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石油工程仿生學的發展

發布時間:2019-11-08 09:34:54 已有: 人閱讀

  從千百年前模仿蜘蛛織網發明漁網,到近代模仿鳥類飛翔發明飛機,人類一直在向大自然學習,對仿生學的使用也從無意識向有意識轉變。中國科學院院士路甬祥這么定義仿生學:仿生學是研究生物系統的結構、性狀、原理、行為以及相互作用,從而為工程技術提供新的設計思想、工作原理和系統構成的技術科學。

  進入21世紀,仿生學的思維和方法迅速滲透到各個學科和行業,其中包括石油工程。為了系統、全面地推動仿生學與石油工程的融合,2009 年,中國石油勘探開發研究院成立了中國第1個石油工程仿生研究部門。經過幾年探索,在仿生泡沫金屬防砂、非光滑表面膨脹錐、仿生振動波傳輸等方面取得了階段性成果,部分進入了現場應用階段。實踐表明,石油工程和仿生學的結合是合理可行的,從長遠來看,建立“石油工程仿生學”是非常必要的。

  石油工程仿生學是借鑒生物系統的結構、原理、功能等特征為石油工程技術難題提供解決方案的學科。根據石油工業的技術現狀、需求和特點以及仿生學的整體發展水平,未來石油工程仿生學應注重材料仿生、表面仿生、信息仿生和工程仿生等4個方面的系統性研究,以點帶面,形成涵蓋勘探、開發、工程的仿生技術體系。

  1)材料仿生。材料仿生是指仿制天然材料或利用生物學原理設計和制造具有生物功能甚至是具有真正生物活性的材料。石油工程領域的材料仿生主要分為兩類:一是在機械、電學、化學、物理等方面具有仿生特性的主體材料,此類材料或在宏觀上體現出明顯的仿生特征,或通過外場刺激可調控其分子的長度、結構、化學組成、表面形貌等,或通過自身特殊微納結構形成天然材料所不具備的超常物理特性(如光學、聲學、熱學等),具有輕質高強、超隔熱、聲學隱身等特征的這類材料可用來替代石油工業中常用的鋼鐵、橡膠、陶瓷等,大幅提升現有材料、工具以及傳感器的性能指標;二是具有強化、修復、潤滑、保護等作用的微觀仿生材料,此類材料可提高現有制劑性能、界面結合效果等,多以添加劑的方式應用。

  2)表面仿生。表面仿生是指在處理對象表面實現類似生物的表面結構。未來石油領域的表面仿生重點集中在仿生非光滑功能表面和仿生浸潤性兩方面:仿生非光滑功能表面主要應用到大量處于惡劣環境中的設備、管線、平臺中,提高運動組件的減阻、耐磨、脫附等性能以及非動組件的防腐、防垢等特性,延長裝備壽命,提高作業效率,降低安全風險;仿生浸潤性處理使對象表面具有自清潔、親油、疏油、親水、疏水等不同浸潤性的組合特征,從而衍生出新的功能特性。

  3)信息仿生。信息仿生是對生物信息獲取、大數據處理以及生物間信息溝通、協同等特性的模擬與實現。石油信息仿生主要分兩類:一是借鑒生物在信息感知和傳遞方面的特性,研制新型傳感或信息傳遞裝置,提高信號采集的精度、廣度及適用范圍,該技術可用于油田生產數據的精確采集以及信息的高效傳遞,提高油田生產狀態的實時監測與控制水平;二是在信息處理方面借鑒生物的大數據處理機理和方法,提高大數據處理能力和智能化水平,建立決策機制,并將其應用在地震解釋、油藏認識、開發方案制定以及油田綜合管理等方面,促進油田勘探開發高效運行。

  4)工程仿生。工程仿生是對生物某種功能的模仿,注重仿生功能的實現,不強調機理相似。工程仿生主要有兩類:一是對生物功能的模仿和實現,注重結構相似或生物功能的工程實現,優化功能結構和控制方式,促進功能拓展,提高作業效率和便捷化程度,如模擬微生物運動行為而設計出的能自主進入巖層微小孔道的微納尺度機器人;二是工程實踐方法,在石油仿生研究成果的工業應用過程中解決適用性問題,提供切實可行的工程實踐手段。

  目前,石油工程與仿生學的結合依然處于“形似”的初級階段,隨著生命科學研究水平的提高以及電子、材料、控制等學科的技術進步,人類對生命本質的認識愈加深刻,將促使石油工程仿生研究成果與被模仿的生物本身越來越“神似”;反之,石油工程仿生學的發展也使得人們在科研實踐中深化了對生物本身及其活動的理解,進一步促進了生命科學研究,并使之有形化。

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