂、纳米涂层等,助力油田增储上产和降本增效。

  可降解压裂球是由纳米级可控电解金属材料组成,该材料比铝轻,比低碳钢强度大,但在特定流体条件下会降解。可降解压裂球在压裂过程中能够保持其原有形状和强度,随后在井投产前或投产后短时间内降解。浸泡在盐水中的压裂球会随着时间的推移而逐渐降解,也就是说,降解过程通常发生在压裂液和井筒流体存在的情况下,无需人为添加其他特殊流体。

  碳纤维及碳纤维复合材料

  有缆碳纤维复合材料连续管

  碳纤维“外柔内刚”,重量比金属铝轻,但强度却远高于钢铁,并且具有耐腐蚀、高模量、无磁性等特性,也享有“新材料之王”的美誉,广泛用于航空、航天、军工、汽车、民用等领域。碳纤维及碳纤维复合材料在油气上游的应用日渐增加。连续碳纤维在油气田领域的应用有碳纤维抽油杆、碳纤维复合材料连续管、压缩天然气气瓶、管道、管道补贴、管道保温层等;短切碳纤维在油气田领域的应用有碳纤维复合材料桥塞、压裂球、碳纤维混注加砂压裂技术、套管补贴等。

  国外新推出的有缆碳纤维复合材料连续管,具有耐腐蚀、疲劳寿命长、重量轻、运输方便、内置电力线和信号线等特点。通过电力线向井下供电,通过信号线实现数据的实时、高速、大容量、双向传输。有缆碳纤维复合材料连续管有望推动未来智能连续管钻井技术的发展。

  先进复合材料

  用于油气集输的非金属管道(热塑性复合材料管道)

  复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料,通过物理或化学的方法,在宏观(微观)上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短,产生协同效应,使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。增强材料主要有碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。先进复合材料是指由高端基体材料和高端增强材料组成的复合材料。

  先进复合材料在油气上游已有不少应用,比如钻完井用的复合材料连续管和在油气集输中的地面集输管、海底集输管等。

  石墨烯

  石墨烯分子结构

  石墨烯是人类迄今为止发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料(图4),被称为“黑金”、“21世纪新材料之王”,将给人类的生产、生活带来一系列的颠覆性变革。2015年,国家工信部、发改委、科技部联合出台了《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》。我国正引领全球石墨烯研发及制造。随着技术的不断发展,石墨烯制造成本持续下降,应用领域不断拓展。

  国内外都有公司和机构在尝试将石墨烯引入油气行业,研究石墨烯未来在油气行业的潜在应用,预计2025年前后石墨烯在油气行业的应用将取得突破,有望产生一系列颠覆性技术。

  超硬材料

  天然金刚石是自然界中最坚硬的物质,但其太过昂贵和稀缺,1955年美国通用电气公司率先合成了人造金刚石。人造聚晶金刚石是人造金刚石的一种,它的问世带来了钻头技术的一次革命——PDC钻头。PDC钻头早已成为石油钻井的主导破岩工具,显著缩短了钻井周期,降低了钻井成本。为更好地进行机加工和切割等工作,国内外都在持续研发新型超硬材料,并不断取得研究成果。国内外都在研究人工合成纯相多晶金刚石的方法,其硬度与金刚石单晶硬度相当,热稳定性、硬度及耐磨性明显优于含金属或陶瓷粘结剂的多晶金刚石。

  钛合金

  钛合金作为一种先进基础材料,具有密度低、强度/重量比高、韧性和抗冲击性好、耐腐蚀、耐疲劳等优异性能,已广泛应用于航空、航天、医疗、军工、化学化工、海洋工程和石油化工等众多领域。钛合金在油气勘探开发中也有应用。比如,国外用钛钻金钻杆钻短曲率半径水平井、深井、超深井等,只是因其成本是钢质钻杆的数倍,限制了它的推广应用。

  2017年7月中国石油集团渤海装备公司宣布研制成功了全钛合金钻杆。钛合金油管已在国内外的高含硫气井中有应用。

  仿生材料

  仿生材料是指模仿生物的各种特点或特性而研制开发的新材料。中国石油大学(华东)根据海洋贻贝生物的分泌物具有强粘附能力的特性,用仿生学方法合成出了一种仿生固壁剂,加有仿生固壁剂的仿生钻井液在现场试验中取得了满意的井壁稳定效果。国内已有多家单位开发出了仿生钻井液,有的已投入现场应用,显著改善了井壁稳定性,减少了非生产时间。

  智能材料

  智能材料是一种能感知外部刺激,能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料,其研制和大规模应用将引发材料科学一次新的革命。一般说来,智能材料有七大功能,即传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自诊断能力、自修复能力和自适应能力。

  自愈合或自修复聚合物属于功能聚合物中的一种,具有自我修复特性,能够修复材料内部出现的微裂纹。在油气田开发中,自愈合聚合物的潜在应用有自愈合封堵材料、自适应钻井液、自愈合膨胀封隔器等。

  自修复防腐涂层在油气管道上已有应用。例如,美国Battelle公司开发了一种自修复防腐涂层,该涂层中的胶囊没有使用常用的热固性树脂,而是采用热塑性树脂进行封装。与热固性树脂不同的是,热塑性树脂不需要催化剂反应即可愈合涂层,解决了与涂层催化剂的稳定性和兼容性问题。

  其他新材料

  展望未来,越来越多的新材料有望在油气上游获得用武之地。

  比如:微格金属、超高温陶瓷、泡沫金属、气凝胶等。

  3、炼化行业不断推出新材料,驱动行业转型升级、提质增效

  炼化行业既是新材料的应用者,更是新材料的研发、生产和供应者,生产和供应炼化过程自身需要的新材料以及其他行业需要的新材料。炼化产业的发展趋势之一,就是研发生产更多高附加值的石化新材料。展望未来,炼化行业将从以燃料生产为主转向以材料生产为主,推出更多石化新材料,促进炼化行业转型升级、提质增效。

  自身需要的新材料

  炼化过程自身需要消耗大量的化学品,如各类催化剂、添加剂、助剂、聚烯烃共聚物等。为了进一步提高产品性能,实现炼化产品的质量升级,需要不断改进这些化学品,甚至采用新材料。比如,埃克森美孚2017年12月宣布,来自埃克森美孚和西班牙研究机构ITQ的科学家发现了一种称为ITQ-55的新材料,可大幅度减少乙烯生产过程的能耗和CO2排放量。

  其他行业需要的新材料

  石化新材料各类众多,且新品不断,下面仅简要介绍其中的6种。

  碳纤维及碳纤维复合材料

  碳纤维按原料来源可分为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维、酚醛基碳纤维、气相生长碳纤维。前两种以石化产品为原料,第一种居市场主导地位,因此市场上的碳纤维绝大部分是以石化产品为原料。

  碳纤维复合材料种类繁多、性能卓越,需求量日益增长,应用日益广泛。碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合,制成结构材料。碳纤维增强树脂基复合材料具有众多材料无可比拟的高比强度(强度比密度)及高比刚度(模量比密度)性质,以及优异的耐腐蚀、耐疲劳、导热性等特性,因此大量用于航空飞行器和航天飞行器。碳纤维增强复合材料又以环氧树脂基复合材料为代表,目前已发展到第三代,我国碳纤维增强树脂基复合材料的技术水平大致在第二代。近年来,为满足新型航空和航天器不断提高热固性树脂基复合材料的使用温度和力学性能的需求,正在开发新型耐高温树脂,主要有双马来酞亚胺(BMI)和聚酞亚胺(PI)。目前大量使用的环氧树脂(EP)的最高使用温度约为180℃,而BMI的使用温度可达250℃,且不熔化、不溶解、模量高、韧性高。PI的使用温度一般可达316℃,美国国家航空航天局推出的PMR-II使用温度可达371℃。PI被认为是最有发展潜力的热固性树脂。

  发展碳纤维及碳纤维复合材料的市场前景广阔,只是生产碳纤维的技术门槛太高了。2017年10月31日,中国石化启动了碳纤维及碳纤维复合材料关键技术重大攻关项目。

  纳米复合材料

  与传统的复合材料相比,纳米复合材料表现出更优异的综合性能。比如尼龙6纳米塑料与纯尼龙6相比,具有高强度、高模量、高耐热性、低吸湿性、高尺寸稳定性,阻隔性能好,性能全面超越纯尼龙6。纳米润滑油的研究开发也成为世界各国关注的焦点。美国Petron Plus公司推出的纳米润滑油,是运用纳米技术使原来的油分子变得非常微小,可以完全充填金属表而的微孔,并形成单分子有机膜,最大限度地减少金属与金属间微孔的摩擦。

  聚烯烃弹性体

  聚烯烃弹性体是一类由乙烯、α-烯烃无规共聚组成的应用极其广泛的聚烯烃材料,兼具了塑料和橡胶的双重特性,具有优异的机械性能和低温性能,可直接作为弹性体材料使用,还可用于制备发泡材料,用于高级运动鞋的海绵中底和微孔底的制备领域,在医用领域的发展也获得了长足的进步。

  3D打印材料

  3D打印市场火爆,3D打印材料市场需求旺盛。我国3D打印材料市场规模从2012年的2.6亿元快速增长至2017年的23.76亿元。3D打印材料种类众多,其中一部分来自石油化工。因此,越来越多的石油公司积极介入3D打印材料的生产。

  例如,壳牌公司不仅研制3D打印材料,还用3D打印技术生产零部件。中国石化已经开发出部分3D打印材料,比如高性能的ABS树脂材料及PLA各种优质性能材料。

  功能膜材料

  功能膜材料具有吸附、分离、光电、磁性、刺激响应性、生物相容性、催化活性、反应性等特定功能。在目前的功能膜材料中,分离膜、离子交换膜以及封装膜因其在液体、气体分离纯化、新能源以及食品医药等行业的实际应用而得到广泛关注。

  分离膜材料在水处理和空气处理领域起着关键作用。离子交换膜材料是起到离子交换作用的特殊膜材料,包括锂离子交换、质子交换以及阴阳离子交换等过程。在封装膜材料中,传统封装膜主要应用于食品、药品等领域。太阳能电池背板膜材料是太阳能电池组件的关键封装材料,具备绝缘阻水、尺寸稳定、密封、耐候性等特点。

  生物降解塑料

  生物降解塑料是指一类由自然界存在的微生物如细菌、霉菌(真菌)和藻类的作用而引起降解的塑料。

  理想的生物降解塑料是一种具有优良的使用性能、废弃后可被环境微生物完全分解、最终被无机化而成为自然界中碳素循环的一个组成部分的高分子材料。

  按原料来源,生物降解塑料可分为生物基和化石基两大类。

  生物降解塑料主要的目标市场是塑料包装薄膜、农用薄膜、一次性塑料袋和一次性塑料餐具。

  现阶段其最大的应用领域是用作食物软硬包装材料。因此,推广生物降解塑料可缓解“白色污染”。

  4、几点建议

  结合中国石油企业的实际,提出以下几点建议:

  ●高度重视新材料的应用与开发

  新材料作为我国重点发展的七大战略新兴产业之一,战略意义突出,市场潜力巨大,在油气行业上下游有着举足轻重的地位。中国石油企业应在推广应用新材料方面大有作为,成为发展石化新材料的生力军,在这一快速增长的巨大市场上占有一席之地,为新材料的发展做出贡献。

  ●在上游领域,重点加强新材料的集成创新与应用,不断推出新的技术利器

  要加强新材料与油气行业的融合与发展。

  重点攻关新材料的集成应用技术,引领油气技术创新,甚至是颠覆性技术变革,不断推出新的技术利器,推动上游增储上产、降本增效、绿色发展。

  ●在下游领域,重点发展石化新材料,培育成新的增长极,推动炼化行业转型升级

  国内市场所需的化工新材料有30%以上依赖进口。由于进口的化工新材料价格较高,按销售额计的化工新材料的国内自给率不足50%。

  为顺应未来炼化行业从以燃料生产为主向以材料生产为主的转型,必须加快调整下游产品结构,补齐石化新材料短板。

  ●依靠开放式、协同创新,实施新材料技术研发

  在石化新材料领域,有必要大力实施开放式研究,可考虑参加中国新材料产业技术创新战略联盟,以期加快石化新材料的研发。也可以开办石化新材料的合资企业或合资项目,加快石化新材料的产业化,实现合作共赢。

  (作者:杨金华 刘雨虹 郭晓霞 张珈铭 邱茂鑫 郝宏娜 单位:中国石油经济技术研究院石油科技研究所)

 
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